焊接波纹管式温控阀的设计和试验研究

0 引言

齿轮箱作为风电机组的关键部件， 其可靠性直接关系着风电机组的稳定运行[1]。 风机齿轮箱的正常运行要求润滑油油温控制在40～60 ℃。 当润滑油油温过低时，润滑油的粘度较高，流动性变差；而油温过高时，过热膨胀会破坏零件的正常配合间隙，导致油膜变薄，机械磨损增加，甚至会导致轴承干磨烧毁[2]。 在风电机组故障中，齿轮箱故障占15%～20%[3]，在齿轮箱故障中，轴承高温故障约占48%。 温控换向阀失效，部分流量不经过散热器而直接回到齿轮箱， 会导致齿轮箱内温度升高[4]。 当前使用的温控阀主要采用橡胶囊和推杆结构，利用石蜡膨胀挤压橡胶囊，橡胶囊推动推杆运动。 在使用过程中，橡胶囊会逐渐疲劳老化，同时润滑油中存在的细小金属碎屑会加速橡胶囊的损坏，导致石蜡泄露，致使温控阀失去调节能力。在风机行业，温控阀的使用寿命约为3 万次，平均使用寿命为2～3 a，短则半年，已经逐渐无法满足风机齿轮箱润滑冷却系统的使用要求[5]。

为解决橡胶囊式温控阀存在的寿命短、 使用成本高等问题，文献[6]提出了利用单向阀代替橡胶囊式温控阀，取得了良好运行效果。本文提出了一种基于石蜡相变的焊接波纹管式温控阀， 创造性地引入焊接波纹管技术， 从而大幅度提高了密封可靠性，同时焊接波纹管自身作为运动部件，避免了橡胶囊式温控阀中的摩擦泄露问题， 能有效提升温控阀的使用寿命。 本文通过合理设计调节弹簧、填充蜂窝铝材料强化石蜡相变过程，对温控阀动作特性、响应速度进行了优化，完成了温控阀样机的设计及制造，最后，通过实际挂机测试，验证了波纹管式温控阀的可靠性及通用性。

1 焊接波纹管式温控阀结构

焊接波纹管式温控阀的最大特点在于焊接波纹管技术的引入。焊接金属波纹管具有可压缩、拉伸、弯曲等特性，同时具有耐高温高压、耐腐蚀、密封性能好、寿命长等优点[7]。 焊接波纹管的动作寿命通常在百万次以上[8]，可大幅度提高温控阀的使用寿命。 焊接波纹管式温控阀的结构见图1。

图1 焊接波纹管式温控阀结构
Fig.1 Structure of welded bellows temperature control valve

焊接波纹管式温控阀的阀芯由底部储蜡腔、焊接波纹管和顶部推杆共同组成。 阀芯为温控阀的动作部件，控制着温控阀的开启与关闭。焊接波纹管式温控阀整体由阀芯加阀体共同组成。

焊接波纹管式温控阀的工作原理如图2 所示。 当风机功率增大时，润滑油油温会逐渐升高，储存在储蜡腔和焊接波纹管内的石蜡受热膨胀，焊接波纹管逐渐伸长，压缩调节弹簧，从而推动阀门开启冷却通道。当风机功率降低时，润滑油油温逐渐降低，石蜡逐渐冷却凝固，在凝固体积缩小过程中，调节弹簧推动阀门逐渐关闭，直到石蜡完全凝固，阀门完全关闭。

图2 焊接波纹管式温控阀工作原理
Fig.2 Working principle of welded bellows temperature control valve

