南水北調(diào)邳州泵站葉片過調(diào)原因分析及解決措施

施 偉，陳松山，倪 春，于賢磊，張建峰，李小川

（1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司徐州分公司，江蘇徐州221200；2.揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225000；3.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚(yáng)州225200）

1 概 述

大型泵站工況調(diào)節(jié)的主要方式有變速和變角調(diào)節(jié)。對(duì)南水北調(diào)東線工程中的大型軸流泵站和導(dǎo)葉式混流泵站而言，主要還是以變角調(diào)節(jié)為主。變角調(diào)節(jié)又分為機(jī)械式和液壓式調(diào)節(jié)，其中在葉輪直徑2.0 m 以上的大型泵站中均采用了液壓式調(diào)節(jié)。按主接力器的位置不同液壓式調(diào)節(jié)又有上置式、中置式和下置式之分。但不管何種形式的液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它都包括壓力油系統(tǒng)、主配壓閥、受油器、操作油管（桿）、十字架、連桿、拐臂等。近年來(lái)，我國(guó)大型泵站液壓式葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)取得一些成果，壓力油供給方式從傳統(tǒng)的壓力油罐改為集成式蓄能器，主配壓閥和受油器結(jié)構(gòu)型式更加多樣化［1］。但從南水北調(diào)東線工程運(yùn)行實(shí)踐看，部分大型臥式軸流泵站液壓式葉調(diào)系統(tǒng)還是存在葉片過調(diào)、震蕩調(diào)節(jié)等問題，如南水北調(diào)邳州站2#機(jī)組葉片調(diào)節(jié)過程中正角度調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)卡死，無(wú)法調(diào)至預(yù)設(shè)角度，需要人工現(xiàn)場(chǎng)微調(diào)；往負(fù)角度調(diào)節(jié)速度過快，來(lái)回震蕩調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。

本文選擇典型的大型豎井貫流泵站邳州站作為研究對(duì)象。該泵站安裝液壓全調(diào)節(jié)豎井貫流泵4 臺(tái)套（3 用1 備），設(shè)計(jì)流量100 m3/s，單機(jī)流量33.4 m3/s，配套10 kV高壓同步電機(jī)，轉(zhuǎn)速750 r/min，功率1 950 kW，總裝機(jī)容量7 800 kW。主電機(jī)采用TKS710-8TH 型臥式同步電機(jī)，葉調(diào)機(jī)構(gòu)采用的是BYKJ-BD-4-240-TS01 型機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)器，額定工作壓力4 MPa，額定輸出流量240 L/min。

針對(duì)邳州泵站出現(xiàn)的葉片過調(diào)、震蕩調(diào)節(jié)問題，從液壓式葉調(diào)系統(tǒng)工作原理出發(fā)，基于液壓動(dòng)力系統(tǒng)仿真，深入剖析其產(chǎn)生原因，提出解決措施，為液壓式葉調(diào)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和同類工程同類問題的解決提供指導(dǎo)。

2 液壓式葉調(diào)系統(tǒng)工作原理

為了探明邳州泵站葉片過調(diào)、震蕩調(diào)節(jié)等問題的原因，有必要先厘清液壓式葉調(diào)系統(tǒng)工作原理。圖1為筆者重新繪制的機(jī)械液壓式葉調(diào)系統(tǒng)原理圖，主配壓閥結(jié)構(gòu)見圖2，主配壓閥詳細(xì)結(jié)構(gòu)見圖3。整個(gè)系統(tǒng)包括主配壓閥、輔助接力器、主接力器、引導(dǎo)針閥、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、葉片位置反饋系統(tǒng)等。引導(dǎo)針閥閥芯運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則是由雙頭步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、手輪、導(dǎo)筒、復(fù)位彈簧座和復(fù)位彈簧組成。

圖1 邳州泵站機(jī)械液壓式葉片調(diào)節(jié)原理

輔助接力器7上下移動(dòng)是驅(qū)動(dòng)主配壓閥活塞8、9運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，輔助接力器受力F計(jì)算式為

式中：p1、p2分別為輔助接力器上、下腔油壓，Pa；p3為主配壓閥大小活塞間中腔壓力，Pa；A1為輔助接力器活塞面積，m2；A2、A3為主配壓閥大、小活塞面積，m2；G為自重，N；Ff為動(dòng)摩擦力，N，向上取正，反之取負(fù)。

