管懷鳴，劉鐵峰

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

貫流式水輪機(jī)槳葉傳動(dòng)鏈及槳葉接力器導(dǎo)向改造

管懷鳴，劉鐵峰

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

摘要：貫流式水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量小、開停機(jī)靈便、迅速，在電網(wǎng)中主要承擔(dān)峰荷。機(jī)組頻繁的開停機(jī)、調(diào)整負(fù)荷，致使槳葉開、關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作任務(wù)繁重。槳葉開、關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由槳葉接力器、連桿、傳動(dòng)鏈、拐臂組成。導(dǎo)葉、槳葉動(dòng)作轉(zhuǎn)換工況過程中，流道中水流的流相發(fā)生變化，產(chǎn)生水力擾動(dòng)，會(huì)對(duì)槳葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)造成沖擊，尤其是快速關(guān)機(jī)時(shí)的水錘壓力。如果槳葉開、關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障，可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)速機(jī)構(gòu)協(xié)聯(lián)破壞、輸出頻率波動(dòng)，甚至機(jī)組解列、發(fā)生飛逸，后果不堪設(shè)想。槳葉開、關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全、可靠對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行影響巨大。

關(guān)鍵詞：貫流式水輪機(jī)；螺絲松脫；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)磨損；傳動(dòng)鏈改造；導(dǎo)軌改造

1　引言

馬跡塘水電廠（以下簡(jiǎn)稱馬電）位于湖南省桃江縣內(nèi)資水干流，1979年始建，引進(jìn)奧地利“ELIN”公司3臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組及其成套輔助設(shè)備。水輪機(jī)由奧地利伏依特公司（Voith）設(shè)計(jì)制造。1983年，3臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電。2001年度3號(hào)機(jī)組擴(kuò)大性大修中對(duì)水輪機(jī)槳葉傳動(dòng)鏈、槳葉接力器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)與改造。水輪機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1　水輪機(jī)主要參數(shù)

2　槳葉傳動(dòng)鏈及槳葉接力器導(dǎo)向缺陷及原因分析、處理

2.1水輪機(jī)存在的缺陷及原因分析

2.1.1槳葉傳動(dòng)鏈存在的缺陷

馬跡塘水電廠在1995～1999年間，對(duì)3臺(tái)機(jī)組水輪機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查時(shí)，均不同程度的發(fā)現(xiàn)槳葉傳動(dòng)鏈騎縫螺釘松動(dòng)、脫落，輪轂內(nèi)壁存在刮擦傷痕情況；槳葉傳動(dòng)鏈騎縫螺釘主要起固定鏈板、銷軸，防止發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向竄動(dòng)。騎縫螺釘松動(dòng)、脫落增加了鎖板螺釘負(fù)擔(dān)，破壞傳動(dòng)鏈框架穩(wěn)定性，危害機(jī)組安全運(yùn)行。

2.1.2槳葉接力器導(dǎo)向存在的缺陷

2001年度3號(hào)機(jī)組檢修，檢查發(fā)現(xiàn)槳葉接力器導(dǎo)向滑塊、導(dǎo)軌工作面磨損比3年前更加嚴(yán)重，導(dǎo)向配合間隙已達(dá)1.7mm（設(shè)計(jì)配合間隙為0.40mm），且有偏磨現(xiàn)象。磨損面積占工作面積的30%~80%，磨損凹坑深度從0.5~2.4mm不等，局部甚至達(dá)3.22mm；磨損區(qū)域沿滑塊、導(dǎo)軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向呈條狀分布。

圖1　槳葉鏈板裝配正視圖[2]

表2　歷年機(jī)組檢修騎縫螺釘檢查統(tǒng)計(jì)[3]

2.2缺陷原因分析

2.2.1鏈板騎縫螺釘松動(dòng)、脫落的原因分析

（1）騎縫螺釘可防止鏈板與軸銷兩個(gè)緊配合件裝配在一起后，零件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)移位；但是僅在各種經(jīng)典的防止轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向位移的結(jié)構(gòu)都不能用的時(shí)候才考慮使用。因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)只適合單件小批的生產(chǎn)綱領(lǐng)，而且操作復(fù)雜，難以在拆卸后復(fù)原，只能抵抗較輕的靜載荷，不能用于沖擊載荷。所以，此處使用騎縫螺釘固定銷軸和鏈板屬于設(shè)計(jì)缺陷。

（2）設(shè)備老化、磨損嚴(yán)重，原有的配合間隙被破壞，機(jī)組運(yùn)行條件惡化是直接原因。設(shè)計(jì)條件下，槳葉大銅套止推面全部提供槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)的向心力（轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉即旋轉(zhuǎn)具有離心運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，向心力是阻止槳葉離心運(yùn)動(dòng)的合力的統(tǒng)稱；向心力與離心力是平衡的一對(duì)相互作用力），傳動(dòng)鏈與拐臂之間的作用力都在拐臂中心線和鏈板中心線組成的平面內(nèi)。鏈板騎縫螺釘受力很小。