1-套筒；2-储蜡腔；3-调节弹簧；4-外壳导轨；5-焊接波纹管；6-阀体

与现有的橡胶囊式温控阀相比， 焊接波纹管式温控阀有以下优势。

①橡胶囊式温控阀是摩擦挤压运动， 而焊接波纹管是弹簧伸缩式运动。焊接波纹管的引入，能有效解决由于推杆运动及橡胶囊老化损坏所带来的石蜡密封难题。

②焊接波纹管内直接填充石蜡， 石蜡融化产生液压力直接作用在波纹管上， 无需经过橡胶囊进行二次转换，简化了传动机构，阀门设计更加精确。

③由于密封问题的解决， 使用寿命得到大幅度提升。

2 感温材料制备

焊接波纹管式温控阀作为自力式温控阀，完全依靠感温材料而动作，因此，感温材料是决定温控阀性能的重要因素。 石蜡是固态高级烷烃的混合物， 主要成分的分子式为CnH2n+2， 其中n=17～35，主要组分为直链烷烃。在石蜡由固态融化为液态的相变过程中， 体积膨胀率通常为10%～13%，在环境压力不大于0.36 MPa 的情况下，石蜡膨胀率受外部压力影响不显著[9]。 因此，石蜡本身的膨胀可为温控阀提供足够的驱动力；另一方面，石蜡具有不同熔点可供选择， 且熔点受压力影响亦较小。 然而，单组分石蜡熔点范围较窄，无法满足温控阀的温度与行程对应要求， 且现有石蜡硬度较大，导致调节弹簧弹力较大，可能造成波片变形或受损，进而影响温控阀使用寿命。本文以石蜡为基础，加入适量低沸点溶剂对石蜡进行改性，从而制做感温材料， 一方面可以扩大温度-体积变化的响应范围，从而满足温控阀温度-行程要求，另一方面可以有效降低石蜡的硬度， 降低调节弹簧弹力，提高波纹管式温控阀的使用寿命。

3 调节弹簧的设计

3.1 调节弹簧工作原理

焊接波纹管式温控阀的开启和关闭过程就是感温材料受热膨胀力与调节弹簧预紧力及压缩力相互作用的平衡过程[10]。 焊接波纹管作为可伸缩部件，在对其进行受力分析时，其自身弹力应考虑在内，因此，当焊接波纹管式温控阀处于升温开启状态，开启行程为Δx 时，此时温控阀处于平衡状态，对其受力分析得：

焊接波纹管具有抗压不抗拉的特性， 为最大限度保护焊接波纹管，提高其使用寿命，应使焊接波纹管在工作状态下始终处于被压缩状态， 到达满行程时，焊接波纹管刚好处于自由长度。 因此，在式（1）中，融化膨胀力与焊接波纹管弹力共同作为驱动力，当驱动力大于弹簧预紧力、摩擦力以及由于温控阀行程开启而压缩弹簧产生的弹力之和时，温控阀开启。在式（2）中，温控阀处于降温关闭状态，石蜡融化膨胀力为0，须要由弹簧预紧力及弹簧压缩弹力共同克服焊接波纹管弹力和摩擦力，温控阀方能回复到零行程处。 因此，调节弹簧预紧力及刚度是设计弹簧的重要参数。

3.2 调节弹簧刚度与预紧力设计试验

为确定调节弹簧的设计参数， 进行了不同刚度和预紧力下的焊接波纹管式温控阀的行程测试试验。 预紧力测量装置如图3 所示。

图3 温控阀性能测试台
Fig.3 Testing stand for bellows temperature control valve performance

通过改变调节弹簧， 测量温控阀恢复零行程所需最小预紧力。实验过程中，恒温水浴槽水温逐渐升高至60 ℃，随后逐渐降低恒温槽水温，温控阀内的石蜡逐渐凝固收缩，在调节弹簧的作用下，其行程逐渐降低，记录其行程变化。从实验结果中得出：当预紧力小于40 N 时，温控阀无法回到零行程位置，表明此时所需预紧力不足；当预紧力大于40 N 时，温控阀能回复到零行程处。 调节弹簧预紧力越小越好，在升温状态下，石蜡膨胀驱动力克服调节弹簧预紧力将会越小， 对焊接波纹管波片损伤最小。因此，选择40 N 为调节弹簧预紧力。

刚度试验中， 弹簧预紧力均保持在40 N，通过改变调节弹簧刚度进行试验。 恒温水浴槽水温从30 ℃逐渐上升至60 ℃， 然后逐步降温至30℃，每隔5 ℃作为一个记录点，记录整个过程中温控阀在不同温度下的阀芯开度，结果如图4 所示。

图4 不同刚度调节弹簧温度-行程
Fig.4 Schematic diagram of temperature-stroke of springs with different stiffness

由图4 可知： 在温控阀开启过程中， 刚度为0.5 N/mm 和1 N/mm 的两种调节弹簧的表现基本相同，温控阀行程达到设计要求；采用刚度为5 N/mm 的调节弹簧时，温控阀开启行程明显降低，此时弹簧弹力过大，导致波纹管发生失稳，表明调节弹簧刚度过高将严重损害温控阀的寿命。 调节弹簧刚度过低，则会导致弹簧长度过长，致使安装较为不便，同时稳定性较差，因此调节弹簧长度应保持较小，相对刚度应较大。本文最终确定调节弹簧预紧力为40 N，刚度为1 N/mm。 根据弹簧设计手册，设计了表1 所示的调节弹簧参数。

