安裝間隙整定值與大軸擺動造成的誤差無關(guān)
安裝間隙整定值對于機械過速保護裝置精度的影響
江濤
（武漢安施通電氣有限公司，武漢，430015）
摘要：本文通過對離心式純機械過速保護裝置原理的分析推導(dǎo)，得出了機械過速保護裝置離心飛擺和觸發(fā)機構(gòu)之間的安裝間隙整定值大小對機械過速保護裝置動作偏差無關(guān)的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：機械過速保護裝置 安裝間隙 安裝間隙整定值
1.引言
近年來，隨著水電站安全技術(shù)水平的不斷提高，純機械過速保護裝置作為水輪機轉(zhuǎn)速保護的最后一道“防線”得到了越來越普遍的應(yīng)用，用戶對于其可靠性及動作精度的要求也越來越高，要求其在設(shè)定的動作轉(zhuǎn)速時準(zhǔn)確動作，實現(xiàn)機組的事故停機，不能出現(xiàn)超出規(guī)定范圍的動作提前或者滯后。
2.機械過速保護裝置的工作原理
目前，廣泛使用的機械過速保護裝置大都采用了離心飛逸式結(jié)構(gòu)。較為先進的離心飛逸式機械過速保護裝置一般由離心飛擺、 觸發(fā)機構(gòu)和液壓控制閥組幾個部分構(gòu)成。
離心飛擺是整定動作轉(zhuǎn)速的部件。目前，較為先進的離心飛擺均采用了彈簧預(yù)壓縮的方式。離心飛擺的彈簧通過螺母進行壓縮實現(xiàn)預(yù)緊，這個預(yù)緊力的大小略小于機械過速保護裝置設(shè)定動作轉(zhuǎn)速時的預(yù)緊力。這樣當(dāng)機組接近動作轉(zhuǎn)速時，離心飛擺克服預(yù)緊力向外運動，當(dāng)向外運動量達到和超過飛擺與脫扣式觸發(fā)機構(gòu)之間的間隙時，觸動觸發(fā)機構(gòu)，進而帶動液壓閥組切換工作油路，實現(xiàn)事故停機。
這種飛擺的優(yōu)點是非常明顯的，離心重塊只是在轉(zhuǎn)速接近于設(shè)定轉(zhuǎn)速時才會向外運動，幾乎是在過速瞬間甩出，其它時候彈簧是沒有伸縮運動的，不會產(chǎn)生疲勞。
預(yù)壓緊式離心飛擺結(jié)構(gòu)
3.安裝間隙對于機械過速保護裝置的影響
從上述機械過速保護裝置原理，安裝間隙整定值是在工廠整定機械過速保護裝置的基準(zhǔn)值，理想狀況下，在實際機組上只要將安裝間隙調(diào)整得與該整定值一致，便可以實現(xiàn)在整定轉(zhuǎn)速下的動作。
但是真實情況下，由于安裝誤差和大軸擺動等因素，安裝間隙與整定值之間存在誤差是難以避免的：我們可以看出對于離心飛逸式機械過速保護裝置從飛擺重塊向外運動到重塊撞擊觸發(fā)機構(gòu)之間間距即彈簧的變形量L，這個彈簧變形量必然對應(yīng)了兩個不同轉(zhuǎn)速的離心力，也就是說對于同一臺機械過速保護裝置來說，安裝間隙的大小會改變動作轉(zhuǎn)速值。而對于一臺在工廠內(nèi)按照某一規(guī)定間隙整定動作轉(zhuǎn)速的機械過速保護裝置，現(xiàn)場安裝間隙的改變會改變動作值：安裝間隙增大，會使得動作轉(zhuǎn)速值高于工廠設(shè)定值；安裝間隙減小會使得動作轉(zhuǎn)速值低于工廠設(shè)定值。
因此，有必要經(jīng)常會有技術(shù)人員有這樣的疑慮，既然安裝間隙的改變會改變機械過速保護裝置的動作值，那么把安裝間隙的整定值設(shè)定得更大一些是不是對于安裝誤差或者說大軸擺動造成的動作誤差會更小？
