超（超）臨界閥門電動執行機構大推力輸出裝置的研究

徐聲云，湯占峰，周祥態

（揚州電力設備修造廠，江蘇揚州 225003）

0 引言

我國超(超)臨界發電機組中配套的閥門用電動執行機構正在逐步實現國產化，但仍有50%的超(超)臨界發電機組關鍵閥門用電動執行機構需由國外進口。究其原因，一是由于關鍵閥門的國產化率較低，閥門依賴進口，關鍵技術突破的進展不大；二是國內超(超)臨界發電機組配套電動執行機構的產品系列需完善，才能滿足超(超)臨界發電機組關鍵閥門的控制要求，尤其是超(超)臨界閥門電動執行機構大推力輸出裝置在國內還處于空白。

預計“十二五”期間我國火電建設將以超（超）臨界火電機組為主，國內年新增超（超）臨界火電機組將達60臺以上。此外，大型石化、環保等能源項目的發展，超（超）臨界發電機組用電動執行機構市場前景非常廣闊。

在超(超)臨界發電機組中，配套大口徑高溫、高壓閘閥的大推力電動執行機構尤其稀缺，主要原因是其推力輸出裝置的設計難度大[3]。文章結合已完成的大推力電動執行機構國產化項目，詳細論述其推力輸出裝置的傳動機構參數計算、結構設計、材料選用方法。

1 結構和傳動原理

超(超)臨界閥門電動執行機構大推力輸出裝置的機械傳動結構如圖1所示，推力裝置設計在電動執行機構的輸出端。為減輕重量和節省空間，大推力裝置的聯軸器與電動執行機構的一級輸出軸采用牙嵌連接。此外，推力裝置設置了壓注油杯進行潤滑，聯軸器的軸向采用推力滾動軸承定位，而且上下端均考慮了密封設計，因此可進行稀油潤滑，整個裝置的機械效率非常高。

工作原理：閥門電動執行機構動作時，電機帶動蝸桿蝸輪副和齒輪機構運行，由一級輸出軸輸出轉矩和轉速。一級輸出軸通過牙嵌驅動聯軸器轉動，當聯軸器（假定螺旋副為右旋）順時針轉動時，其軸向運動方向被限制，閥門閥桿向上運動；當聯軸器逆時針轉動，閥門閥桿的運動方向相反。通過聯軸器與閥門閥桿組成的螺旋副將電動執行機構的旋轉運動轉變成直線運動，并輸出所需的推力，最終實現對閥門的啟閉。

圖1 大推力裝置結構圖

2 技術設計

2.1 傳動參數的理論計算

螺旋傳動副是大推力裝置的核心部件，對傳動副的幾何參數、耐磨性、強度計算是設計推力裝置的關鍵。通常依據閥門的行程、所需的推力和啟閉時間來初步確定驅動轉矩、閥桿參數，再進行傳動副的耐磨性和強度校核。

