廖博文， 李金京， 全曉軍

（上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240）

0 引言

齒輪箱作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件， 其可靠性直接關(guān)系著風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。 風(fēng)機(jī)齒輪箱的正常運(yùn)行要求潤(rùn)滑油油溫控制在40～60 ℃。 當(dāng)潤(rùn)滑油油溫過低時(shí)，潤(rùn)滑油的粘度較高，流動(dòng)性變差；而油溫過高時(shí)，過熱膨脹會(huì)破壞零件的正常配合間隙，導(dǎo)致油膜變薄，機(jī)械磨損增加，甚至?xí)?dǎo)致軸承干磨燒毀[2]。 在風(fēng)電機(jī)組故障中，齒輪箱故障占15%～20%[3]，在齒輪箱故障中，軸承高溫故障約占48%。 溫控?fù)Q向閥失效，部分流量不經(jīng)過散熱器而直接回到齒輪箱， 會(huì)導(dǎo)致齒輪箱內(nèi)溫度升高[4]。 當(dāng)前使用的溫控閥主要采用橡膠囊和推桿結(jié)構(gòu)，利用石蠟膨脹擠壓橡膠囊，橡膠囊推動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)。 在使用過程中，橡膠囊會(huì)逐漸疲勞老化，同時(shí)潤(rùn)滑油中存在的細(xì)小金屬碎屑會(huì)加速橡膠囊的損壞，導(dǎo)致石蠟泄露，致使溫控閥失去調(diào)節(jié)能力。在風(fēng)機(jī)行業(yè)，溫控閥的使用壽命約為3 萬次，平均使用壽命為2～3 a，短則半年，已經(jīng)逐漸無法滿足風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的使用要求[5]。

為解決橡膠囊式溫控閥存在的壽命短、 使用成本高等問題，文獻(xiàn)[6]提出了利用單向閥代替橡膠囊式溫控閥，取得了良好運(yùn)行效果。本文提出了一種基于石蠟相變的焊接波紋管式溫控閥， 創(chuàng)造性地引入焊接波紋管技術(shù)， 從而大幅度提高了密封可靠性，同時(shí)焊接波紋管自身作為運(yùn)動(dòng)部件，避免了橡膠囊式溫控閥中的摩擦泄露問題， 能有效提升溫控閥的使用壽命。 本文通過合理設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)彈簧、填充蜂窩鋁材料強(qiáng)化石蠟相變過程，對(duì)溫控閥動(dòng)作特性、響應(yīng)速度進(jìn)行了優(yōu)化，完成了溫控閥樣機(jī)的設(shè)計(jì)及制造，最后，通過實(shí)際掛機(jī)測(cè)試，驗(yàn)證了波紋管式溫控閥的可靠性及通用性。

1 焊接波紋管式溫控閥結(jié)構(gòu)

焊接波紋管式溫控閥的最大特點(diǎn)在于焊接波紋管技術(shù)的引入。焊接金屬波紋管具有可壓縮、拉伸、彎曲等特性，同時(shí)具有耐高溫高壓、耐腐蝕、密封性能好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[7]。 焊接波紋管的動(dòng)作壽命通常在百萬次以上[8]，可大幅度提高溫控閥的使用壽命。 焊接波紋管式溫控閥的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 焊接波紋管式溫控閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of welded bellows temperature control valve

焊接波紋管式溫控閥的閥芯由底部?jī)?chǔ)蠟腔、焊接波紋管和頂部推桿共同組成。 閥芯為溫控閥的動(dòng)作部件，控制著溫控閥的開啟與關(guān)閉。焊接波紋管式溫控閥整體由閥芯加閥體共同組成。

焊接波紋管式溫控閥的工作原理如圖2 所示。 當(dāng)風(fēng)機(jī)功率增大時(shí)，潤(rùn)滑油油溫會(huì)逐漸升高，儲(chǔ)存在儲(chǔ)蠟腔和焊接波紋管內(nèi)的石蠟受熱膨脹，焊接波紋管逐漸伸長(zhǎng)，壓縮調(diào)節(jié)彈簧，從而推動(dòng)閥門開啟冷卻通道。當(dāng)風(fēng)機(jī)功率降低時(shí)，潤(rùn)滑油油溫逐漸降低，石蠟逐漸冷卻凝固，在凝固體積縮小過程中，調(diào)節(jié)彈簧推動(dòng)閥門逐漸關(guān)閉，直到石蠟完全凝固，閥門完全關(guān)閉。

圖2 焊接波紋管式溫控閥工作原理Fig.2 Working principle of welded bellows temperature control valve