從圖1 可知，引導(dǎo)針閥2 實(shí)際上是一個(gè)三位三通閥。中位時(shí)，油口互不相通，輔助接力器7的上腔不能進(jìn)排油，因此無(wú)法上下移動(dòng)，此時(shí)主配壓閥大小活塞8、9 封堵了油口B 和油口C，水泵接力器11不能水平移動(dòng)，葉片被固定在某一角度。上位時(shí)，高壓油導(dǎo)入輔助接力器7上腔，當(dāng)式（1）中F＜0，輔助接力器7 下行，主配壓閥的大小活塞8、9 也相應(yīng)下移，圖1中的油口C與油口A相通，油口B與油口D 相通，壓力油進(jìn)入水泵接力器11 右腔，推動(dòng)主接力器活塞左移，水泵接力器11 左腔回油，葉片正角度調(diào)節(jié)。下位時(shí)，輔助接力7上腔與回油箱相通，若式（1）中F＞0，輔助接力器7上行，主配壓閥的大小活塞8、9 也上移，圖1 中的油口C 與油口D 相通，油口B 與油口A 相通，壓力油進(jìn)入水泵接力器11 左腔，推動(dòng)主接力器活塞右移，水泵接力器11 右腔回油，葉片負(fù)角度調(diào)節(jié)。

上述工作過程的可靠性，取決于針閥2動(dòng)作靈活性。針閥2的上下移動(dòng)是由圖3的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。圖3 中的大螺距滾珠絲杠5 將步進(jìn)電機(jī)2 或手輪1的旋轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)變?yōu)榻z桿上螺母6 的上下直線運(yùn)行。針閥閥芯桿11 通過導(dǎo)筒7 與絲桿螺母6 相連，螺母6移動(dòng)驅(qū)動(dòng)圖2（b）中的針閥閥芯5上下移動(dòng)。

圖2 主配壓閥結(jié)構(gòu)

圖3 針閥驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

3 葉片過調(diào)、震蕩調(diào)節(jié)原因

在前述液壓式葉調(diào)系統(tǒng)工作原理中還有一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)未討論，即絲桿螺母、針閥、輔助接力器和主配壓閥大小活塞的復(fù)位以及葉片角度的位置反饋與控制，正是這一環(huán)節(jié)中的時(shí)間滯后性導(dǎo)致了葉片過調(diào)與震蕩調(diào)節(jié)。

3.1 信號(hào)反饋

圖4 為葉調(diào)機(jī)構(gòu)控制與信號(hào)反饋原理圖，二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)［2-4］為：

圖4 葉片調(diào)節(jié)控制與反饋系統(tǒng)框架

式中：阻比ξ=0.76，無(wú)阻尼固有頻率ωn=24.1 rad/s。根據(jù)式（2）可得階躍信號(hào)作用下的調(diào)節(jié)滯后時(shí)間t1=1.9 s。

3.2 針閥閥芯復(fù)位

由圖1可知，當(dāng)磁致伸縮位移傳感器11反饋信號(hào)判別葉片角度為設(shè)定的葉片角度時(shí)，圖2 中的步進(jìn)電機(jī)2 或手輪1 釋放外部驅(qū)動(dòng)力矩，滾珠絲杠螺母6 主要到受彈簧8 的彈力作用復(fù)位，與之相連的針閥閥芯也復(fù)位，但是實(shí)際上針閥復(fù)位是有時(shí)間滯后性的。閥芯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為圖5 所示模型，它的動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)為：

圖5 針閥運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖

式中：m=1.65 kg；k=5×104N/m；c1=12.57；c2=0.0 107。

利用Matlab對(duì)式（3）進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖6所示。閥芯復(fù)位存在短歷時(shí)震蕩，在t2=1.2 s左右時(shí)趨于穩(wěn)定。

圖6 針閥閥芯復(fù)位運(yùn)動(dòng)特性

當(dāng)針閥閥芯復(fù)位后，輔助接力器和主配壓閥活塞并未同時(shí)復(fù)位，此時(shí)位置如圖7所示，其中圖中油口標(biāo)識(shí)與圖1相同。

圖7 輔助接力器和主配壓閥活塞復(fù)位原理

3.3 輔助接力器與主閥芯復(fù)位

以下僅就葉片正角度調(diào)節(jié)進(jìn)行分析，負(fù)角度分析方法相同。輔助接力器和主配壓閥活塞復(fù)位過程的動(dòng)力學(xué)方程可表達(dá)為：