（1）初選傳動副參數

螺旋副的傳動參數主要分幾何參數和力學參數兩部分，幾何參數包含螺紋的中徑、導程和螺紋線數，力學參數包括驅動轉矩、驅動軸（閥桿）轉速。上述參數之間滿足如下關系：

其中：ni——閥桿轉速，r/min；

P——梯形螺紋導程，mm；

x——梯形螺紋線數，通常取1或2；

L——閥桿行程，mm；

t——閥門啟閉時間，s。

初選一組傳動參數需要一定的經驗，在沒有足夠的經驗時，可以參考GB/T12222標準中的閥桿參數，再按（1）式驗算后修正。

（2）螺旋副耐磨性校核

螺旋副的耐磨性計算主要是校核螺旋面的工作壓強，校核公式如下[1]：

其中：F——閥門啟閉時所需的推力，N；

d2——梯形螺紋中徑，mm；

H1——梯形螺紋基本牙型高度，H1=0.5 P；

N——螺旋副旋合圈數，一般為8～12；

pp——螺旋副許用壓強，N/mm2。

螺旋副的許用壓強與螺旋副的材料、轉速有關。對于一般的閥用螺旋副，閥桿常為優質鋼材、螺母為錫青銅，且傳動線速度較低，其許用壓強值一般為18～25 N/mm2。

（3）螺旋副強度校核

螺旋副的強度校核理論上應對閥桿和螺母的剪切強度、彎曲強度分別校核。根據長期的設計經驗，通常只需對閥桿的彎曲強度和螺母的剪切強度校核就足夠。

閥桿的彎曲強度校核公式[1]：

其中：d3——閥桿的螺紋小徑，mm；

σbp——許用彎曲應力，N/mm2。

螺母的剪切強度校核公式：

其中：D4——螺母的螺紋大徑，mm；

τp——許用彎曲剪切應力，N/mm2。

2.2 運用Abaqus有限元軟件分析計算

運用Abaqus軟件分別對聯軸器牙嵌連接和螺旋副進行有限元分析計算，得出應力情況。具體過程如下。

（1）牙嵌受力分析

首先簡化模型和工況載荷，由于在Abaqus中，對零件直接施加轉矩是比較困難的，因此需要先建立一個參考點，然后在所需要施加載荷的表面與這個參考點之間建立耦合關系（coupling）[2]，該耦合關系可將參考點的變化按照軟件設定規律傳遞給與之相耦合的表面，最后將扭矩施加到該參考點上。本模型中，在上下聯軸器中心軸線上分別建立兩參考點，并分別同牙嵌部分外表面建立耦合關系，然后分別施加轉矩（N1y=-10 000 N·m），N2=（N2y=10 000 N·m），轉矩沿坐標軸Y軸正方向為正。得出兩零件應力云圖如圖4。

圖2 有限元模型圖

圖3 網絡離散圖

圖4 牙嵌連接處的應力云圖

分析云圖可知：應力主要集中在牙嵌部分，該區域應力變化較為平滑，沒有出現大的應力突變，大部分應力集中在1.464e1～5.856e1之間（單位Mp），在云圖上表現為綠色部分，該應力在零件屈服范圍之內，表明零件強度滿足設計要求。

（2）螺旋副的受力分析

該受力分析中，聯軸器軸肩上端面與滾動軸承貼合，軸向位置不動，由于該模擬忽略牙型部分在傳動過程中受到的扭轉力矩影響，因此在Abaqus中可以將軸肩上端6自由度全約束。閥桿與聯軸器螺紋配合部分建立接觸關系，然后施加沿閥桿軸向推力（Fy=1 100 kN），得出應力云圖如圖5。

觀察該應力云圖得知：螺紋牙型部分應力在云圖中大部分處于藍色區域（9.336e1MPa以下），表明該螺紋牙型滿足傳動條件，閥桿整體受力部分在安全范圍內之，云圖中表現為藍綠色和黃綠色之間，說明該部件滿足設計要求。

圖5 螺紋傳動部分應力云圖

3 特性分析

超(超)臨界閥門電動執行機構大推力輸出裝置，具有下述特點：

（1）聯軸器軸肩兩側采用推子圓柱滾子軸承，提高聯軸器傳動效率。

（2）采用直通式壓注油嘴給聯軸器內部加油，有效地給螺旋副傳動部件進行潤滑，降溫，大大提高了螺旋副工作壽命。

（3）通過選擇合理的參數進行理論計算，再通過有限元軟件Abaqus進行分析計算，驗證理論計算的準確性，確保大推力輸出裝置產品的高可靠性。

（4）此大推力輸出裝置的聯軸器采用復合鑄造成形，減少了材質錫青銅的用量，大大降低了產品生產成本。

4 結語

實踐證明，上述理論計算和有限元軟件分析的計算結果基本吻合，設計和制造的樣機也能滿足要求，為設計閥門電動執行機構大推力裝置提供一種有效的計算方法。目前，研制的超(超)臨界閥門電動執行機構大推力輸出裝置已通過了全部的性能測試，并成功與超(超)臨界發電機組的閥門配套，得到用戶肯定與好評，為大推力閥門電動執行機構的國產化打下了基礎。

［1］成大先.機械設計手冊：第四版第3卷［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［2］宮龍穎.ABAQUS接觸問題淺析［J］.中國煤炭，2009（07）：66-68.

［3］胡平金，劉云峰.600MW超超臨界閥門溫度場及熱應變場計算［J］.熱力透平，2009（01）：43-45.