一种带棘轮的省力阀门操作专用工具的设计与应用

2023-01-09叶彦韬周蕊烁苏静菲

南方农机 2023年2期

叶彦韬，吴坤，曾三，周蕊烁，苏静菲

（国网福建省电力有限公司，福建福州 350003）

在大部分水电站的厂房中，根据水轮发电机组日常的运行检修需要，水电站的油、水、气系统主要可以细化分为技术供水系统、冷却润滑水系统、渗漏检修排水系统、消防水系统、调速器液压油系统、机组轴承油系统、高压气系统和低压制动气系统等。每个系统的管路都安装了许多需要手动操作的阀门。《国家电网公司电力安全工作规程》规定：修理中的机器应做好防止转动的安全措施，如切断电源、气源、水源、油源，所有的有关闸板、阀门应关闭[1]。故水轮机检修时需要有效关闭阀门，保障人身和设备安全，但部分阀门布置在高处和狭小空间内，再加上油、水、气系统管路高压的影响，给操作人员带来很大的困难和安全风险。

1 设计背景

水电站安装的阀门数量众多，基本都需要手动操作。大部分阀门因水质及运行方式的要求，长时间不操作造成阀杆锈死，靠人力根本操作不动，费时费力。目前在操作阀门时使用的工具主要有两种：一种是使用大号活动扳手、大号管钳操作，但是工具沉重，工具与阀盘接触面积不足，费时费力又容易打滑，操作较小阀门时会造成阀盘断裂、阀杆扭曲；操作大型阀门时又因工具力矩不够无法使阀门变位，再加上操作人员经常有女性，操作艰难。另一种是通过“F”形操作杆操作。“F”形操作杆有重量较轻、结构简单等优点。但该操作杆在受限空间中使用也极不方便，为了减轻重量使用了空心钢管设计，但为了保证工具强度造成卡齿较大不能操作较小阀盘等问题，操作中虽然可通过在操作杆尾部加套钢管达到省力的目的，但也存在力矩过大容易使阀盘断裂及更容易打滑的危险。

上述两种操作工具在操作时均存在一定的安全隐患，而且无法保证工具与阀门连接的稳定性，容易产生脱手、掉落等问题。在高处作业会产生额外的安全隐患。为在保证操作人员的人身安全、操作设备安全的同时缩短阀门操作的时间，需要设计一种安全、省力、高效的阀门操作把手以满足运行人员的操作需要。

2 新型棘轮操作把手的设计特点

2.1 设计方案

鉴于现有技术的不足，新型操作工具所要解决的技术问题是提供一种省力阀门操作把手，不仅结构简单合理，而且便捷安全[2-3]。

为了解决上述技术问题，新型操作把手的技术方案如下：该省力阀门操作把手，包括内部中空的管体，管体外壁周部朝外延伸若干支杆，该支杆外端均固定连接在与管体同轴的爪盘上，管体外经一棘轮扳手的棘轮侧套接并固定连接为一体，爪盘上周部有若干与爪盘垂直的卡爪，该卡爪与操作杆分设于爪盘两侧，管体中部经由阀门的阀杆穿过并通过卡爪插设入环形阀门手柄内卡合，带其转动启闭。管体下端经支杆与爪盘固定连接且下端面齐平，爪盘呈圆环状，管体上端穿入棘轮扳手的棘轮内侧并固连。同时，卡爪均呈竖直朝下延伸的杆状，卡爪随爪盘旋转方向端面均开设有配合环形阀门手柄的槽口。最后，为防止棘轮把手操作杆太光滑，除开尾部有加工防滑纹以外，将操作杆改为方形并加装防滑手柄。

2.2 设计优势特点

与现有技术相比，新棘轮把手具有以下优势：首先，相较活动扳手重量较轻，操作时更加省时省力，由于管体套接在阀门的阀杆上，再通过多根卡爪与环形阀门手柄配合卡接旋转，配合槽口的作用，大大增加了接触面积，有效防止打滑、把手脱落产生的危险，同时限制了卡爪的长度及尺寸，避免使用一个卡爪时尺寸过大转动时卡到部分阀门密封填料盖造成损坏；其次，操作杆的可调设计大大增加了适用环境，棘轮把手与阀盘接触面积大，自动定位，操作流畅且不打滑，对阀盘损坏小，提高了工作效率，因此棘轮把手更加省力，不需绕阀门全行程转动，在较小的空间内便可操作；最后，该省力阀门操作把手结构简单，用料节省，便捷稳定，完全满足了水电站阀门操作的关键要求，成本上也具有一定优势，而且后期维护保养方便，经济和社会效益明显。

2.3 设计成果介绍

为让新型操作把手的上述特征和优点能更浅显易懂，作详细说明如下。新型棘轮操作把手使用状态示意图如图1所示，新型棘轮操作把手侧视图如图2所示。该新型棘轮操作把手包括内部中空的管体1，管体外壁周部朝外延伸若干支杆2，该支杆外端均固连在与管体同轴的爪盘3上，管体外经一棘轮扳手4的棘轮侧套接并固连为一体，爪盘上周部有若干与爪盘垂直的卡爪5，新型操作把手中固设有三个卡爪，该卡爪与操作杆分设于爪盘两侧，管体中部经由阀门的阀杆6穿过并通过卡爪插设入环形阀门手柄7内卡合，带其转动启闭。

