溧陽球閥接力器開啟時間過長問題研究與試驗

張璽琛

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱150040)

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站地處江蘇省西南部的溧陽市境內，下水庫區經天目湖鎮平橋至溧陽市公路里程為32km。為地下廠房，廠房內安裝了6 臺單機容量為250MW 的混流可逆式水泵水輪電動發電機組，總裝機容量1 500 MW。

每臺機從上游側沿壓力鋼管中心線距蝸殼+X軸約15.00m 處至與蝸殼進口段相連接的伸縮節為止，安裝有水泵水輪機進水閥(即球閥)及其附屬設備。球閥通過操作機構和油壓裝置實現開啟和關閉功能。其中，操作機構包含基礎板、地腳螺釘、液壓操作的接力器和鎖定裝置等。

2 球閥接力器的結構設計

球閥接力器的操作壓力可以是油壓也可以是水壓。通常情況下，接力器采用油壓操作，既排除了水中含有的雜質破壞接力器活塞密封的問題，也避免了接力器管道元件與水接觸產生銹蝕的問題，同時對接力器各元件也起到潤滑保護的作用。

球閥接力器的結構形式為搖擺式，主要由接力器缸體、活塞、活塞桿、接力器缸蓋、接力器底座及連接銷組成。接力器缸體上的進出高壓油管與球閥液壓操作系統相連接，通過球閥控制柜電路元件控制液壓操作系統上電磁配壓閥等，使接力器在短時間內來回動作，并通過轉臂旋轉球閥，從而達到開啟和關閉球閥的目的。

在球閥接力器開啟和關閉的過程中，因活塞運動過快會對缸蓋產生較大的沖擊力，產生撞缸現象。為了避免撞缸現象對接力器的損害，在結構上需要在接力器上通過增加緩沖裝置，以節流的方式，使活塞逼近全開或全關的位置時迅速降低運動速度，達到對接力器的保護作用。

圖1 球閥接力器結構圖

3 現場球閥接力器開關調試及問題描述

球閥現場調試的目的是將球閥活門的開啟和關閉時間調整到滿足50±5S 的要求。為此，現場使用遠程模擬監控信號系統，通過在接力器缸上使用的拉繩式傳感器和壓力變送器，分別監測接力器開關過程中的行程和開關腔的壓力變化。

通過現場初步對6#機球閥接力器開啟關閉時間的調整，決定將接力器上的節流塞調整到設計理論值15 mm，以滿足球閥開關時間的要求。在節流塞擴孔后，接力器在額定油壓6.3 MPa下，全開時間(緩沖時間25 s，緩沖行程37 mm)70 s，開啟過程開腔與關腔壓差為0 MPa，緩沖過程壓差為1.2 MPa;全關時間(緩沖時間2.4 s，緩沖行程30 mm)52 s，開啟過程開腔與關腔壓差為0.9 MPa，緩沖過程壓差為0.93MPa。現場球閥接力器開關調試波形圖見圖2～3。

圖2 接力器開啟波形圖

圖3 接力器關閉波形圖

(橫坐標為時間:s;右側縱坐標為行程坐標:mm;左側縱坐標為壓力坐標:MPa)

從調試結果上看，接力器開啟時間無法滿足50±5S 的要求。

4 問題原因分析及處理過程

從調試試驗結果的數據上看，接力器的緩沖時間為25 s，除去緩沖段接力器的開啟時間為45 s。一般情況下，接力器的緩沖時間只需2 ～3 s即可實現緩沖效果。因此，緩沖時間過長是導致接力器開啟時間過長的根本原因。

在對比了開啟腔和關閉腔的設計參數后，發現開啟腔的截面積＞關閉腔的截面積，且上缸蓋緩沖板與活塞桿截面積＞下缸蓋緩沖板與活塞桿的截面積。根據以往的設計經驗，認為此時開啟過程比關閉過程的緩沖效果要好，但實際上卻不是這樣。

根據《機械設計手冊第5 卷》第37 篇液壓傳動第2 章液壓流體力學基礎4.2.2 環形縫隙中的流體流動，了解到流體在環形縫隙中的流動不但與縫隙的間隙值有關，而且還會受到流體的運動黏度、流道形狀以及環形縫隙兩端壓差的影響。柱塞與緩沖板孔相對靜止時環形縫隙中的壓差流量(即內部泄漏量)的公式為:

式中:Q 為間隙流量;D 為柱塞直徑;δ 為柱塞緩沖板孔單邊間隙;Δp 為縫隙兩端壓差;l 為緩沖板縫隙長度;μ 為流體的動力黏性系數。

當柱塞與緩沖板產生相對運動的時候，環形縫隙的泄漏量計算公式為:

式中:V 為柱塞與緩沖板相對運動速度。

由于接力器活塞桿的運動方向與緩沖板兩端壓差方向相反，因此式(2)中為“－”號。

從先前的試驗結果可以看出，接力器關閉時的緩沖行程及緩沖時間比較理想，因此，為了能讓接力器開啟時的緩沖效果與關閉時的緩沖效果接近一致，則需保證開啟時的緩沖板(上緩沖板)縫隙內的泄漏量與關閉時的緩沖板(下緩沖板)縫隙內的泄漏量保持一致，才能達到相同的緩沖效果。于是將緩沖行程30 mm和緩沖時間2.4 s，以及壓差0.93 MPa帶入運動中的環形縫隙的流量公式，通過調整開啟過程緩沖板的間隙值，可得出以下計算結果。

表1 緩沖板間隙值計算結果

根據表1 中得到的緩沖板間隙的計算結果，將原先的上緩沖板取出并加工后，再次回裝并進行了球閥接力器的開啟時間的調試試驗，試驗結果全開時間(緩沖時間2.3 s，緩沖行程30 mm)46 s，開啟過程開腔與關腔壓差為0.91 MPa，緩沖過程壓差為0.9 MPa。

圖4 緩沖板調整后接力器開啟波形圖

(橫坐標為時間:s;右側縱坐標為行程坐標:mm;左側縱坐標為壓力坐標:MPa)

從波形圖上可以看出，試驗結果滿足50±5S 的要求。

5 結 論

溧陽抽水蓄能電站球閥接力器是哈爾濱電機廠通過與日立合作技術引進，自行消化并生產的直徑最大的球閥單作用固定式緩沖接力器，其接力器的緩沖裝置為固定緩沖，后期無法進行手動調節，這就需要在設計階段有很好的理論基礎和計算。經過現場的實際調試試驗和對調試后出現開啟時間過長的問題的分析，對液體在環形縫隙中的流動狀態有了深刻的認識和理解，為今后的球閥單作用固定式緩沖結構的接力器的設計奠定了緩沖間隙的理論基礎。

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