圖2　正常情況下輪葉開關(guān)機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方向簡(jiǎn)圖

機(jī)組經(jīng)過多年的運(yùn)行，槳葉大、小銅套止推面與拐臂磨損量逐漸增大，拐臂兩側(cè)平面與槳葉大、小銅套止推面總間隙，即槳葉竄動(dòng)量變大超過設(shè)計(jì)值。起初槳葉大銅套止推面和拐臂間隙增大時(shí)，在離心力（見圖3）作用下，拐臂與鏈板配合間隙，可以重新分配；但是，當(dāng)磨損量更大，銅套止推面與拐臂總間隙超過設(shè)計(jì)值時(shí)，拐臂與鏈板間隙重新分配也無法抵消彌補(bǔ),槳葉拐臂會(huì)對(duì)傳動(dòng)鏈板有垂直于正常運(yùn)動(dòng)方向的力距（作用在傳動(dòng)鏈銷軸上見圖3）和對(duì)鏈板的推力（見圖3），傳動(dòng)鏈板受到拐臂的推擠，鏈板緊固螺桿、騎縫螺釘都會(huì)受到一定的軸向沖擊。

圖3　拐臂與傳動(dòng)鏈之間的受力示意圖

2.2.2槳葉接力器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)存在的缺陷及造成的后果

根據(jù)能量回饋裝置中PWM整流器的工作狀態(tài),采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整流器的具體結(jié)構(gòu)[5-6]。雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的外環(huán)是電壓環(huán),內(nèi)環(huán)是電流環(huán)[7],具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。能量回饋器電流控制技術(shù)方面則選擇直接電流控制。因此,電流控制方法上這里采用固定開關(guān)頻率其特點(diǎn)是:載波頻率不變,調(diào)制波的信號(hào)取自電流偏差[8]。

（1）接力器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷

原設(shè)計(jì)滑塊、導(dǎo)軌端面到工作面沒有加工倒角，當(dāng)槳葉處于全關(guān)或者全開開度時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)滑塊端面楞鏟刮導(dǎo)軌工作面或?qū)к壎嗣胬沌P刮滑塊工作面。

滑塊和導(dǎo)軌選擇材質(zhì)及處理工藝相同，工作面硬度相當(dāng)，容易造成相互破壞。導(dǎo)軌長(zhǎng)度短，槳葉在全關(guān)、全開極限位置時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的安全余度小，容易出現(xiàn)脫軌現(xiàn)象。

（2）機(jī)組經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，配合間隙破壞后產(chǎn)生的缺陷

1）槳葉的開、關(guān)是由槳葉接力器帶動(dòng)傳動(dòng)鏈一端的直線運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)鏈另一端拉動(dòng)拐臂轉(zhuǎn)動(dòng)，拐臂帶動(dòng)槳葉一起旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)接力器受力分析，接力器受到傳動(dòng)鏈中心線的阻力（2見圖4），阻力2可分解為豎直的2（見圖4）和水平方向2（見圖4）,因?yàn)闃~接力器只能提供直線方向的力，該力與2平衡，2則是通過接力器導(dǎo)向滑塊作用在導(dǎo)軌上與2（'見圖4）平衡?；瑝K和導(dǎo)軌端面沒有倒角，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)相互鏟刮現(xiàn)象。當(dāng)開啟槳葉時(shí)，滑塊與導(dǎo)軌之間的相互作用及各鉸鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)方向如圖4所示。開啟導(dǎo)葉時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向相反，滑塊與導(dǎo)軌磨損另一面。

圖4　滑塊和導(dǎo)軌一受運(yùn)動(dòng)方向及受力簡(jiǎn)圖

2）由圖3知，傳動(dòng)鏈?zhǔn)艿焦毡鄞怪庇阪湴暹\(yùn)動(dòng)方向相垂直的力矩，該力矩沿著鏈板傳遞到接力器滑塊與導(dǎo)軌的接觸面上，滑塊和導(dǎo)軌接觸面會(huì)產(chǎn)生一對(duì)力偶（3見圖5），又因?yàn)榱氐姆较蚺c滑塊和導(dǎo)軌接觸面相垂直，使滑塊有轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而使滑塊與導(dǎo)軌接觸面一側(cè)受力較大。如果此時(shí)關(guān)、開槳葉，接觸面一側(cè)會(huì)承受很大的摩擦力。相同材質(zhì)的滑塊、導(dǎo)軌存在較大的接觸力，且相互滑動(dòng)，容易產(chǎn)生相互磨損破壞。不同負(fù)荷（不同槳葉開度）下，多次動(dòng)作即會(huì)對(duì)滑塊、導(dǎo)軌表面造成多條直線狀損傷。受力分析圖見圖5。

