超（超）临界阀门电动执行机构大推力输出装置的研究

徐声云，汤占峰，周祥态

（扬州电力设备修造厂，江苏扬州 225003）

0 引言

我国超(超)临界发电机组中配套的阀门用电动执行机构正在逐步实现国产化，但仍有50%的超(超)临界发电机组关键阀门用电动执行机构需由国外进口。究其原因，一是由于关键阀门的国产化率较低，阀门依赖进口，关键技术突破的进展不大；二是国内超(超)临界发电机组配套电动执行机构的产品系列需完善，才能满足超(超)临界发电机组关键阀门的控制要求，尤其是超(超)临界阀门电动执行机构大推力输出装置在国内还处于空白。

预计“十二五”期间我国火电建设将以超（超）临界火电机组为主，国内年新增超（超）临界火电机组将达60台以上。此外，大型石化、环保等能源项目的发展，超（超）临界发电机组用电动执行机构市场前景非常广阔。

在超(超)临界发电机组中，配套大口径高温、高压闸阀的大推力电动执行机构尤其稀缺，主要原因是其推力输出装置的设计难度大[3]。文章结合已完成的大推力电动执行机构国产化项目，详细论述其推力输出装置的传动机构参数计算、结构设计、材料选用方法。

1 结构和传动原理

超(超)临界阀门电动执行机构大推力输出装置的机械传动结构如图1所示，推力装置设计在电动执行机构的输出端。为减轻重量和节省空间，大推力装置的联轴器与电动执行机构的一级输出轴采用牙嵌连接。此外，推力装置设置了压注油杯进行润滑，联轴器的轴向采用推力滚动轴承定位，而且上下端均考虑了密封设计，因此可进行稀油润滑，整个装置的机械效率非常高。

工作原理：阀门电动执行机构动作时，电机带动蜗杆蜗轮副和齿轮机构运行，由一级输出轴输出转矩和转速。一级输出轴通过牙嵌驱动联轴器转动，当联轴器（假定螺旋副为右旋）顺时针转动时，其轴向运动方向被限制，阀门阀杆向上运动；当联轴器逆时针转动，阀门阀杆的运动方向相反。通过联轴器与阀门阀杆组成的螺旋副将电动执行机构的旋转运动转变成直线运动，并输出所需的推力，最终实现对阀门的启闭。

图1 大推力装置结构图

2 技术设计

2.1 传动参数的理论计算

螺旋传动副是大推力装置的核心部件，对传动副的几何参数、耐磨性、强度计算是设计推力装置的关键。通常依据阀门的行程、所需的推力和启闭时间来初步确定驱动转矩、阀杆参数，再进行传动副的耐磨性和强度校核。

