溧阳球阀接力器开启时间过长问题研究与试验

张玺琛

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040)

1 工程概况

溧阳抽水蓄能电站地处江苏省西南部的溧阳市境内，下水库区经天目湖镇平桥至溧阳市公路里程为32km。为地下厂房，厂房内安装了6 台单机容量为250MW 的混流可逆式水泵水轮电动发电机组，总装机容量1 500 MW。

每台机从上游侧沿压力钢管中心线距蜗壳+X轴约15.00m 处至与蜗壳进口段相连接的伸缩节为止，安装有水泵水轮机进水阀(即球阀)及其附属设备。球阀通过操作机构和油压装置实现开启和关闭功能。其中，操作机构包含基础板、地脚螺钉、液压操作的接力器和锁定装置等。

2 球阀接力器的结构设计

球阀接力器的操作压力可以是油压也可以是水压。通常情况下，接力器采用油压操作，既排除了水中含有的杂质破坏接力器活塞密封的问题，也避免了接力器管道元件与水接触产生锈蚀的问题，同时对接力器各元件也起到润滑保护的作用。

球阀接力器的结构形式为摇摆式，主要由接力器缸体、活塞、活塞杆、接力器缸盖、接力器底座及连接销组成。接力器缸体上的进出高压油管与球阀液压操作系统相连接，通过球阀控制柜电路元件控制液压操作系统上电磁配压阀等，使接力器在短时间内来回动作，并通过转臂旋转球阀，从而达到开启和关闭球阀的目的。

在球阀接力器开启和关闭的过程中，因活塞运动过快会对缸盖产生较大的冲击力，产生撞缸现象。为了避免撞缸现象对接力器的损害，在结构上需要在接力器上通过增加缓冲装置，以节流的方式，使活塞逼近全开或全关的位置时迅速降低运动速度，达到对接力器的保护作用。

图1 球阀接力器结构图

3 现场球阀接力器开关调试及问题描述

球阀现场调试的目的是将球阀活门的开启和关闭时间调整到满足50±5S 的要求。为此，现场使用远程模拟监控信号系统，通过在接力器缸上使用的拉绳式传感器和压力变送器，分别监测接力器开关过程中的行程和开关腔的压力变化。

通过现场初步对6#机球阀接力器开启关闭时间的调整，决定将接力器上的节流塞调整到设计理论值15 mm，以满足球阀开关时间的要求。在节流塞扩孔后，接力器在额定油压6.3 MPa下，全开时间(缓冲时间25 s，缓冲行程37 mm)70 s，开启过程开腔与关腔压差为0 MPa，缓冲过程压差为1.2 MPa;全关时间(缓冲时间2.4 s，缓冲行程30 mm)52 s，开启过程开腔与关腔压差为0.9 MPa，缓冲过程压差为0.93MPa。现场球阀接力器开关调试波形图见图2～3。

图2 接力器开启波形图

图3 接力器关闭波形图

(横坐标为时间:s;右侧纵坐标为行程坐标:mm;左侧纵坐标为压力坐标:MPa)

从调试结果上看，接力器开启时间无法满足50±5S 的要求。

4 问题原因分析及处理过程

从调试试验结果的数据上看，接力器的缓冲时间为25 s，除去缓冲段接力器的开启时间为45 s。一般情况下，接力器的缓冲时间只需2 ～3 s即可实现缓冲效果。因此，缓冲时间过长是导致接力器开启时间过长的根本原因。

在对比了开启腔和关闭腔的设计参数后，发现开启腔的截面积＞关闭腔的截面积，且上缸盖缓冲板与活塞杆截面积＞下缸盖缓冲板与活塞杆的截面积。根据以往的设计经验，认为此时开启过程比关闭过程的缓冲效果要好，但实际上却不是这样。

根据《机械设计手册第5 卷》第37 篇液压传动第2 章液压流体力学基础4.2.2 环形缝隙中的流体流动，了解到流体在环形缝隙中的流动不但与缝隙的间隙值有关，而且还会受到流体的运动黏度、流道形状以及环形缝隙两端压差的影响。柱塞与缓冲板孔相对静止时环形缝隙中的压差流量(即内部泄漏量)的公式为:

式中:Q 为间隙流量;D 为柱塞直径;δ 为柱塞缓冲板孔单边间隙;Δp 为缝隙两端压差;l 为缓冲板缝隙长度;μ 为流体的动力黏性系数。

当柱塞与缓冲板产生相对运动的时候，环形缝隙的泄漏量计算公式为:

式中:V 为柱塞与缓冲板相对运动速度。

由于接力器活塞杆的运动方向与缓冲板两端压差方向相反，因此式(2)中为“－”号。

从先前的试验结果可以看出，接力器关闭时的缓冲行程及缓冲时间比较理想，因此，为了能让接力器开启时的缓冲效果与关闭时的缓冲效果接近一致，则需保证开启时的缓冲板(上缓冲板)缝隙内的泄漏量与关闭时的缓冲板(下缓冲板)缝隙内的泄漏量保持一致，才能达到相同的缓冲效果。于是将缓冲行程30 mm和缓冲时间2.4 s，以及压差0.93 MPa带入运动中的环形缝隙的流量公式，通过调整开启过程缓冲板的间隙值，可得出以下计算结果。

表1 缓冲板间隙值计算结果

根据表1 中得到的缓冲板间隙的计算结果，将原先的上缓冲板取出并加工后，再次回装并进行了球阀接力器的开启时间的调试试验，试验结果全开时间(缓冲时间2.3 s，缓冲行程30 mm)46 s，开启过程开腔与关腔压差为0.91 MPa，缓冲过程压差为0.9 MPa。

图4 缓冲板调整后接力器开启波形图

(横坐标为时间:s;右侧纵坐标为行程坐标:mm;左侧纵坐标为压力坐标:MPa)

从波形图上可以看出，试验结果满足50±5S 的要求。

5 结 论

溧阳抽水蓄能电站球阀接力器是哈尔滨电机厂通过与日立合作技术引进，自行消化并生产的直径最大的球阀单作用固定式缓冲接力器，其接力器的缓冲装置为固定缓冲，后期无法进行手动调节，这就需要在设计阶段有很好的理论基础和计算。经过现场的实际调试试验和对调试后出现开启时间过长的问题的分析，对液体在环形缝隙中的流动状态有了深刻的认识和理解，为今后的球阀单作用固定式缓冲结构的接力器的设计奠定了缓冲间隙的理论基础。

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