焊接波紋管式溫控閥的設計和試驗研究

廖博文， 李金京， 全曉軍

（上海交通大學 機械與動力工程學院， 上海 200240）

0 引言

齒輪箱作為風電機組的關鍵部件， 其可靠性直接關系著風電機組的穩定運行[1]。 風機齒輪箱的正常運行要求潤滑油油溫控制在40～60 ℃。 當潤滑油油溫過低時，潤滑油的粘度較高，流動性變差；而油溫過高時，過熱膨脹會破壞零件的正常配合間隙，導致油膜變薄，機械磨損增加，甚至會導致軸承干磨燒毀[2]。 在風電機組故障中，齒輪箱故障占15%～20%[3]，在齒輪箱故障中，軸承高溫故障約占48%。 溫控換向閥失效，部分流量不經過散熱器而直接回到齒輪箱， 會導致齒輪箱內溫度升高[4]。 當前使用的溫控閥主要采用橡膠囊和推桿結構，利用石蠟膨脹擠壓橡膠囊，橡膠囊推動推桿運動。 在使用過程中，橡膠囊會逐漸疲勞老化，同時潤滑油中存在的細小金屬碎屑會加速橡膠囊的損壞，導致石蠟泄露，致使溫控閥失去調節能力。在風機行業，溫控閥的使用壽命約為3 萬次，平均使用壽命為2～3 a，短則半年，已經逐漸無法滿足風機齒輪箱潤滑冷卻系統的使用要求[5]。

為解決橡膠囊式溫控閥存在的壽命短、 使用成本高等問題，文獻[6]提出了利用單向閥代替橡膠囊式溫控閥，取得了良好運行效果。本文提出了一種基于石蠟相變的焊接波紋管式溫控閥， 創造性地引入焊接波紋管技術， 從而大幅度提高了密封可靠性，同時焊接波紋管自身作為運動部件，避免了橡膠囊式溫控閥中的摩擦泄露問題， 能有效提升溫控閥的使用壽命。 本文通過合理設計調節彈簧、填充蜂窩鋁材料強化石蠟相變過程，對溫控閥動作特性、響應速度進行了優化，完成了溫控閥樣機的設計及制造，最后，通過實際掛機測試，驗證了波紋管式溫控閥的可靠性及通用性。

1 焊接波紋管式溫控閥結構

焊接波紋管式溫控閥的最大特點在于焊接波紋管技術的引入。焊接金屬波紋管具有可壓縮、拉伸、彎曲等特性，同時具有耐高溫高壓、耐腐蝕、密封性能好、壽命長等優點[7]。 焊接波紋管的動作壽命通常在百萬次以上[8]，可大幅度提高溫控閥的使用壽命。 焊接波紋管式溫控閥的結構見圖1。

圖1 焊接波紋管式溫控閥結構Fig.1 Structure of welded bellows temperature control valve

焊接波紋管式溫控閥的閥芯由底部儲蠟腔、焊接波紋管和頂部推桿共同組成。 閥芯為溫控閥的動作部件，控制著溫控閥的開啟與關閉。焊接波紋管式溫控閥整體由閥芯加閥體共同組成。

焊接波紋管式溫控閥的工作原理如圖2 所示。 當風機功率增大時，潤滑油油溫會逐漸升高，儲存在儲蠟腔和焊接波紋管內的石蠟受熱膨脹，焊接波紋管逐漸伸長，壓縮調節彈簧，從而推動閥門開啟冷卻通道。當風機功率降低時，潤滑油油溫逐漸降低，石蠟逐漸冷卻凝固，在凝固體積縮小過程中，調節彈簧推動閥門逐漸關閉，直到石蠟完全凝固，閥門完全關閉。

圖2 焊接波紋管式溫控閥工作原理Fig.2 Working principle of welded bellows temperature control valve

