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手动蝶阀自动关闭故障分析与处理.docx

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    • 手动蝶阀自动关闭故障分析与 处理2•惠州核电有限公司摘要 机组运行过程中发现L3RRI004RF进口管道手动蝶阀在开状态时会自 动关闭本文通过分析该阀自动关闭的动力转矩来源和可能的因素通过解体阀 门并测绘相关参数,确认阀门传动蜗轮蜗杆副无自锁功能的根本原因,最终解决 了该阀自动关闭故障问题关键词手动蝶阀;自动关闭;涡轮蜗杆副;转矩;自锁1引言1.1发现背景及故障描述电厂运行人员在执行3RRI/SEC热交换器效率试验时,发现两台热交换器RRI 出口温度存在3度的偏差,正常情况下应非常接近排查偏差原因时发现某手动 蝶阀开度约15度,而其它RRI/SEC进出口阀门开度为全开,操作记录显示阀门 应设置为全开位置维修人员核查阀门故障时,发现该阀全开后将手轮向关闭方 向转动5度左右角度时,阀门会自动关闭至15度左右开度对于手动阀门来说, 设计上不允许自动改变状态1.2阀门简介故障手动蝶阀为单偏心蝶阀,质量安全等级为QSR级 蝶阀因其流阻小,操作方便,在电站使用较广泛 该阀由阀体和执行机构两部分组成,执行机构主要 部件包含蜗轮和蜗杆的单级减速箱阀门的开启和 关闭通过操作手轮蜗轮副传动,带动阀杆转动实现, 阀门的结构图见图1。

      图1 L3RRI028VN结构图2原因查找2.1故障后果查询阀门检修历史,该类型阀门首次出现此类故障阀门故障关闭会切断换 热器入口冷却水,影响对应换热器冷却功能对于手动阀门,自动改变其开关状 态,需要查明改变状态的原因,进而分析出阀门故障的原因2.3自动关闭的动力来源因该阀为手动阀门,在排除人为操作的情况下,自动关闭的动力来源可能来 源如下途径:1)系统流体冲击力;2)管线振动;3)阀门安装位置的重力影响阀门在管线中为水平安装,其内部转动件只有蜗轮和阀瓣在转动时有重力产 生在阀杆的转矩,根据同类阀门的解体检查经验,重力矩不足克服阀门转动的摩 擦力,可以排除阀门运动部件重力因素的影响为排除管线振动的因素,经测振 其结果在合格范围内因此,最大可能的因素就是系统流体冲击力作用阀瓣,然 后阀瓣带动执行机构关闭阀门阀瓣布置在管道内部,流体流经管道冲击阀瓣会产生一定的作用力,但 是,这不表明受到冲击就一定产生转矩,因此,必须从阀门结构特点分析转矩产 生的原因阀门阀瓣布置为单偏心的结构,根据其结构特点,易知:1)该结构在阀瓣关闭状态时受到的系统压力左右对称,理论上无转动力矩 产生2)当阀门开启时,单偏心结构因以阀杆为中心的左右两部分阀瓣投影到垂 直管道面的面积不同,流体冲击下就会在阀杆上产生转矩[%因此,需计算出阀瓣在开启过程中,阀杆左右两侧投影面积的比值,根据比 值函数在开度范围内的曲线特点,就可以确定阀门自动关闭动力的来源。