與現(xiàn)有的橡膠囊式溫控閥相比， 焊接波紋管式溫控閥有以下優(yōu)勢(shì)。

①橡膠囊式溫控閥是摩擦擠壓運(yùn)動(dòng)， 而焊接波紋管是彈簧伸縮式運(yùn)動(dòng)。焊接波紋管的引入，能有效解決由于推桿運(yùn)動(dòng)及橡膠囊老化損壞所帶來的石蠟密封難題。

②焊接波紋管內(nèi)直接填充石蠟， 石蠟融化產(chǎn)生液壓力直接作用在波紋管上， 無需經(jīng)過橡膠囊進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，閥門設(shè)計(jì)更加精確。

③由于密封問題的解決， 使用壽命得到大幅度提升。

2 感溫材料制備

焊接波紋管式溫控閥作為自力式溫控閥，完全依靠感溫材料而動(dòng)作，因此，感溫材料是決定溫控閥性能的重要因素。 石蠟是固態(tài)高級(jí)烷烴的混合物， 主要成分的分子式為CnH2n+2， 其中n=17～35，主要組分為直鏈烷烴。在石蠟由固態(tài)融化為液態(tài)的相變過程中， 體積膨脹率通常為10%～13%，在環(huán)境壓力不大于0.36 MPa 的情況下，石蠟膨脹率受外部壓力影響不顯著[9]。 因此，石蠟本身的膨脹可為溫控閥提供足夠的驅(qū)動(dòng)力；另一方面，石蠟具有不同熔點(diǎn)可供選擇， 且熔點(diǎn)受壓力影響亦較小。 然而，單組分石蠟熔點(diǎn)范圍較窄，無法滿足溫控閥的溫度與行程對(duì)應(yīng)要求， 且現(xiàn)有石蠟硬度較大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)彈簧彈力較大，可能造成波片變形或受損，進(jìn)而影響溫控閥使用壽命。本文以石蠟為基礎(chǔ)，加入適量低沸點(diǎn)溶劑對(duì)石蠟進(jìn)行改性，從而制做感溫材料， 一方面可以擴(kuò)大溫度-體積變化的響應(yīng)范圍，從而滿足溫控閥溫度-行程要求，另一方面可以有效降低石蠟的硬度， 降低調(diào)節(jié)彈簧彈力，提高波紋管式溫控閥的使用壽命。

3 調(diào)節(jié)彈簧的設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)節(jié)彈簧工作原理

焊接波紋管式溫控閥的開啟和關(guān)閉過程就是感溫材料受熱膨脹力與調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力及壓縮力相互作用的平衡過程[10]。 焊接波紋管作為可伸縮部件，在對(duì)其進(jìn)行受力分析時(shí)，其自身彈力應(yīng)考慮在內(nèi)，因此，當(dāng)焊接波紋管式溫控閥處于升溫開啟狀態(tài)，開啟行程為Δx 時(shí)，此時(shí)溫控閥處于平衡狀態(tài)，對(duì)其受力分析得：

焊接波紋管具有抗壓不抗拉的特性， 為最大限度保護(hù)焊接波紋管，提高其使用壽命，應(yīng)使焊接波紋管在工作狀態(tài)下始終處于被壓縮狀態(tài)， 到達(dá)滿行程時(shí)，焊接波紋管剛好處于自由長(zhǎng)度。 因此，在式（1）中，融化膨脹力與焊接波紋管彈力共同作為驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于彈簧預(yù)緊力、摩擦力以及由于溫控閥行程開啟而壓縮彈簧產(chǎn)生的彈力之和時(shí)，溫控閥開啟。在式（2）中，溫控閥處于降溫關(guān)閉狀態(tài)，石蠟融化膨脹力為0，須要由彈簧預(yù)緊力及彈簧壓縮彈力共同克服焊接波紋管彈力和摩擦力，溫控閥方能回復(fù)到零行程處。 因此，調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力及剛度是設(shè)計(jì)彈簧的重要參數(shù)。

3.2 調(diào)節(jié)彈簧剛度與預(yù)緊力設(shè)計(jì)試驗(yàn)

為確定調(diào)節(jié)彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)， 進(jìn)行了不同剛度和預(yù)緊力下的焊接波紋管式溫控閥的行程測(cè)試試驗(yàn)。 預(yù)緊力測(cè)量裝置如圖3 所示。

圖3 溫控閥性能測(cè)試臺(tái)Fig.3 Testing stand for bellows temperature control valve performance

通過改變調(diào)節(jié)彈簧， 測(cè)量溫控閥恢復(fù)零行程所需最小預(yù)緊力。實(shí)驗(yàn)過程中，恒溫水浴槽水溫逐漸升高至60 ℃，隨后逐漸降低恒溫槽水溫，溫控閥內(nèi)的石蠟逐漸凝固收縮，在調(diào)節(jié)彈簧的作用下，其行程逐漸降低，記錄其行程變化。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出：當(dāng)預(yù)緊力小于40 N 時(shí)，溫控閥無法回到零行程位置，表明此時(shí)所需預(yù)緊力不足；當(dāng)預(yù)緊力大于40 N 時(shí)，溫控閥能回復(fù)到零行程處。 調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力越小越好，在升溫狀態(tài)下，石蠟膨脹驅(qū)動(dòng)力克服調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力將會(huì)越小， 對(duì)焊接波紋管波片損傷最小。因此，選擇40 N 為調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力。