與現有的橡膠囊式溫控閥相比， 焊接波紋管式溫控閥有以下優勢。

①橡膠囊式溫控閥是摩擦擠壓運動， 而焊接波紋管是彈簧伸縮式運動。焊接波紋管的引入，能有效解決由于推桿運動及橡膠囊老化損壞所帶來的石蠟密封難題。

②焊接波紋管內直接填充石蠟， 石蠟融化產生液壓力直接作用在波紋管上， 無需經過橡膠囊進行二次轉換，簡化了傳動機構，閥門設計更加精確。

③由于密封問題的解決， 使用壽命得到大幅度提升。

2 感溫材料制備

焊接波紋管式溫控閥作為自力式溫控閥，完全依靠感溫材料而動作，因此，感溫材料是決定溫控閥性能的重要因素。 石蠟是固態高級烷烴的混合物， 主要成分的分子式為CnH2n+2， 其中n=17～35，主要組分為直鏈烷烴。在石蠟由固態融化為液態的相變過程中， 體積膨脹率通常為10%～13%，在環境壓力不大于0.36 MPa 的情況下，石蠟膨脹率受外部壓力影響不顯著[9]。 因此，石蠟本身的膨脹可為溫控閥提供足夠的驅動力；另一方面，石蠟具有不同熔點可供選擇， 且熔點受壓力影響亦較小。 然而，單組分石蠟熔點范圍較窄，無法滿足溫控閥的溫度與行程對應要求， 且現有石蠟硬度較大，導致調節彈簧彈力較大，可能造成波片變形或受損，進而影響溫控閥使用壽命。本文以石蠟為基礎，加入適量低沸點溶劑對石蠟進行改性，從而制做感溫材料， 一方面可以擴大溫度-體積變化的響應范圍，從而滿足溫控閥溫度-行程要求，另一方面可以有效降低石蠟的硬度， 降低調節彈簧彈力，提高波紋管式溫控閥的使用壽命。

3 調節彈簧的設計

3.1 調節彈簧工作原理

焊接波紋管式溫控閥的開啟和關閉過程就是感溫材料受熱膨脹力與調節彈簧預緊力及壓縮力相互作用的平衡過程[10]。 焊接波紋管作為可伸縮部件，在對其進行受力分析時，其自身彈力應考慮在內，因此，當焊接波紋管式溫控閥處于升溫開啟狀態，開啟行程為Δx 時，此時溫控閥處于平衡狀態，對其受力分析得：

焊接波紋管具有抗壓不抗拉的特性， 為最大限度保護焊接波紋管，提高其使用壽命，應使焊接波紋管在工作狀態下始終處于被壓縮狀態， 到達滿行程時，焊接波紋管剛好處于自由長度。 因此，在式（1）中，融化膨脹力與焊接波紋管彈力共同作為驅動力，當驅動力大于彈簧預緊力、摩擦力以及由于溫控閥行程開啟而壓縮彈簧產生的彈力之和時，溫控閥開啟。在式（2）中，溫控閥處于降溫關閉狀態，石蠟融化膨脹力為0，須要由彈簧預緊力及彈簧壓縮彈力共同克服焊接波紋管彈力和摩擦力，溫控閥方能回復到零行程處。 因此，調節彈簧預緊力及剛度是設計彈簧的重要參數。

3.2 調節彈簧剛度與預緊力設計試驗

為確定調節彈簧的設計參數， 進行了不同剛度和預緊力下的焊接波紋管式溫控閥的行程測試試驗。 預緊力測量裝置如圖3 所示。

圖3 溫控閥性能測試臺Fig.3 Testing stand for bellows temperature control valve performance

通過改變調節彈簧， 測量溫控閥恢復零行程所需最小預緊力。實驗過程中，恒溫水浴槽水溫逐漸升高至60 ℃，隨后逐漸降低恒溫槽水溫，溫控閥內的石蠟逐漸凝固收縮，在調節彈簧的作用下，其行程逐漸降低，記錄其行程變化。從實驗結果中得出：當預緊力小于40 N 時，溫控閥無法回到零行程位置，表明此時所需預緊力不足；當預緊力大于40 N 時，溫控閥能回復到零行程處。 調節彈簧預緊力越小越好，在升溫狀態下，石蠟膨脹驅動力克服調節彈簧預緊力將會越小， 對焊接波紋管波片損傷最小。因此，選擇40 N 為調節彈簧預緊力。

剛度試驗中， 彈簧預緊力均保持在40 N，通過改變調節彈簧剛度進行試驗。 恒溫水浴槽水溫從30 ℃逐漸上升至60 ℃， 然后逐步降溫至30℃，每隔5 ℃作為一個記錄點，記錄整個過程中溫控閥在不同溫度下的閥芯開度，結果如圖4 所示。

圖4 不同剛度調節彈簧溫度-行程Fig.4 Schematic diagram of temperature-stroke of springs with different stiffness

由圖4 可知： 在溫控閥開啟過程中， 剛度為0.5 N/mm 和1 N/mm 的兩種調節彈簧的表現基本相同，溫控閥行程達到設計要求；采用剛度為5 N/mm 的調節彈簧時，溫控閥開啟行程明顯降低，此時彈簧彈力過大，導致波紋管發生失穩，表明調節彈簧剛度過高將嚴重損害溫控閥的壽命。 調節彈簧剛度過低，則會導致彈簧長度過長，致使安裝較為不便，同時穩定性較差，因此調節彈簧長度應保持較小，相對剛度應較大。本文最終確定調節彈簧預緊力為40 N，剛度為1 N/mm。 根據彈簧設計手冊，設計了表1 所示的調節彈簧參數。

