某蓄能电厂尾闸挂钩锁锭装置分析及改造

陈 嘉，张松伟，张小宇

（南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司，广东 广州511400）

0 引言

抽水蓄能机组尾水紧急事故闸门（下称尾闸）挂钩液压锁锭锭装置是避免尾闸意外下落的液压安全装置；尾水闸门全开到位时投入挂钩锁锭装置，闸门下落时，尾闸挂钩退出。挂钩液压锁锭装置能否准确顺利退出直接影响了尾水闸门能否顺利关闭，从而影响机组的安全稳定运行。

某电厂4台尾闸于1993年2月1日投入运行，至今已26年。自2010年以来，陆续出现多台机组尾闸挂钩装置在尾闸下落时必须在外力辅助下才可完全退出的情况。2018年10月至2019年1月尾闸系统大修期间对尾闸挂钩装置进行检查维护，更换了尾闸挂钩装置销轴轴套及挂钩退出弹簧后，尾闸挂钩能顺畅退出。经分析挂钩无法顺利退出时因为挂钩装置轴套长时间使用后，挂钩装置退出弹簧无法提供足够的力克服挂钩销轴与轴套间摩擦力。考虑到该装置在长时间使用后可靠性降低，威胁机组安全稳定运行，因此需要对挂钩装置进行改造以确保挂钩装置动作正常。

1 尾闸挂钩装置工作原理

某蓄能电厂机组尾闸配备两套尾闸挂钩装置，尾闸挂钩装置主要由1个液压接力器、1对复位弹簧、挂钩机构与液压回路组成。挂钩装置安装于尾闸顶盖上部，挂钩机构穿过顶盖与尾闸门叶上部勾爪配合，具体见图1。尾闸液压系统正常运行时，油泵启动，压力油经引导阀进入尾闸接力器下部环形油腔，闸门逐步开启；闸门开启完成时，控制阀接通尾闸挂钩接力器油路，使挂钩在液压油作用下投入并保持。闸门关闭时，保持电磁阀失磁，挂钩投入腔压力油排回集油箱，挂钩在弹簧的作用下退出，挂钩完全退出后闸门在自重作用下缓慢下落直至全关位置。

图1 尾闸挂钩装置结构图

图2 尾闸挂钩装置实物图

2 尾闸挂钩装置弹簧性能分析

经分析，尾闸挂钩弹簧及挂钩销轴轴套性能对挂钩功能起到决定性的作用，因轴套改造难度较大，故暂不考虑改造轴套。此次尾闸系统大修后更换了新弹簧备品，新弹簧弹性系数大于旧弹簧。为确定新弹簧对挂钩装置投退的影响，决定对新、旧两种弹簧进行了弹性性能试验。

分别测量新旧两种弹簧在悬挂不同重物的情况下弹簧的长度，由此计算出两种弹簧的弹性系数。

表1 尾闸挂钩装置退出弹簧弹性性能试验数据

通过回归分析计算可得出弹簧长度与所受力的关系。如图3所示。

图3 尾闸挂钩接力器旧弹簧弹性系数曲线

旧弹簧弹力与长度关系：

新弹簧弹力与长度关系：

图4 尾闸挂钩接力器新弹簧弹性系数曲线

再对尾闸挂钩投入和退出状态时弹簧的实际尺寸进行测量得出：

表2 尾闸挂钩装置投入退出时弹簧长度数据

尾闸挂钩投入状态时

旧弹簧所受力：

新弹簧所受力：

尾闸挂钩退出状态时

旧弹簧所受力：

新弹簧所受力：

由此可知更换新弹簧后，在挂钩投入状态时，弹簧所提供弹力由488 N增大到560 N；在挂钩退出状态时，弹簧所提供弹力由368 N增大到393 N。

3 尾闸挂钩装置改造设计

尾闸挂钩装置复位弹簧为单线弹簧，增加弹簧弹性系数可以增大弹力保证挂钩装置可正常退出。不过受尺寸限制，弹簧弹性系数收到材料、安装位置限制无法大幅度增加，很难彻底解决挂钩无法退出问题，因此决定对尾闸挂钩装置进行改造。

借鉴其他蓄能电厂尾闸挂钩结构，此次改造在挂钩执行机构上焊接支撑力臂并加装重锤来辅助弹簧，通过调整重锤重量来调节挂钩退出力矩以保证挂钩顺利退出。

增加重锤应考虑以下要点：

（1）挂钩装置靠上游侧需有足够空间安装重锤及重锤支架，重锤安装后，不影响尾闸门槽盖板及液压管路维护工作。

图5 尾闸挂钩装置加装重锤力臂结构图

（2）为保证尾闸挂钩在投入过程中不会因阻力过大退出，重锤提供的挂钩退出力矩与弹簧提供的挂钩退出力矩之和应小于挂钩接力器投入腔提供的液压力矩。

（3）重锤支架选择碳钢材质，强度满足使用要求。

为此在现场对尾闸挂钩装置相关尺寸进行测量取值，如表3所示。

表3 尾闸挂钩装置相关尺寸及运行数据

通过现场空间位置测量设计挂钩重锤支架，采用碳钢材质，得出重锤支架设计图及数据如图6、表4所示。

图6 尾闸挂钩装置重锤力臂设计及受力分析图

表4 尾闸挂钩装置重锤支架数据

4 尾闸挂钩装置操作机构力学性能分析

4.1 尾闸挂钩接力器液压操作力计算

尾闸挂钩动作油压与尾闸接力器下腔压力相同，尾闸液压系统最低动作压力为P1=2.5 MPa，此时挂钩接力器投入腔活塞头所受最小压力：

4.2 尾闸挂钩投退瞬间受力分析

以此次更换的新弹簧为计算依据，挂钩投入瞬间：

挂钩退出瞬间，新弹簧提供的挂钩退出力为：

4.3 重锤装置提供的挂钩退出力与重锤质量关系计算

重锤支架焊接在挂钩装置操作结构后，支架本身质量：

重锤所提供给挂钩退出的力矩为：

为保证挂钩在机组正常运行期间不会退出，重锤提供的挂钩退出力矩与弹簧提供的挂钩退出力矩的合力再加上挂钩轴套的摩擦力应小于挂钩接力器投入腔所受液压力矩。随着时间推移挂钩轴套摩擦力越来越大，假设轴套摩擦力增大到与旧弹簧弹力持平，此时：

由此可得出重锤质量最多可增加到741 N。

5 小结

尾闸挂钩液压锁锭装置能否顺利地退出，直接影响蓄能机组尾水闸门能否顺利关闭，影响机组的安全稳定运行。为该电厂的尾闸挂钩装置选取新的复位弹簧后，取得了预期的效果，后续计划增加重锤质量，可以节省维护成本，提高机组的可靠性。该改造实施后，将会大幅度提高尾闸挂钩装置的可靠性，彻底解决挂钩无法退出的历史缺陷。

通过对尾闸挂钩液压锁锭装置的改造研究及分析，为其他蓄能电厂提供了经验，并得到以下结论：

（1）通过调节重锤质量的方式提高挂钩装置退出力矩，该方案成本较低、可靠性好，在同类型弹簧复位连杆装置上有一定推广价值。

（2）通过弹簧弹力和重锤质量提供的挂钩退出力，可克服挂钩销轴轴套摩擦力过大导致的挂钩卡死缺陷，有效恢复了挂钩装置功能，提高了机组的可靠性。