（1）初选传动副参数

螺旋副的传动参数主要分几何参数和力学参数两部分，几何参数包含螺纹的中径、导程和螺纹线数，力学参数包括驱动转矩、驱动轴（阀杆）转速。上述参数之间满足如下关系：

其中：ni——阀杆转速，r/min；

P——梯形螺纹导程，mm；

x——梯形螺纹线数，通常取1或2；

L——阀杆行程，mm；

t——阀门启闭时间，s。

初选一组传动参数需要一定的经验，在没有足够的经验时，可以参考GB/T12222标准中的阀杆参数，再按（1）式验算后修正。

（2）螺旋副耐磨性校核

螺旋副的耐磨性计算主要是校核螺旋面的工作压强，校核公式如下[1]：

其中：F——阀门启闭时所需的推力，N；

d2——梯形螺纹中径，mm；

H1——梯形螺纹基本牙型高度，H1=0.5 P；

N——螺旋副旋合圈数，一般为8～12；

pp——螺旋副许用压强，N/mm2。

螺旋副的许用压强与螺旋副的材料、转速有关。对于一般的阀用螺旋副，阀杆常为优质钢材、螺母为锡青铜，且传动线速度较低，其许用压强值一般为18～25 N/mm2。

（3）螺旋副强度校核

螺旋副的强度校核理论上应对阀杆和螺母的剪切强度、弯曲强度分别校核。根据长期的设计经验，通常只需对阀杆的弯曲强度和螺母的剪切强度校核就足够。

阀杆的弯曲强度校核公式[1]：

其中：d3——阀杆的螺纹小径，mm；

σbp——许用弯曲应力，N/mm2。

螺母的剪切强度校核公式：

其中：D4——螺母的螺纹大径，mm；

τp——许用弯曲剪切应力，N/mm2。

2.2 运用Abaqus有限元软件分析计算

运用Abaqus软件分别对联轴器牙嵌连接和螺旋副进行有限元分析计算，得出应力情况。具体过程如下。

（1）牙嵌受力分析

首先简化模型和工况载荷，由于在Abaqus中，对零件直接施加转矩是比较困难的，因此需要先建立一个参考点，然后在所需要施加载荷的表面与这个参考点之间建立耦合关系（coupling）[2]，该耦合关系可将参考点的变化按照软件设定规律传递给与之相耦合的表面，最后将扭矩施加到该参考点上。本模型中，在上下联轴器中心轴线上分别建立两参考点，并分别同牙嵌部分外表面建立耦合关系，然后分别施加转矩（N1y=-10 000 N·m），N2=（N2y=10 000 N·m），转矩沿坐标轴Y轴正方向为正。得出两零件应力云图如图4。

图2 有限元模型图

图3 网络离散图

图4 牙嵌连接处的应力云图

分析云图可知：应力主要集中在牙嵌部分，该区域应力变化较为平滑，没有出现大的应力突变，大部分应力集中在1.464e1～5.856e1之间（单位Mp），在云图上表现为绿色部分，该应力在零件屈服范围之内，表明零件强度满足设计要求。

（2）螺旋副的受力分析

该受力分析中，联轴器轴肩上端面与滚动轴承贴合，轴向位置不动，由于该模拟忽略牙型部分在传动过程中受到的扭转力矩影响，因此在Abaqus中可以将轴肩上端6自由度全约束。阀杆与联轴器螺纹配合部分建立接触关系，然后施加沿阀杆轴向推力（Fy=1 100 kN），得出应力云图如图5。

观察该应力云图得知：螺纹牙型部分应力在云图中大部分处于蓝色区域（9.336e1MPa以下），表明该螺纹牙型满足传动条件，阀杆整体受力部分在安全范围内之，云图中表现为蓝绿色和黄绿色之间，说明该部件满足设计要求。

图5 螺纹传动部分应力云图

3 特性分析

超(超)临界阀门电动执行机构大推力输出装置，具有下述特点：

（1）联轴器轴肩两侧采用推子圆柱滚子轴承，提高联轴器传动效率。

（2）采用直通式压注油嘴给联轴器内部加油，有效地给螺旋副传动部件进行润滑，降温，大大提高了螺旋副工作寿命。

（3）通过选择合理的参数进行理论计算，再通过有限元软件Abaqus进行分析计算，验证理论计算的准确性，确保大推力输出装置产品的高可靠性。

（4）此大推力输出装置的联轴器采用复合铸造成形，减少了材质锡青铜的用量，大大降低了产品生产成本。

4 结语

实践证明，上述理论计算和有限元软件分析的计算结果基本吻合，设计和制造的样机也能满足要求，为设计阀门电动执行机构大推力装置提供一种有效的计算方法。目前，研制的超(超)临界阀门电动执行机构大推力输出装置已通过了全部的性能测试，并成功与超(超)临界发电机组的阀门配套，得到用户肯定与好评，为大推力阀门电动执行机构的国产化打下了基础。

［1］成大先.机械设计手册：第四版第3卷［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［2］宫龙颖.ABAQUS接触问题浅析［J］.中国煤炭，2009（07）：66-68.

［3］胡平金，刘云峰.600MW超超临界阀门温度场及热应变场计算［J］.热力透平，2009（01）：43-45.