呂以建，高建剛

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

通常水輪機轉(zhuǎn)輪的平衡采用“鋼球、鏡板式”的傳統(tǒng)辦法。當轉(zhuǎn)輪的重量超過200 t時，鋼球與鏡板的接觸點將會產(chǎn)生極高的應(yīng)力，而鋼球和鏡板的強度及硬度難以滿足這么高的應(yīng)力要求。這時，就會產(chǎn)生“凹坑”現(xiàn)象，導(dǎo)致摩擦力大增，以至嚴重影響平衡系統(tǒng)的靈敏度和精度。本文闡述的測桿應(yīng)變法從結(jié)構(gòu)上排除點接觸高應(yīng)力、排除摩擦力等影響平衡的不利因素，通過貼在測桿上的應(yīng)變片，可以精確地測量出由不平衡力矩產(chǎn)生的微應(yīng)變及方向的平衡方法，從而通過計算得出消除不平衡所需的重量及方位。這種方法是由加拿大GE公司最先采用的。以前曾與鋼球平衡試驗做了比較，證明測桿應(yīng)變法的平衡精度高于鋼球平衡精度。但山圖迪斯水電站軸流式轉(zhuǎn)輪(D1=10.4 m，G=250 t)尺寸大，重量超大，因此有必要進行研究。

1 基本參數(shù)

山圖迪斯水電站轉(zhuǎn)輪的靜平衡參數(shù)如下:

2 主要研究方法及內(nèi)容

2.1 水輪機轉(zhuǎn)輪靜平衡測桿設(shè)計

測桿是完成平衡試驗最關(guān)鍵的硬件(見圖1)。如何設(shè)計好測桿是保證平衡成功的關(guān)鍵。測桿的材質(zhì)應(yīng)選擇高強度合金鋼并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其毛坯件應(yīng)作化學分析和機械性能試驗。當達到該材質(zhì)的技術(shù)性能標準才可選用。測桿的尺寸公差及形位需嚴格控制，軸頸的粗糙度 Ra≤1.6 μm，并作無損探傷。測桿承受的應(yīng)力應(yīng)低于彈性極限。

測桿設(shè)計如下:

(3)應(yīng)變最小值

確定測桿直徑d=120 mm

允許殘余不平衡力矩T=175.62 N·m

應(yīng)變最小值ε =5.03 με

允許殘余不平衡應(yīng)力T'=2359.74 N·m

應(yīng)變最小值ε =67.5 με

(4)應(yīng)力計算

轉(zhuǎn)輪自重引起的應(yīng)力 σ1=216.8 MPa

配重位置外直徑 D外=3.52 m

配重位置內(nèi)直徑 D內(nèi)=3.51 m

配重的名義半徑 R=1.752 m

不平衡質(zhì)量估計值 M估計=200 kg

偏心應(yīng)力 σ2=20.3 MPa

總應(yīng)力 σ=237.0 MPa

(5)選擇測桿材料

40Cr σs=784 MPa n=3.31

45號鋼 σs=353 MPa n=1.49

35CrMo σs=834 MPa n=3.52

20Cr σs=539 MPa n=2.27

30Cr σs=686 MPa n=2.89

65Mn σs=431 MPa n=1.82

(6)小結(jié)

最后確定測桿材料為 35Cr或40Cr

測桿直徑為 D=120 mm

加配重的名義半徑為 R=1.752 m

1 kg力引起的應(yīng)變?yōu)?ε=0.49 με

計算彎矩時的系數(shù)為 N=62.5 r/min

彈性模量系數(shù) 3.5638 kg·m

2.2 平衡系統(tǒng)裝配工藝

(1)測桿貼應(yīng)變片。將測桿按圖紙要求進行加工后，劃十字中心線，然后按線每隔90°貼一個應(yīng)變片，共4片，高低保持一致，貼好后固定并加以防護。

圖1 測桿結(jié)構(gòu)尺寸圖(mm)

(2)將支座裝到平臺上調(diào)平，精度不大于0.02 mm/m，壓緊支墩后復(fù)查精度。將支承裝到支座上，檢測A、B面的平行度，精度不大于0.02 mm。將水平儀互成90°放置檢查B面的平度，其精度不大于0.02 mm/m。如果合格再將支承旋轉(zhuǎn)90°后再檢測B面與A面的平行度不大于0.02 mm/m。結(jié)合面處0.02 mm塞尺不得通過。見圖2。

圖2 平衡系統(tǒng)支承部分

(3)將測桿裝到支承上，檢查裝配精度。將定位套筒裝到測桿上，用M120螺母把緊，再與D面互成90°放置水平儀檢測D面的水平精度，0.03 mm/m為合格。如圖3。

圖3 測桿裝配(mm)

(4)轉(zhuǎn)輪裝配。將4個應(yīng)變片的導(dǎo)線引出，固定在支承上，并標出1、2、3、4四個等分點，根據(jù)應(yīng)變片接線法標出X－Y線。將轉(zhuǎn)輪、葉片裝配吊起，對正支承、測桿、定位套筒中心，慢慢落下，落在已放好的方箱和千斤頂上。將支承、測桿、定位套筒裝配一起吊起，裝到轉(zhuǎn)輪體內(nèi)，用8－M24 mm螺釘把緊。以已調(diào)平的支座中心為圓心，以R=2000 mm為半徑劃一圓，在此圓的內(nèi)切圓放4個等高的方箱，并在方箱上放置4個200 t油壓千斤頂，這4個油壓千斤頂是三峽轉(zhuǎn)輪平衡時用的，可以同步升降，若4個千斤頂不能同步升降，必須調(diào)成同步，4個千斤頂同步誤差為0.5 mm/1000 mm。將轉(zhuǎn)輪慢慢下落，支承的止口對準支座的止口慢慢落實后用千斤頂和墊鐵將轉(zhuǎn)輪體支牢。如圖4。

