超（超）臨界閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大推力輸出裝置的研究

徐聲云，湯占峰，周祥態(tài)

（揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠，江蘇揚(yáng)州 225003）

0 引言

我國(guó)超(超)臨界發(fā)電機(jī)組中配套的閥門用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)正在逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但仍有50%的超(超)臨界發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵閥門用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需由國(guó)外進(jìn)口。究其原因，一是由于關(guān)鍵閥門的國(guó)產(chǎn)化率較低，閥門依賴進(jìn)口，關(guān)鍵技術(shù)突破的進(jìn)展不大；二是國(guó)內(nèi)超(超)臨界發(fā)電機(jī)組配套電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品系列需完善，才能滿足超(超)臨界發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵閥門的控制要求，尤其是超(超)臨界閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大推力輸出裝置在國(guó)內(nèi)還處于空白。

預(yù)計(jì)“十二五”期間我國(guó)火電建設(shè)將以超（超）臨界火電機(jī)組為主，國(guó)內(nèi)年新增超（超）臨界火電機(jī)組將達(dá)60臺(tái)以上。此外，大型石化、環(huán)保等能源項(xiàng)目的發(fā)展，超（超）臨界發(fā)電機(jī)組用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)市場(chǎng)前景非常廣闊。

在超(超)臨界發(fā)電機(jī)組中，配套大口徑高溫、高壓閘閥的大推力電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)尤其稀缺，主要原因是其推力輸出裝置的設(shè)計(jì)難度大[3]。文章結(jié)合已完成的大推力電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)國(guó)產(chǎn)化項(xiàng)目，詳細(xì)論述其推力輸出裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用方法。

1 結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)原理

超(超)臨界閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大推力輸出裝置的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，推力裝置設(shè)計(jì)在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出端。為減輕重量和節(jié)省空間，大推力裝置的聯(lián)軸器與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一級(jí)輸出軸采用牙嵌連接。此外，推力裝置設(shè)置了壓注油杯進(jìn)行潤(rùn)滑，聯(lián)軸器的軸向采用推力滾動(dòng)軸承定位，而且上下端均考慮了密封設(shè)計(jì)，因此可進(jìn)行稀油潤(rùn)滑，整個(gè)裝置的機(jī)械效率非常高。

工作原理：閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)蝸桿蝸輪副和齒輪機(jī)構(gòu)運(yùn)行，由一級(jí)輸出軸輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。一級(jí)輸出軸通過牙嵌驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)聯(lián)軸器（假定螺旋副為右旋）順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其軸向運(yùn)動(dòng)方向被限制，閥門閥桿向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)聯(lián)軸器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，閥門閥桿的運(yùn)動(dòng)方向相反。通過聯(lián)軸器與閥門閥桿組成的螺旋副將電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，并輸出所需的推力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的啟閉。

圖1 大推力裝置結(jié)構(gòu)圖

2 技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)參數(shù)的理論計(jì)算

螺旋傳動(dòng)副是大推力裝置的核心部件，對(duì)傳動(dòng)副的幾何參數(shù)、耐磨性、強(qiáng)度計(jì)算是設(shè)計(jì)推力裝置的關(guān)鍵。通常依據(jù)閥門的行程、所需的推力和啟閉時(shí)間來初步確定驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、閥桿參數(shù)，再進(jìn)行傳動(dòng)副的耐磨性和強(qiáng)度校核。

（1）初選傳動(dòng)副參數(shù)

螺旋副的傳動(dòng)參數(shù)主要分幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)兩部分，幾何參數(shù)包含螺紋的中徑、導(dǎo)程和螺紋線數(shù)，力學(xué)參數(shù)包括驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動(dòng)軸（閥桿）轉(zhuǎn)速。上述參數(shù)之間滿足如下關(guān)系：

其中：ni——閥桿轉(zhuǎn)速，r/min；

P——梯形螺紋導(dǎo)程，mm；

x——梯形螺紋線數(shù)，通常取1或2；

L——閥桿行程，mm；

t——閥門啟閉時(shí)間，s。

初選一組傳動(dòng)參數(shù)需要一定的經(jīng)驗(yàn)，在沒有足夠的經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可以參考GB/T12222標(biāo)準(zhǔn)中的閥桿參數(shù)，再按（1）式驗(yàn)算后修正。

（2）螺旋副耐磨性校核

螺旋副的耐磨性計(jì)算主要是校核螺旋面的工作壓強(qiáng)，校核公式如下[1]：

其中：F——閥門啟閉時(shí)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(shù)，一般為8～12；

pp——螺旋副許用壓強(qiáng)，N/mm2。

螺旋副的許用壓強(qiáng)與螺旋副的材料、轉(zhuǎn)速有關(guān)。對(duì)于一般的閥用螺旋副，閥桿常為優(yōu)質(zhì)鋼材、螺母為錫青銅，且傳動(dòng)線速度較低，其許用壓強(qiáng)值一般為18～25 N/mm2。