表1 調節彈簧設計參數Table 1 Adjusting spring design parameters

4 焊接波紋管式溫控閥響應速度優化

4.1 響應速度優化原理

溫控閥響應速度是評價溫控閥性能的重要指標，響應速度應盡可能快，以提高調控精度。 焊接波紋管式溫控閥的動作原理是閥芯內填充的石蠟融化與凝固， 因此其響應速度直接取決于相變過程的進行速度。強化石蠟傳熱主要有兩種方法，一是在低導熱系數石蠟材料內添加高導熱系數的顆粒來制備復合相變材料，二是增大石蠟換熱面積，如添加金屬翅片和構建泡沫金屬骨架等[11]。 由于高導熱系數顆粒容易進入焊接波紋管波片之間，當焊接波紋管動作時，易發生卡殼，給溫控閥的正常運行帶來風險。因此，本文采用增大石蠟換熱面積的方法，即通過填充蜂窩鋁材料，強化閥芯內石蠟換熱，優化溫控閥的響應速度。

4.2 響應速度優化實驗

焊接溫控閥填充材料采用圓柱形蜂窩鋁，內部開孔為正六邊形，邊長為1.83 mm，壁厚為0.07 mm，通過改變圓柱形蜂窩鋁高度來改變換熱接觸面積，此次實驗共測試4 種不同溫控閥。實驗測試焊接波紋管式溫控閥的調節彈簧采用表1 所示的調節彈簧， 橡膠囊式溫控閥采用其生產廠商提供的調節彈簧， 以確保能夠模擬各溫控閥的實際工況。 實驗中響應速度以水浴溫度為60 ℃時，各溫控閥達到完全開啟的時間來評價。實驗時，恒溫水浴槽水溫保持在60 ℃，分別記錄各溫控閥到達指定行程下的動作時間（圖5）。

圖5 60 ℃下不同溫控閥的響應速度Fig.5 Response speed of different temperature control valves at 60 ℃

由圖5 可知： 未填充鋁質骨架的溫控閥的響應速度最慢，到達10 mm 行程的時間為220 s；蜂窩鋁高度為6.75 mm 的溫控閥到達10 mm 行程的時間為198 s；蜂窩鋁高度為13.5 mm 的溫控閥到達10 mm 行程的時間為150 s， 表明蜂窩鋁的填充大大強化了石蠟的導熱能力； 橡膠囊式溫控閥在初期開始時，其響應速度較快，而當50 s 后，兩條曲線基本平行， 焊接波紋管式溫控閥略快于橡膠囊式溫控閥， 這主要得益于鋁質蜂窩鋁的填充以及前文提到的石蠟改性， 通過低沸點溶劑的加入降低了石蠟的相變焓值。

通過石蠟改性及蜂窩鋁的填充， 焊接波紋管式溫控閥的響應速度基本達到橡膠囊式溫控閥的響應速度，且兩者曲線相似，表明焊接波紋管式溫控閥在實際使用中能實現對橡膠囊式溫控閥的有效替代，而無需其它配套的技術改造。

5 實際掛機試驗

為進一步驗證焊接波紋管式溫控閥的實際使用效果，在甘肅某風場進行了實際掛機試驗。試驗選擇了同一區域內的2 臺風電機組，1 號風電機組在2019 年12 月以前使用橡膠囊式溫控閥，在其失效后，更換焊接波紋管式溫控閥。2 號風電機組使用橡膠囊式溫控閥，據風場工作監測，2 號機組一直處于正常工作狀態下。

圖6 為1 號風電機組的潤滑油油溫運行狀況，圖7 為2 號風電機組的潤滑油油溫運行狀況。

圖6 1 號風電機組的潤滑油油溫運行狀況Fig.6 Oil temperature running condition per minute about NO.1 wind turbines

圖7 2 號風電機組的潤滑油油溫運行狀況Fig.7 Oil temperature running condition per minute about NO.2 wind turbines

由圖6，7 可知：在2019 年12 月以前，1 號風電機組潤滑油油溫經常超過60 ℃，對比圖7 中2號機組的表現情況，表明此時溫控閥已經發生損壞；12 月2 日，1 號風電機組更換焊接波紋管式溫控閥后，潤滑油最高油溫下降到60 ℃以下的安全區間內。掛機試驗表明，焊接波紋管式溫控閥調節彈簧設計合理，響應速度經優化后，性能要求完全符合風機潤滑油機組的控溫要求， 焊接波紋管式溫控閥在功能上能夠完全代替現有的橡膠囊式溫控閥。

6 結論

本文針對風電機組中使用的橡膠囊式溫控閥使用壽命短、綜合使用成本高等問題，設計制造了一種新型焊接波紋管式溫控閥， 并設計了相適應的調節彈簧，提高了溫控閥的響應速度，并進行了實際掛機試驗，得到以下結論。

①通過引用焊接波紋管技術， 有效解決了傳統囊式溫控閥的石蠟泄露、壽命短等問題。

②通過對石蠟進行改性， 有效降低了石蠟硬度和相變焓，滿足了焊接波紋管的使用要求。石蠟改性結合鋁質骨架的填充， 提高了溫控閥的響應速度，滿足了風機的控溫需求。

③針對焊接波紋管式溫控閥進行了實際掛機試驗，試驗結果表明，該溫控閥可直接替換原有橡膠囊式溫控閥， 且無需其它配套改造成本， 更換后，風機運行正常，滿足潤滑油的油溫調節。