      为便于 计算,画出受力简图如下:图2阀瓣受力面积比分析简图根据上图有如下关系式:(l +l)/2L二Cosr (1)1 2Sin(r+i)二L/R (2)1Sini=l /R (3)1 1所以,由(1)、(2)、(3 )式,得出阀瓣两部分的投影长度比值关系:l /l =2LCosr/R Sin(arcsinL/R-r)-1 (4)2 1 1 1所以阀瓣面积在管道截面上的以阀轴为中心分成的两部分投影面积比Y=l 2/l 2=(2LCosr/R Sin(arcsinL/R-r)-1)2 (5)2 1 1 1根据阀门结构图,可知式中常数值,即偏心距l为10cm,管道内径(2R)1为400cm,阀瓣直径(2L)为399.7cm所以,式中只有变量阀瓣转角r,取r在0-180°范围内,离散取值间隔为2度,画出(5)式曲线图如下:图I\(399. 5*C® (X) /(2W*5IN (ASENU. 9M75-)0}~l)—V=(SS9. (200*SIN(AS1NO. 99B75- v))-L}*<399 n*CC5(Ji).伽订)-1.卜3投影面积曲线图注:曲线图横坐标数值非 角度值,为绘图软件表示的比例值。

      从曲线图中,我们可以发现如下规律:1)图中最大值点变量 r=arcSinL/R =87.135°该值表明阀瓣转动到 i=0,1 即阀瓣左侧投影面积仅为一条直线时情况2) 当r〉arcSinL/R=87.135°时,图中曲线值减小,事实上,对正常开关1蝶阀而言,转角r仅能取值0WrW90°从计算图可知,当87.135VrV90 (度) 时,阀瓣的投影面积全部在右侧,表明超过87.135 度后,阀门在流体冲击下, 会产生转矩因此(4)式中,r的有意义取值范围为 0WrWarcSinL/R=87.135°13) 在r的有意义取值范围内,r=0时,表明阀门关闭状态,此时Y=1,阀门 在流体作用下没有转矩产生,在0-87.135度范围内,随着变量r的取值增加, 曲线单调上升即在该范围内,阀门从关闭向开启运动时,受到流体的作用力越 来越大因此,阀门的单偏心结构在受到流体的冲击时,因受力面积不同,阀瓣会在 0VrW90度范围内产生转动力矩,结合图3,易知在r=87.135度时阀瓣受流体 转矩最大且受到的流体转矩方向正为关闭方向2.4 自动关闭原因的查找根据上述分析,可知该型偏心蝶阀在阀瓣非关闭状态时会受到流体冲击产生 的转矩,为手动阀门产生自动关闭现象的动力源。

      但是,现场类似系统条件使用 了大量的单偏心蝶阀,到目前为止,只发现该功能位置阀门存在自动关闭现象正常情况下,手动阀门的蜗轮蜗杆副应具有自锁功能,也即手轮带动蜗杆传 动阀瓣开关,而阀瓣不能受流体转矩后带动涡轮蜗杆付动作,否则将导致手动阀 门阀位失控,该过程不可逆蜗轮蜗杆自锁功能的条件是导程角小于等于当量摩 擦角[2]通过解体检查阀门传动蜗杆机构,发现厂家提供的本批次阀门涡轮蜗杆机加 角度设置存在偏差,使其导程角大于当量摩擦角,导致涡轮蜗杆副失去自锁功能因此,阀门自动关闭的根本原因为执行机构的蜗轮副自锁功能失效为了复现故障传动机构的自锁失效现象,通过专用转换接头在蜗轮驱动阀杆 的地方施加关闭方向力,以此验证执行机构能否复现了自动关闭现象,检查照片 见图4、54模拟流体施加转矩 图5自锁失效现象(标记错位)3原因分析3.1解体测量为了比较故障传动机构蜗轮和蜗杆的导程角与当量摩擦角大小,验证故障原 因,需解体阀门并测量蜗轮蜗杆模数、压力角、齿距等数据蜗轮蜗杆为成对使 用,蜗杆轴向模数与涡轮端面模数相等,蜗杆轴向压力角与涡轮端面压力角相等, 因此,实际测量了蜗杆相关参数圆柱蜗杆基本齿廓类型有阿基米德蜗杆、渐开线蜗杆、法向直廓蜗杆、锥面 包络圆柱蜗杆[3]模数m是制造涡轮副的重要参数,与齿距p成正比,m二p/n。