式（4）中的Ff摩擦力和重力G較小，可忽略，將式（6）、式（5）代入式（4）中，取p0≈p2，得：

式中：mz為輔助接力器及主閥閥芯運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，mz=2.53 kg；ρ為油密度，ρ=872 kg/m3；油動(dòng)力黏度μ=0.0 348 Pa.s；d、l為回油管直徑和長(zhǎng)度，d=6 mm，l=2.5 m，A1為輔助接力器活塞面積，A1=3.3 166×10-3m2；A2、A3為主配壓閥大、小活塞面積，A2=1.8 086×10-3m2，A3=1.0 174×10-3m2；p3為壓力油壓，p3=4×106Pa；回油小孔面積A0=1.0×10-4m2。

回油孔局部阻力系數(shù)ξ可近似表達(dá)為：

ξ=8 566.5（x/d0）6-18 318（x/d0）5+14 821（x/d0）4-5 535.8（x/d0）3+938.16（x/d0）2-55.91（x/d0）+1.372 3

利用Matlab對(duì)式（7）進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖8所示。輔助接力器和主閥芯復(fù)位僅t3=0.086 s左右，歷時(shí)較短。

圖8 輔助接力器回油孔局部阻力系數(shù)

圖9 輔助接力器及主閥芯復(fù)位運(yùn)動(dòng)特性

4 解決措施

從以上葉片過調(diào)、震蕩調(diào)節(jié)原因分析可看出，液壓系統(tǒng)復(fù)位過程中確實(shí)存在時(shí)間滯后現(xiàn)象。因時(shí)間滯后，導(dǎo)致葉片已調(diào)節(jié)至設(shè)定角度時(shí)，配壓閥油口B和油口C并未封堵住，仍然有一定開度。

葉片過調(diào)程度與多出的供油量大小有關(guān)，近似表達(dá)為：

式中：ΔV為多出的供油量，L；Q為單位時(shí)間輸送到水泵主接力器左腔（或右腔）的體積，L/s；Δt為液壓系統(tǒng)復(fù)位滯后時(shí)間，s。

從公式（8）可知，減小葉片過調(diào)，可從減小Q和Δt兩個(gè)方面著手，為此提出以下幾個(gè)改進(jìn)措施。

4.1 增加機(jī)械式上限位調(diào)整螺母

現(xiàn)狀邳州泵站的輔助接力器只設(shè)置下限位的負(fù)角度時(shí)間調(diào)整螺母（圖2），還需要增加上限位正角度時(shí)間調(diào)整螺母（圖1）。通過調(diào)節(jié)上下限位螺母，適當(dāng)減小輔助接力器、主配壓閥閥芯最大行程，主要目的是減小主配壓閥油口B 和油口C 開度，減小式（1）中的Q，同時(shí)因閥芯最大行程減小，也可縮短主閥芯復(fù)位時(shí)間Δt。但采用措施時(shí)要注意，不能閥芯最大行程不能太小，否則葉片調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)大大加長(zhǎng)。

4.2 預(yù)留滯后時(shí)間差

在葉片調(diào)節(jié)反饋控制系統(tǒng)中，充分考慮液壓系統(tǒng)復(fù)位時(shí)間滯后性，采取主動(dòng)預(yù)設(shè)針閥提前復(fù)位時(shí)間，消除Δt。從上述分析中可知，Δt≈1.4 s。

4.3 適當(dāng)增大彈簧剛度系數(shù)K

由式（3）可知，適當(dāng)增大彈簧剛度系數(shù)K，可減小針閥閥芯復(fù)位時(shí)間。但也需要指出的是，如增大K值，相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)扭矩會(huì)增大，涉及步進(jìn)電機(jī)合理匹配問題。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在厘清液壓系統(tǒng)針閥、輔助接力器和主配壓閥工作原理、受力分析基礎(chǔ)上，建立動(dòng)力學(xué)仿真模型，仿真得到了針閥、輔助接力器和主配壓閥動(dòng)作過程，探明了邳州泵站機(jī)械液壓式葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)葉片過調(diào)原因，即針閥、輔助接力器和主配壓閥復(fù)位存在時(shí)間上的滯后性，提出了解決措施，旨在為邳州泵站葉調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)提供依據(jù)。