图1 新型棘轮操作把手使用状态示意图

图2 新型棘轮操作把手侧视图

在新型操作把手实例中，管体下端经支杆与爪盘固连且下端面齐平，爪盘呈圆环状，管体上端穿设入棘轮扳手的棘轮内侧并固连。卡爪均呈竖直朝下延伸的杆状，卡爪随爪盘旋转方向端面均开设有配合环形阀门手柄的槽口8，在同一卡爪上的两槽口均错开分布，在旋转时卡爪顶接在环形阀门手柄内的支架上带其转动，槽口可保证其稳定性，避免出现卡爪与支架接触打滑的现象。棘轮扳手外端套接有防滑手柄9，既能防止棘轮扳手从操作人员手中滑脱，又能提高操作人员作业时的舒适性。由于水电站的阀门型号尺寸繁多，根据常用阀门阀盘尺寸、幅值，阀杆尺寸，计算设计了操作把手的卡爪长度、管体尺寸（一般为适用最大阀杆直径的尺寸），以适用于大部分阀门操作。具体使用时可根据棘轮扳手上的正反向切换按钮10调节棘轮扳手的旋向，进行阀门启闭的切换。

新型操作把手的工作原理：首先将管体的通孔对准阀杆插入，卡爪贯穿环形阀门手柄内部缝隙，后可握紧防滑手柄进行转动，转动时卡爪会顶接在环形阀门手柄的内部支架上，后带动环形阀门手柄转动调节阀门的启闭；通过棘轮扳手替代原有的“F”形操作杆，棘轮把手根据水电站装设的阀门、阀盘、阀杆大小，阀盘幅值数量计算卡齿角度及套筒尺寸，使得棘轮把手与阀盘接触面积大，自动定位，操作流畅、不会打滑，既对阀盘损坏小，又提高了工作效率，且棘轮把手也更加省力，不需绕阀门全行程转动，即在较小的空间内便可操作[4-6]。

综合以上原因，本研究小组认为新型操作把手具有以下优点：1）能提供较大力矩；2）能在受限空间使用；3）能适用于大部分阀门；4）使用安全；5）使用简便。

3 装置测试情况与实际操作中应注意事项

在新型操作把手投入使用前，按规定结合水电站C级检修时间对工具进行现场试验。为了确保检修工作的安全，根据《电业安全工作规程第1部分：热力和机械》以及《电力安全工作规程发电厂和变电站电气部分》等，对检修期间需要隔离的设备提出相应的安全要求[7]。比如，在压力管道上进行长时间的检修工作时，检修管段应用带尾巴的堵板和运行中的管段隔断，或将它们之间的两个串联、严密不漏的阀门关严，两个串联阀门之间的泄压阀应予打开。关闭的阀门和打开的泄压阀应按《国家电网公司电力安全工作规程》中的要求上锁并挂安全标志牌[8]。

3.1 装置测试情况

经过现场实地操作机组停复役2次得出如下结论：

1）运行人员明显降低了操作时的工作强度，棘轮操作把手实际操作过程中，操作人员无需频繁变换位置，对操作空间要求降低，在原地即可很顺利地操作阀门全开全关。

2）对比棘轮操作把手与长期使用的“F”形操作杆大小、携带状况，发现棘轮操作把手易于携带，且重量较“F”形操作杆+延长钢管有明显减轻。

3）新型棘轮操作把手操作效果明显，解决了在受限空间操作阀门的问题，提高了工作效率，降低了操作人员工作强度，保障了操作人员的人身安全，在实际实验中机组机械部分由备用转检修的操作时间由原先的2 h缩短到现在的1.3 h。对于运行人员的操作任务提供了显著帮助，达到了预期的效果。

3.2 装置使用注意事项

1）使用新型棘轮操作把手时应戴好手套，操作速度不能过快，在阀门指示接近开或关时速度要放缓减慢，不可使用蛮力硬拉，指示到位即表示阀门打开或关闭到位。

2）在日常运行工作中，应将棘轮把手放置于专门的操作工具柜中并上锁，防止人员误取用操作。

3）操作时需注意识别阀门的开关方向。一般手动阀，手轮顺时针旋转方向表示阀门关闭方向，逆时针方向表示阀门开启方向。有个别阀门方向与上述启闭方向相反，操作前应检查启闭标志后再操作，旋塞阀阀杆顶面的沟槽与通道平行，表明阀门在全开位置，当阀杆旋转90°，沟槽与通道垂直，表明阀门在全关位置，有的旋塞阀以扳手与通道平行为开启，垂直为关闭。

4）在操作任务过程中使用棘轮把手时，应先将棘轮把手套入阀杆，将正反向切换按钮的转向调整为与阀门启闭操作方向一致（阀门关闭为顺时针方向，打开为逆时针方向）[9]。用力要适当，操作阀门时，用力过大过猛容易损坏手柄、手轮，擦伤阀杆和密封面，甚至压坏密封面。

5）棘轮操作前各类配件应定期加油润滑。阀门使用时应经常在转动部分注油，在阀杆梯形螺纹部分涂油，做好定时检修。清除活动把手各缝隙的脏污，检查磨损情况，做好养护工作避免影响使用[10]。