      根据上述特点,首先测量蜗杆的齿形角,并判别它的齿形是属于那一种,然后测 量蜗杆的轴向齿距来确定轴向模数,再测量蜗杆的齿顶圆直径,确定特性系数及 导程角,最后确定其它的参数解体阀门取出蜗杆后,使用角度尺测量其齿形角为20°,轴向截面贴合,核 实该蜗杆为阿基米德蜗杆,蜗杆头数为1,测量其4个齿距为50mm,齿顶圆直径 为48mm过程照片见图6、7图6阀门涡轮副机构图7蜗杆数据测量3.2 导程角及摩擦角确定根据测量数据,计算相关几何参数:1) 41 =50mm,即 t =12.5mm;轴轴2) m二t /n=12.5/3.14=3.98mm;轴查询模数标准表格[4:]表1 蜗杆标准模数表第一系列1, 1.25, 1.6, 2, 2.5, 3.15,4, 5, 6.3, 8, 10, 12.5, 16, 20,25, 31.5, 40第二R J 系列1.5, 3, 3.5, 4.5, 5.5 6, 7,12, 14取 m=4mm;3) q=D /m-2=48/4-2=10;顶所以,导程角的正切tan入二Z/q=l/10=0.1;即导程角入=5.71°当量摩擦角一般是根据蜗杆副的材质、硬度、齿面间的滑动速度三个条件相 关。

      检查蜗轮副的材质为灰铸铁,硬度47-51,大于45齿面间的滑动速度计算 如下:根据相对运动矢量关系,见图8,滑动速度Vs与蜗轮V2蜗杆V1转速的关系 为:因导程角入=5.71°;图8耦合点速度关系图V= V+ V (5)1 2 s做矢量分解:V = (V2+V2)i/2二V/cos 入(6)s 2 1 1所以 cos 入=0.999998^1;所以V ~Vs 1又 V = 31XD 顶/2;1对于手动执行机构,蜗杆也就是手轮每分钟转动5-15圈,也即3 1值在 1/6n-1/2n 之间,所以 V 值范围为 0.015-0.037m/s1根据以上速度分析,虽然可以知道滑动速度的关系式,但是,上述分析是基 于以蜗杆为主动件时的计算蜗杆副传动时,蜗杆为主动件时不产生自锁,蜗轮 为主动件时的自锁条件是:P三入当蜗轮的材料为灰铸铁时,当量摩擦角(P)数据[5 ]如下:表2当量摩擦角查询表格涡轮材料灰铸铁滑动速度(m/s)fP0.010.1568.88°0.050.526.85°0.10.1116.33°0.250.0834.75°0.50.0754.28°10.0563.20°从上表可知,当量摩擦角(摩擦系数)随着滑动速度的增加逐渐减小,对于手动齿轮箱,其滑动速度小于2m/s。

      所以,滑动速度为O.Olm/s-O.lm/s时,当 量摩擦角P〉入,表明在极低的速度时,蜗轮仍然可以自锁实际上,在约 8bar 左右的系统环境中,水流冲击和压力作用下的瞬时滑动速度远大于 0.1m/s 并且,这个瞬时滑动速度会持续作用在阀瓣上4 结论综上分析,对带单级减速蜗轮副的手动蝶阀,蜗轮蜗杆自锁的必须条件是P三入故障蝶阀因设计不合理,导致在流体介质作用下,载荷经蜗轮传动到蜗 杆,同时蜗轮副不具自锁功能,出现阀门在运过程中的自动关闭的现象参考文献1.阀门设计与计算[M].合肥通用机械研究所,19742.吴宗泽.机械设计师手册(上册).机械工业出版社,20023.圆柱蜗杆基本齿廓, GB/T 10087,20184.圆柱蜗杆传动基本参数,GB/T 10085, 20185.成大先,等•机械设计手册[M].化学工业出版社,2004。

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