表1 调节弹簧设计参数
Table 1 Adjusting spring design parameters

4 焊接波纹管式温控阀响应速度优化

4.1 响应速度优化原理

温控阀响应速度是评价温控阀性能的重要指标，响应速度应尽可能快，以提高调控精度。 焊接波纹管式温控阀的动作原理是阀芯内填充的石蜡融化与凝固， 因此其响应速度直接取决于相变过程的进行速度。强化石蜡传热主要有两种方法，一是在低导热系数石蜡材料内添加高导热系数的颗粒来制备复合相变材料，二是增大石蜡换热面积，如添加金属翅片和构建泡沫金属骨架等[11]。 由于高导热系数颗粒容易进入焊接波纹管波片之间，当焊接波纹管动作时，易发生卡壳，给温控阀的正常运行带来风险。因此，本文采用增大石蜡换热面积的方法，即通过填充蜂窝铝材料，强化阀芯内石蜡换热，优化温控阀的响应速度。

4.2 响应速度优化实验

焊接温控阀填充材料采用圆柱形蜂窝铝，内部开孔为正六边形，边长为1.83 mm，壁厚为0.07 mm，通过改变圆柱形蜂窝铝高度来改变换热接触面积，此次实验共测试4 种不同温控阀。实验测试焊接波纹管式温控阀的调节弹簧采用表1 所示的调节弹簧， 橡胶囊式温控阀采用其生产厂商提供的调节弹簧， 以确保能够模拟各温控阀的实际工况。 实验中响应速度以水浴温度为60 ℃时，各温控阀达到完全开启的时间来评价。实验时，恒温水浴槽水温保持在60 ℃，分别记录各温控阀到达指定行程下的动作时间（图5）。

图5 60 ℃下不同温控阀的响应速度
Fig.5 Response speed of different temperature control valves at 60 ℃

由图5 可知： 未填充铝质骨架的温控阀的响应速度最慢，到达10 mm 行程的时间为220 s；蜂窝铝高度为6.75 mm 的温控阀到达10 mm 行程的时间为198 s；蜂窝铝高度为13.5 mm 的温控阀到达10 mm 行程的时间为150 s， 表明蜂窝铝的填充大大强化了石蜡的导热能力； 橡胶囊式温控阀在初期开始时，其响应速度较快，而当50 s 后，两条曲线基本平行， 焊接波纹管式温控阀略快于橡胶囊式温控阀， 这主要得益于铝质蜂窝铝的填充以及前文提到的石蜡改性， 通过低沸点溶剂的加入降低了石蜡的相变焓值。

通过石蜡改性及蜂窝铝的填充， 焊接波纹管式温控阀的响应速度基本达到橡胶囊式温控阀的响应速度，且两者曲线相似，表明焊接波纹管式温控阀在实际使用中能实现对橡胶囊式温控阀的有效替代，而无需其它配套的技术改造。

5 实际挂机试验

为进一步验证焊接波纹管式温控阀的实际使用效果，在甘肃某风场进行了实际挂机试验。试验选择了同一区域内的2 台风电机组，1 号风电机组在2019 年12 月以前使用橡胶囊式温控阀，在其失效后，更换焊接波纹管式温控阀。2 号风电机组使用橡胶囊式温控阀，据风场工作监测，2 号机组一直处于正常工作状态下。

图6 为1 号风电机组的润滑油油温运行状况，图7 为2 号风电机组的润滑油油温运行状况。

图6 1 号风电机组的润滑油油温运行状况
Fig.6 Oil temperature running condition per minute about NO.1 wind turbines

图7 2 号风电机组的润滑油油温运行状况
Fig.7 Oil temperature running condition per minute about NO.2 wind turbines

由图6，7 可知：在2019 年12 月以前，1 号风电机组润滑油油温经常超过60 ℃，对比图7 中2号机组的表现情况，表明此时温控阀已经发生损坏；12 月2 日，1 号风电机组更换焊接波纹管式温控阀后，润滑油最高油温下降到60 ℃以下的安全区间内。挂机试验表明，焊接波纹管式温控阀调节弹簧设计合理，响应速度经优化后，性能要求完全符合风机润滑油机组的控温要求， 焊接波纹管式温控阀在功能上能够完全代替现有的橡胶囊式温控阀。

6 结论

本文针对风电机组中使用的橡胶囊式温控阀使用寿命短、综合使用成本高等问题，设计制造了一种新型焊接波纹管式温控阀， 并设计了相适应的调节弹簧，提高了温控阀的响应速度，并进行了实际挂机试验，得到以下结论。

①通过引用焊接波纹管技术， 有效解决了传统囊式温控阀的石蜡泄露、寿命短等问题。

②通过对石蜡进行改性， 有效降低了石蜡硬度和相变焓，满足了焊接波纹管的使用要求。石蜡改性结合铝质骨架的填充， 提高了温控阀的响应速度，满足了风机的控温需求。

③针对焊接波纹管式温控阀进行了实际挂机试验，试验结果表明，该温控阀可直接替换原有橡胶囊式温控阀， 且无需其它配套改造成本， 更换后，风机运行正常，满足润滑油的油温调节。