圖4 轉(zhuǎn)輪平衡系統(tǒng)裝配圖(mm)

2.3 平衡原理及電路設(shè)計

(1)平衡原理

本試驗采用測桿應(yīng)變法平衡轉(zhuǎn)輪，將轉(zhuǎn)輪安放在一塊裝有測桿的座板上，測桿固定在支墩頂端。轉(zhuǎn)輪的任何不平衡力矩將傳給測桿一彎曲力，通過貼在測桿上的應(yīng)變片，可以準確地測量上述彎曲力產(chǎn)生的微應(yīng)變及方向，通過計算就可以找出不平衡所需的重量及位置。

(2)電路設(shè)計

試驗采用的是電阻絲應(yīng)變片的測量方法，貼在測桿上的應(yīng)變片如圖5，共有4個應(yīng)變片J1、J2、J3、J4互成90°，經(jīng)防護處理后連接到轉(zhuǎn)換箱組成惠斯敏半橋電路如圖6，J1和J3組成電路通道1，J2和J4組成電路通道2。通道1為x向，通道2為y向。對于通道1，當在應(yīng)變儀上顯示數(shù)字為“+”時，表示J1為拉伸狀態(tài)，當顯示數(shù)字為“－”時，表示J3為拉伸狀態(tài);對于通道2，當在應(yīng)變儀上顯示數(shù)字為“+”時，表示J2為拉伸狀態(tài)，當顯示數(shù)字為“－”時，表示J4為拉伸狀態(tài)。連接好橋路后將轉(zhuǎn)換箱與YJD－27應(yīng)變儀連接，整個測量系統(tǒng)如圖7，利用手動計數(shù)的方法在測量中讀數(shù)。

圖5 應(yīng)變片位置圖

圖6 惠斯敏半橋電路通道

圖7 測量系統(tǒng)

測試所用儀器是YJD－27型應(yīng)變儀;YZ－22型轉(zhuǎn)換箱;應(yīng)變片型號是 R=120 Ω，K=2.14;其它輔助材料502膠、凡士林、導(dǎo)線等。

2.4 測桿法平衡試驗

按平衡工藝要求，將同步升降系統(tǒng)、測桿、轉(zhuǎn)輪及其他配件裝配好后，利用可同步升降的油壓千斤頂首先把轉(zhuǎn)輪緩慢升起，使測試系統(tǒng)調(diào)零。然后再緩慢下降轉(zhuǎn)輪，在升降過程中必須使升降系統(tǒng)保持同步，以避免由于轉(zhuǎn)輪傾斜撞擊測桿。直到千斤頂完全脫離轉(zhuǎn)輪下環(huán)平面為止。此時轉(zhuǎn)輪的重量完全作用在測桿上。根據(jù)應(yīng)變儀x、y的讀數(shù)(x為通道1的讀數(shù)，y為通道2的讀數(shù)，計量單位均為微應(yīng)變με)，計算實際應(yīng)變值ε'，與+x方向夾角θ，不平衡力矩M及配重P。加配重，逐漸逼近直至達到設(shè)計要求的殘留不平衡力矩為止。完成配重后，使轉(zhuǎn)輪與測桿脫離，檢查測桿的回零性是否正常。

具體配重過程如下，見圖7及表1。

(1)第1次試配:落下轉(zhuǎn)輪體，實測得到葉片外緣R2處需配重177 kg，方位角與X軸夾角為－10.95°;升起轉(zhuǎn)輪，測桿回零良好。

(2)第2次配重:重新落下轉(zhuǎn)輪體，實測得到葉片外緣R2處需配重183 kg，方位角與X軸夾角為－7.67°。

(3)在外緣R2方位角－7.67°的葉片外緣加重180 kg，測得 X 軸應(yīng)變由 520 με 變?yōu)?－ 140 με，表明配重過大，后減至140 kg，此時應(yīng)變?yōu)?10.3 με，已小于22.45 με 要求。

(4)按葉片外緣R2=5.2 m、140 kg的配重，換算到轉(zhuǎn)輪錐R1=1.72 m上，換算后的配重為420 kg。按此要求實際灌鉛。

(5)再次落下轉(zhuǎn)輪體，經(jīng)測得 ε'=15.6 με，轉(zhuǎn)輪殘留不平衡力矩為55.6 kg·m，已達到平衡精度要求。

(6)試驗結(jié)束后，把轉(zhuǎn)輪頂起使測桿不受力，復(fù)測測桿恢復(fù)零位證明測桿正常。

圖8 山圖迪斯轉(zhuǎn)輪平衡實測記錄

表1 山圖迪斯轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗實測記錄及計算

3 結(jié)語

(1)根據(jù)轉(zhuǎn)輪靜平衡國際標準，平衡精度等級為 G6.3 時:

允許質(zhì)量偏心 e=6.3/ω =0.96 mm;

允許不平衡力矩 T=eM=0.96×250000=240.64 kg·m;

圖紙上標出的設(shè)計允許不平衡力矩為80 kg·m。

山圖迪斯轉(zhuǎn)輪經(jīng)平衡后，在第4象限配重半徑為R=1.72 m處配重420 kg，殘余不平衡力矩約為55.6 kg·m，滿足圖紙平衡精度與國際標準的平衡精度，轉(zhuǎn)輪平衡合格。

(2)應(yīng)用測桿應(yīng)變法平衡大型轉(zhuǎn)輪，可以克服“鋼球平衡法”產(chǎn)生的點接觸高應(yīng)力對平衡的影響，并且工裝簡單，造價低廉，應(yīng)用范圍廣泛，是一種平衡大型轉(zhuǎn)輪的新方法。