（3）螺旋副強(qiáng)度校核

螺旋副的強(qiáng)度校核理論上應(yīng)對(duì)閥桿和螺母的剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度分別校核。根據(jù)長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常只需對(duì)閥桿的彎曲強(qiáng)度和螺母的剪切強(qiáng)度校核就足夠。

閥桿的彎曲強(qiáng)度校核公式[1]：

其中：d3——閥桿的螺紋小徑，mm；

σbp——許用彎曲應(yīng)力，N/mm2。

螺母的剪切強(qiáng)度校核公式：

其中：D4——螺母的螺紋大徑，mm；

τp——許用彎曲剪切應(yīng)力，N/mm2。

2.2 運(yùn)用Abaqus有限元軟件分析計(jì)算

運(yùn)用Abaqus軟件分別對(duì)聯(lián)軸器牙嵌連接和螺旋副進(jìn)行有限元分析計(jì)算，得出應(yīng)力情況。具體過程如下。

（1）牙嵌受力分析

首先簡(jiǎn)化模型和工況載荷，由于在Abaqus中，對(duì)零件直接施加轉(zhuǎn)矩是比較困難的，因此需要先建立一個(gè)參考點(diǎn)，然后在所需要施加載荷的表面與這個(gè)參考點(diǎn)之間建立耦合關(guān)系（coupling）[2]，該耦合關(guān)系可將參考點(diǎn)的變化按照軟件設(shè)定規(guī)律傳遞給與之相耦合的表面，最后將扭矩施加到該參考點(diǎn)上。本模型中，在上下聯(lián)軸器中心軸線上分別建立兩參考點(diǎn)，并分別同牙嵌部分外表面建立耦合關(guān)系，然后分別施加轉(zhuǎn)矩（N1y=-10 000 N·m），N2=（N2y=10 000 N·m），轉(zhuǎn)矩沿坐標(biāo)軸Y軸正方向?yàn)檎?。得出兩零件?yīng)力云圖如圖4。

圖2 有限元模型圖

圖3 網(wǎng)絡(luò)離散圖

圖4 牙嵌連接處的應(yīng)力云圖

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

（2）螺旋副的受力分析

該受力分析中，聯(lián)軸器軸肩上端面與滾動(dòng)軸承貼合，軸向位置不動(dòng)，由于該模擬忽略牙型部分在傳動(dòng)過程中受到的扭轉(zhuǎn)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(lián)軸器螺紋配合部分建立接觸關(guān)系，然后施加沿閥桿軸向推力（Fy=1 100 kN），得出應(yīng)力云圖如圖5。

觀察該應(yīng)力云圖得知：螺紋牙型部分應(yīng)力在云圖中大部分處于藍(lán)色區(qū)域（9.336e1MPa以下），表明該螺紋牙型滿足傳動(dòng)條件，閥桿整體受力部分在安全范圍內(nèi)之，云圖中表現(xiàn)為藍(lán)綠色和黃綠色之間，說明該部件滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 螺紋傳動(dòng)部分應(yīng)力云圖

3 特性分析

超(超)臨界閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大推力輸出裝置，具有下述特點(diǎn)：

（1）聯(lián)軸器軸肩兩側(cè)采用推子圓柱滾子軸承，提高聯(lián)軸器傳動(dòng)效率。

（2）采用直通式壓注油嘴給聯(lián)軸器內(nèi)部加油，有效地給螺旋副傳動(dòng)部件進(jìn)行潤(rùn)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(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，再通過有限元軟件Abaqus進(jìn)行分析計(jì)算，驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，確保大推力輸出裝置產(chǎn)品的高可靠性。

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

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，上述理論計(jì)算和有限元軟件分析的計(jì)算結(jié)果基本吻合，設(shè)計(jì)和制造的樣機(jī)也能滿足要求，為設(shè)計(jì)閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大推力裝置提供一種有效的計(jì)算方法。目前，研制的超(超)臨界閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大推力輸出裝置已通過了全部的性能測(cè)試，并成功與超(超)臨界發(fā)電機(jī)組的閥門配套，得到用戶肯定與好評(píng)，為大推力閥門電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)化打下了基礎(chǔ)。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：第四版第3卷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

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

［3］胡平金，劉云峰.600MW超超臨界閥門溫度場(chǎng)及熱應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算［J］.熱力透平，2009（01）：43-45.