直觀的分析很多人都會得出這樣的結(jié)論，對于一臺動作值確定的機械過速保護裝置，安裝間隙整定值更大，對于同樣大小的大軸擺度形成的誤差會更小。比如說0.3mm的擺動，對于1.5mm來說，是20%，對于3.0mm來說是10%，那么造成的誤差會差一倍？
我們從理論上計算一下大軸擺動所造成的誤差：
假設(shè)大軸擺動值為Δx，那么大軸擺動對應(yīng)安裝間隙的變化值也為Δx，飛擺彈簧的彈性系數(shù)為k，那么根據(jù)胡克定律，對于這個安裝間隙改變量所對應(yīng)的彈簧力變化ΔF=k*Δx，我們可以計算出這個安裝間隙變化值對應(yīng)的動作轉(zhuǎn)速變化量：
我們設(shè)定機械過速保護裝置的動作轉(zhuǎn)速為ω0,大軸上安裝的飛擺重塊旋轉(zhuǎn)半徑為r，離心飛擺重塊質(zhì)量為m，根據(jù)離心力公式，過速動作時，離心力F1=mω02r。
當(dāng)大軸擺動時，機械過速保護裝置的動作轉(zhuǎn)速變?yōu)?omega;1，大軸上安裝的飛擺重塊旋轉(zhuǎn)半徑變化量Δx相對于r來說可以忽略不計，仍然記為r，離心力F2= mω12r。
這兩個離心力的變化量與彈簧力的變化相等，就等于ΔF，那么
k*Δx= mω02r- mω12r
從這個公式中，我們看到對于固定的彈簧彈性系數(shù)k、離心飛擺重塊質(zhì)量m、機組機械過速飛擺安裝半徑r這些定值來說這個偏移的動作轉(zhuǎn)速ω1僅僅與大軸的擺動值大小有關(guān)，與飛擺與脫扣器觸發(fā)機構(gòu)的整定間隙值毫無關(guān)系。
4.安裝間隙整定值大小對于安裝誤差的影響
更大的間隙對于安裝的準(zhǔn)確性是否有利呢？從測量技術(shù)的角度來說，誤差的產(chǎn)生和測量物體的大小、長短是毫無關(guān)系的，我們用同樣精度的一把尺測量間隙或者長度，無論是測量1mm還是1000mm，都不可能減小測量的絕對誤差，能減小的只是相對誤差，而上面的分析推算已經(jīng)證明，相對誤差的大小對于動作值的偏差毫無關(guān)系。
5.結(jié)論
安裝間隙整定值只是工廠整定的標(biāo)準(zhǔn)安裝間隙值，現(xiàn)場安裝和工廠整定盡可能一致，如果我們在工廠加大安裝間隙，在現(xiàn)場也同樣的加大安裝間隙便可以了，僅僅依靠在工廠把間隙加大的辦法，是不能解決大軸擺動和安裝誤差因素對于機械過速保護裝置帶來的誤差的。
通過以上分析我們可以得出這樣的結(jié)論：安裝間隙整定值僅僅是機械過速保護裝置的工廠整定標(biāo)準(zhǔn)值，盡管改變安裝間隙會改變機械過速保護裝置的動作值，但安裝間隙整定值大小對于大軸擺動和安裝誤差造成的偏差是沒有任何關(guān)系的，加大安裝間隙整定值對于減小大軸擺動和安裝誤差造成的動作偏差毫無意義。
我們也利用仿真試驗證實了我們的這一觀點，我們分別在安裝間隙整定值為1.5mm和3.0mm下，連續(xù)10次進行機械仿真試驗，結(jié)果證明兩個對比組誤差無顯著差異。
參考文獻：
【1】義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書：物理，課程教材研究所 物理課程教材研究開發(fā)中心 編著，人民教育出版社
【2】ALSTOM機械過速保護裝置產(chǎn)品手冊，武漢安施通電氣有限公司
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