剛度試驗(yàn)中， 彈簧預(yù)緊力均保持在40 N，通過改變調(diào)節(jié)彈簧剛度進(jìn)行試驗(yàn)。 恒溫水浴槽水溫從30 ℃逐漸上升至60 ℃， 然后逐步降溫至30℃，每隔5 ℃作為一個(gè)記錄點(diǎn)，記錄整個(gè)過程中溫控閥在不同溫度下的閥芯開度，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同剛度調(diào)節(jié)彈簧溫度-行程Fig.4 Schematic diagram of temperature-stroke of springs with different stiffness

由圖4 可知： 在溫控閥開啟過程中， 剛度為0.5 N/mm 和1 N/mm 的兩種調(diào)節(jié)彈簧的表現(xiàn)基本相同，溫控閥行程達(dá)到設(shè)計(jì)要求；采用剛度為5 N/mm 的調(diào)節(jié)彈簧時(shí)，溫控閥開啟行程明顯降低，此時(shí)彈簧彈力過大，導(dǎo)致波紋管發(fā)生失穩(wěn)，表明調(diào)節(jié)彈簧剛度過高將嚴(yán)重?fù)p害溫控閥的壽命。 調(diào)節(jié)彈簧剛度過低，則會(huì)導(dǎo)致彈簧長(zhǎng)度過長(zhǎng)，致使安裝較為不便，同時(shí)穩(wěn)定性較差，因此調(diào)節(jié)彈簧長(zhǎng)度應(yīng)保持較小，相對(duì)剛度應(yīng)較大。本文最終確定調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力為40 N，剛度為1 N/mm。 根據(jù)彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)，設(shè)計(jì)了表1 所示的調(diào)節(jié)彈簧參數(shù)。

表1 調(diào)節(jié)彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Adjusting spring design parameters

4 焊接波紋管式溫控閥響應(yīng)速度優(yōu)化

4.1 響應(yīng)速度優(yōu)化原理

溫控閥響應(yīng)速度是評(píng)價(jià)溫控閥性能的重要指標(biāo)，響應(yīng)速度應(yīng)盡可能快，以提高調(diào)控精度。 焊接波紋管式溫控閥的動(dòng)作原理是閥芯內(nèi)填充的石蠟融化與凝固， 因此其響應(yīng)速度直接取決于相變過程的進(jìn)行速度。強(qiáng)化石蠟傳熱主要有兩種方法，一是在低導(dǎo)熱系數(shù)石蠟材料內(nèi)添加高導(dǎo)熱系數(shù)的顆粒來制備復(fù)合相變材料，二是增大石蠟換熱面積，如添加金屬翅片和構(gòu)建泡沫金屬骨架等[11]。 由于高導(dǎo)熱系數(shù)顆粒容易進(jìn)入焊接波紋管波片之間，當(dāng)焊接波紋管動(dòng)作時(shí)，易發(fā)生卡殼，給溫控閥的正常運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文采用增大石蠟換熱面積的方法，即通過填充蜂窩鋁材料，強(qiáng)化閥芯內(nèi)石蠟換熱，優(yōu)化溫控閥的響應(yīng)速度。

4.2 響應(yīng)速度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

焊接溫控閥填充材料采用圓柱形蜂窩鋁，內(nèi)部開孔為正六邊形，邊長(zhǎng)為1.83 mm，壁厚為0.07 mm，通過改變圓柱形蜂窩鋁高度來改變換熱接觸面積，此次實(shí)驗(yàn)共測(cè)試4 種不同溫控閥。實(shí)驗(yàn)測(cè)試焊接波紋管式溫控閥的調(diào)節(jié)彈簧采用表1 所示的調(diào)節(jié)彈簧， 橡膠囊式溫控閥采用其生產(chǎn)廠商提供的調(diào)節(jié)彈簧， 以確保能夠模擬各溫控閥的實(shí)際工況。 實(shí)驗(yàn)中響應(yīng)速度以水浴溫度為60 ℃時(shí)，各溫控閥達(dá)到完全開啟的時(shí)間來評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，恒溫水浴槽水溫保持在60 ℃，分別記錄各溫控閥到達(dá)指定行程下的動(dòng)作時(shí)間（圖5）。

圖5 60 ℃下不同溫控閥的響應(yīng)速度Fig.5 Response speed of different temperature control valves at 60 ℃

