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安装间隙整定值与大轴摆动造成的误差无关

   安装间隙整定值对于机械过速保护装置精度的影响

江涛
(武汉安施通电气有限公司,武汉,430015)
摘要:本文通过对离心式纯机械过速保护装置原理的分析推导,得出了机械过速保护装置离心飞摆和触发机构之间的安装间隙整定值大小对机械过速保护装置动作偏差无关的结论。
关键词:机械过速保护装置 安装间隙 安装间隙整定值
1.引言
近年来,随着水电站安全技术水平的不断提高,纯机械过速保护装置作为水轮机转速保护的最后一道“防线”得到了越来越普遍的应用,用户对于其可靠性及动作精度的要求也越来越高,要求其在设定的动作转速时准确动作,实现机组的事故停机,不能出现超出规定范围的动作提前或者滞后。
2.机械过速保护装置的工作原理
目前,广泛使用的机械过速保护装置大都采用了离心飞逸式结构。较为先进的离心飞逸式机械过速保护装置一般由离心飞摆、 触发机构和液压控制阀组几个部分构成。
离心飞摆是整定动作转速的部件。目前,较为先进的离心飞摆均采用了弹簧预压缩的方式。离心飞摆的弹簧通过螺母进行压缩实现预紧,这个预紧力的大小略小于机械过速保护装置设定动作转速时的预紧力。这样当机组接近动作转速时,离心飞摆克服预紧力向外运动,当向外运动量达到和超过飞摆与脱扣式触发机构之间的间隙时,触动触发机构,进而带动液压阀组切换工作油路,实现事故停机。
这种飞摆的优点是非常明显的,离心重块只是在转速接近于设定转速时才会向外运动,几乎是在过速瞬间甩出,其它时候弹簧是没有伸缩运动的,不会产生疲劳。
预压紧式离心飞摆结构
3.安装间隙对于机械过速保护装置的影响
从上述机械过速保护装置原理,安装间隙整定值是在工厂整定机械过速保护装置的基准值,理想状况下,在实际机组上只要将安装间隙调整得与该整定值一致,便可以实现在整定转速下的动作。
但是真实情况下,由于安装误差和大轴摆动等因素,安装间隙与整定值之间存在误差是难以避免的:我们可以看出对于离心飞逸式机械过速保护装置从飞摆重块向外运动到重块撞击触发机构之间间距即弹簧的变形量L,这个弹簧变形量必然对应了两个不同转速的离心力,也就是说对于同一台机械过速保护装置来说,安装间隙的大小会改变动作转速值。而对于一台在工厂内按照某一规定间隙整定动作转速的机械过速保护装置,现场安装间隙的改变会改变动作值:安装间隙增大,会使得动作转速值高于工厂设定值;安装间隙减小会使得动作转速值低于工厂设定值。
因此,有必要经常会有技术人员有这样的疑虑,既然安装间隙的改变会改变机械过速保护装置的动作值,那么把安装间隙的整定值设定得更大一些是不是对于安装误差或者说大轴摆动造成的动作误差会更小?
直观的分析很多人都会得出这样的结论,对于一台动作值确定的机械过速保护装置,安装间隙整定值更大,对于同样大小的大轴摆度形成的误差会更小。比如说0.3mm的摆动,对于1.5mm来说,是20%,对于3.0mm来说是10%,那么造成的误差会差一倍?
我们从理论上计算一下大轴摆动所造成的误差:
假设大轴摆动值为Δx,那么大轴摆动对应安装间隙的变化值也为Δx,飞摆弹簧的弹性系数为k,那么根据胡克定律,对于这个安装间隙改变量对应的弹簧力变化ΔF=k*Δx,我们可以计算这个安装间隙变化值对应的动作转速变化量
我们设定机械过速保护装置的动作转速为ω0,大轴上安装的飞摆重块旋转半径为r,离心飞摆重块质量为m,根据离心力公式,过速动作时,离心力F1=mω02r。
当大轴摆动时,机械过速保护装置的动作转速变为ω1,大轴上安装的飞摆重块旋转半径变化量Δx相对于r来说可以忽略不计,仍然记为r,离心力F2= mω12r。
这两个离心力的变化量与弹簧力的变化相等,就等于ΔF,那么
k*Δx= mω02r- mω12r
从这个公式中,我们看到对于固定的弹簧弹性系数k、离心飞摆重块质量m、机组机械过速飞摆安装半径r这些定值来说这个偏移的动作转速ω1仅仅与大轴的摆动值大小有关,与飞摆与脱扣器触发机构的整定间隙毫无关系。
 4.安装间隙整定值大小对于安装误差的影响
     更大的间隙对于安装的准确性是否有利呢?从测量技术的角度来说,误差的产生和测量物体的大小、长短是毫无关系的,我们用同样精度的一把尺测量间隙或者长度,无论是测量1mm还是1000mm,都不可能减小测量的绝对误差,能减小的只是相对误差,而上面的分析推算已经证明,相对误差的大小对于动作值的偏差毫无关系。
5.结论
安装间隙整定值只是工厂整定的标准安装间隙值,现场安装和工厂整定尽可能一致,如果我们在工厂加大安装间隙,在现场也同样的加大安装间隙便可以了,仅仅依靠在工厂把间隙的办法是不能解决大轴摆动和安装误差因素对于机械过速保护装置带来的误差的。
通过以上分析我们可以得出这样的结论:安装间隙整定值仅仅是机械过速保护装置的工厂整定标准值,尽管改变安装间隙会改变机械过速保护装置的动作值,但安装间隙整定值大小对于大轴摆动和安装误差造成的偏差是没有任何关系的,加大安装间隙整定值对于减小大轴摆动和安装误差造成的动作偏差毫无意义。
我们也利用仿真试验证实了我们的这一观点,我们分别在安装间隙整定值为1.5mm和3.0mm下,连续10次进行机械仿真试验,结果证明两个对比组误差无显著差异。
参考文献:
1】义务教育课程标准实验教科书:物理,课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心 编著, 

2】ALSTOM机械过速保护装置产品手册,武汉安施通电气有限公司
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