圖5　力矩與機(jī)構(gòu)力偶3作用效果簡(jiǎn)圖

2.3槳葉傳動(dòng)鏈改造

2.3.1槳葉傳動(dòng)鏈再設(shè)計(jì)的必要性

馬跡塘水電廠機(jī)組出現(xiàn)傳動(dòng)鏈騎縫螺釘松動(dòng)、脫落缺陷時(shí)，機(jī)組已安全運(yùn)行了十幾年，時(shí)間長(zhǎng)于機(jī)組擴(kuò)大性大修周期（8~10年）。雖然可以在機(jī)組每次擴(kuò)大性大修時(shí)對(duì)傳動(dòng)鏈解體，更換傳動(dòng)鏈騎縫螺釘，預(yù)防松動(dòng)、脫落；但是傳動(dòng)鏈解體會(huì)出現(xiàn)以下幾個(gè)不可避免的現(xiàn)象：①解體時(shí)騎縫螺釘可能因被擠緊、螺紋膠太多或螺紋損壞等原因拆不出；②裝復(fù)時(shí)銷軸與鏈板螺孔拼合有偏差，騎縫螺釘裝不進(jìn)；③拆卸過程中，敲打工件損壞配合面，螺孔、螺紋損壞；④傳動(dòng)鏈鏈板和軸銷的配合屬于過渡配合，隨著拆裝次數(shù)的增加，銷軸與鏈板配合間隙增大超過允許值。騎縫螺釘松動(dòng)問題處理，由于以上不利情況，最后可能導(dǎo)致更換銷軸、鏈板或全部更換，增加大修成本和檢修工程量；所以，對(duì)槳葉傳動(dòng)鏈進(jìn)行再設(shè)計(jì)很有必要。

2.3.2槳葉傳動(dòng)鏈再設(shè)計(jì)

槳葉傳動(dòng)鏈的再設(shè)計(jì)是在默認(rèn)槳葉竄動(dòng)量（槳葉大、小銅套止推面與拐臂總間隙）在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的前提下，改進(jìn)銷軸與鏈板緊固方式，保證牢固、可靠且裝拆方便；結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)傳動(dòng)鏈框架的剛度，提高對(duì)各個(gè)方向干擾力、力矩的抵抗能力。

鏈板、銷軸、鎖板螺釘必須經(jīng)100%滲透探傷和超聲波探傷檢查合格，材質(zhì)化驗(yàn)、機(jī)構(gòu)性能實(shí)驗(yàn)及硬度檢測(cè)合格。裝配前經(jīng)無損檢測(cè)鏈板使用2個(gè)M36，強(qiáng)度8.8級(jí)螺釘緊固，預(yù)緊力339.5 kN，螺紋使用螺紋鎖固膠樂泰277防松。

圖6　傳動(dòng)鏈最終設(shè)計(jì)方案三視圖[4]

2.3.3本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（1）軸、孔采用過盈配合，銷軸與銷孔配合面的靜摩擦力阻止傳動(dòng)鏈與銷軸不產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；不鉆孔、攻絲，不外加止動(dòng)措施，不破壞銷軸或鏈板結(jié)構(gòu)完整性，降低設(shè)備非運(yùn)行損耗，降低檢修成本；克服經(jīng)典的軸孔配合緊固方式不適用，外加約束壓力大，可靠性差的缺陷。

（2）軸、孔有1°33'44''的錐度，增加接觸面積，結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)鏈板鎖板螺釘，提高鏈板框架剛度，對(duì)各個(gè)方向干擾力、沖擊力的抗干擾能力。并且常溫裝配，方便檢修。

（3）鏈板采用35CrMo鍛壓調(diào)質(zhì)鋼，銷軸采用40Cr新材質(zhì)，在不改變鏈板尺寸的前提下增加了零部件強(qiáng)度。

（4）傳動(dòng)鏈外側(cè)鏈板邊楞進(jìn)行倒角處理，防止擦傷輪轂內(nèi)壁。

2.4槳葉導(dǎo)向機(jī)構(gòu)改造

2.4.1槳葉導(dǎo)向塊導(dǎo)軌改造的必要性

原設(shè)計(jì)槳葉導(dǎo)向塊、導(dǎo)軌因?yàn)椴捎孟嗤馁|(zhì)及表面處理工藝，工作面硬度相當(dāng)。當(dāng)導(dǎo)向?qū)к壥芰^大時(shí)，很容易出現(xiàn)滑塊、導(dǎo)軌相互磨損破壞。對(duì)于破壞后的工作面只能通過補(bǔ)焊、打磨來恢復(fù)；但是施焊過程中，如果技術(shù)措施不當(dāng)，可能造成局部變形、應(yīng)力集中，為機(jī)組安全埋下隱患。