由圖5 可知： 未填充鋁質(zhì)骨架的溫控閥的響應(yīng)速度最慢，到達(dá)10 mm 行程的時(shí)間為220 s；蜂窩鋁高度為6.75 mm 的溫控閥到達(dá)10 mm 行程的時(shí)間為198 s；蜂窩鋁高度為13.5 mm 的溫控閥到達(dá)10 mm 行程的時(shí)間為150 s， 表明蜂窩鋁的填充大大強(qiáng)化了石蠟的導(dǎo)熱能力； 橡膠囊式溫控閥在初期開始時(shí)，其響應(yīng)速度較快，而當(dāng)50 s 后，兩條曲線基本平行， 焊接波紋管式溫控閥略快于橡膠囊式溫控閥， 這主要得益于鋁質(zhì)蜂窩鋁的填充以及前文提到的石蠟改性， 通過低沸點(diǎn)溶劑的加入降低了石蠟的相變焓值。

通過石蠟改性及蜂窩鋁的填充， 焊接波紋管式溫控閥的響應(yīng)速度基本達(dá)到橡膠囊式溫控閥的響應(yīng)速度，且兩者曲線相似，表明焊接波紋管式溫控閥在實(shí)際使用中能實(shí)現(xiàn)對(duì)橡膠囊式溫控閥的有效替代，而無需其它配套的技術(shù)改造。

5 實(shí)際掛機(jī)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證焊接波紋管式溫控閥的實(shí)際使用效果，在甘肅某風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際掛機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇了同一區(qū)域內(nèi)的2 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，1 號(hào)風(fēng)電機(jī)組在2019 年12 月以前使用橡膠囊式溫控閥，在其失效后，更換焊接波紋管式溫控閥。2 號(hào)風(fēng)電機(jī)組使用橡膠囊式溫控閥，據(jù)風(fēng)場(chǎng)工作監(jiān)測(cè)，2 號(hào)機(jī)組一直處于正常工作狀態(tài)下。

圖6 為1 號(hào)風(fēng)電機(jī)組的潤(rùn)滑油油溫運(yùn)行狀況，圖7 為2 號(hào)風(fēng)電機(jī)組的潤(rùn)滑油油溫運(yùn)行狀況。

圖6 1 號(hào)風(fēng)電機(jī)組的潤(rùn)滑油油溫運(yùn)行狀況Fig.6 Oil temperature running condition per minute about NO.1 wind turbines

圖7 2 號(hào)風(fēng)電機(jī)組的潤(rùn)滑油油溫運(yùn)行狀況Fig.7 Oil temperature running condition per minute about NO.2 wind turbines

由圖6，7 可知：在2019 年12 月以前，1 號(hào)風(fēng)電機(jī)組潤(rùn)滑油油溫經(jīng)常超過60 ℃，對(duì)比圖7 中2號(hào)機(jī)組的表現(xiàn)情況，表明此時(shí)溫控閥已經(jīng)發(fā)生損壞；12 月2 日，1 號(hào)風(fēng)電機(jī)組更換焊接波紋管式溫控閥后，潤(rùn)滑油最高油溫下降到60 ℃以下的安全區(qū)間內(nèi)。掛機(jī)試驗(yàn)表明，焊接波紋管式溫控閥調(diào)節(jié)彈簧設(shè)計(jì)合理，響應(yīng)速度經(jīng)優(yōu)化后，性能要求完全符合風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑油機(jī)組的控溫要求， 焊接波紋管式溫控閥在功能上能夠完全代替現(xiàn)有的橡膠囊式溫控閥。

6 結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)電機(jī)組中使用的橡膠囊式溫控閥使用壽命短、綜合使用成本高等問題，設(shè)計(jì)制造了一種新型焊接波紋管式溫控閥， 并設(shè)計(jì)了相適應(yīng)的調(diào)節(jié)彈簧，提高了溫控閥的響應(yīng)速度，并進(jìn)行了實(shí)際掛機(jī)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

①通過引用焊接波紋管技術(shù)， 有效解決了傳統(tǒng)囊式溫控閥的石蠟泄露、壽命短等問題。

②通過對(duì)石蠟進(jìn)行改性， 有效降低了石蠟硬度和相變焓，滿足了焊接波紋管的使用要求。石蠟改性結(jié)合鋁質(zhì)骨架的填充， 提高了溫控閥的響應(yīng)速度，滿足了風(fēng)機(jī)的控溫需求。

③針對(duì)焊接波紋管式溫控閥進(jìn)行了實(shí)際掛機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該溫控閥可直接替換原有橡膠囊式溫控閥， 且無需其它配套改造成本， 更換后，風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，滿足潤(rùn)滑油的油溫調(diào)節(jié)。