另外，滑塊、導(dǎo)軌補(bǔ)焊厚度較薄，在運(yùn)行中很有可能造成整個(gè)補(bǔ)焊層脫落，造成更大缺陷，如接力器損壞，槳葉失控等，后果不堪設(shè)想，再者已補(bǔ)焊的部位不能再次進(jìn)行施焊，否則將出現(xiàn)開裂。根據(jù)以上分析，綜合考慮機(jī)組檢修后安全運(yùn)行周期及下次檢修成本，接力器導(dǎo)向滑塊、導(dǎo)軌必須進(jìn)行改造。

2.4.2槳葉接力器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的改造思想

槳葉接力器滑塊、導(dǎo)軌的改造，主要針對(duì)原設(shè)計(jì)缺陷逐項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化消除。改變導(dǎo)軌工作面材質(zhì)，使用黃銅或青銅等相對(duì)滑塊硬度較軟的材料。仔細(xì)觀察、測(cè)量當(dāng)槳葉全開、全關(guān)狀態(tài)下，滑塊、導(dǎo)軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)的極限位置及周圍其他零部件的距離，酌情合理增加導(dǎo)軌長(zhǎng)度。對(duì)滑塊、導(dǎo)軌加工大倒角，增加工作表面潤(rùn)滑，保證相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不出現(xiàn)鏟刮、干磨等現(xiàn)象。

2.4.3導(dǎo)向機(jī)構(gòu)改造方案

使用大型機(jī)床，采用特殊的機(jī)械加工工藝，將磨損表面的劃痕和凹坑處理干凈，實(shí)測(cè)滑塊和導(dǎo)軌的配合尺寸，在原導(dǎo)軌上加銅瓦軸承。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，將導(dǎo)軌銅瓦加長(zhǎng)100mm。青銅瓦背加工燕尾槽固定在瓦托（經(jīng)過處理的原導(dǎo)軌）上，青銅瓦使用沉頭螺釘固定，銅瓦與原導(dǎo)軌側(cè)縫使用釬焊加固，并在工作面兩端頭加工大倒角。裝配后滑塊和導(dǎo)軌經(jīng)過預(yù)裝檢查泄水錐和輪轂?zāi)茼樌b入、退出。

圖7　改造后導(dǎo)軌裝配圖[4]

2.4.4本設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

（1）選擇錫青銅做為導(dǎo)軌表面耐磨瓦制造材料，青銅瓦材質(zhì)為ZCuSn10Pb1，耐磨性極好，不易產(chǎn)生咬死現(xiàn)象，具有較好的鑄造性和切削加工性能，且硬度低于滑塊，不會(huì)傷害滑塊工作面。

（3）平面軸承瓦加長(zhǎng)了100mm，增加了導(dǎo)軌在全開、全關(guān)極限位置時(shí)的接觸面積，減輕接觸面的壓力（壓強(qiáng)）。

表2　改造后滑塊與導(dǎo)軌配合間隙[4]（單位：mm）

3　結(jié)束語

2001年度3號(hào)機(jī)組擴(kuò)大性大修之后，電廠組織湖南省電力試驗(yàn)研究所水機(jī)室、興馬機(jī)電有限公司、水輪機(jī)改造承包單位（東屋機(jī)電有限責(zé)任公司）對(duì)3號(hào)機(jī)組進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)、振動(dòng)檢測(cè)比較、機(jī)組效率試驗(yàn)、槳葉接力器低油壓動(dòng)作試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，本次檢修圓滿成功[5]；隨后對(duì)1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組進(jìn)行了同樣改造。2014年，3號(hào)機(jī)組運(yùn)行12年之后，進(jìn)行機(jī)組大修，拆除泄水錐，檢查傳動(dòng)鏈鎖板螺釘無松動(dòng)，傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)牢固可靠；接力器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)配合間隙變化不大，導(dǎo)軌工作面幾乎沒有磨損。事實(shí)證明傳動(dòng)鏈、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)改造方案科學(xué)合理。又因?yàn)楦脑旌髠鲃?dòng)鏈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固可靠、拆裝方便、不傷害部件、可重復(fù)多次使用，降低檢修成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，適合向具有傳動(dòng)鏈的機(jī)組推廣。

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中圖分類號(hào)：TK733+.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）08-0004-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.002

收稿日期：2015-05-04

作者簡(jiǎn)介：管懷鳴（1988-），男，助理工程師，從事水電廠機(jī)械設(shè)備檢修工作。