鄧亞新（國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江建德311608）

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新安江電站發(fā)電機(jī)推力軸承受力調(diào)整改進(jìn)措施分析

鄧亞新
（國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江建德311608）

摘要：闡述了新安江電站推力軸承受力調(diào)整方式改進(jìn)的研究過程。新安江電站原推力軸承受力調(diào)整方式存在諸多弊端，針對該電站機(jī)組推力軸承形式，為了優(yōu)化機(jī)組推力軸承受力及改變?nèi)斯ご蚶祁^調(diào)受力的費(fèi)時(shí)費(fèi)力等局面，本文對其推力軸承受力調(diào)整進(jìn)行分析和研究，推薦一種良好的調(diào)整方法，并將實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析介紹。實(shí)踐表明，基于本文推薦方案，設(shè)計(jì)和優(yōu)化出的受力調(diào)整裝置具有安全、輕便、準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：推力軸承；受力調(diào)整；剛性螺釘支柱式軸承

1引言

新安江水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承為剛性螺釘支柱式軸承（如圖1所示），其主要由鏡板、軸瓦、托盤、抗重螺絲、油冷卻器和油槽等組成，軸瓦放在托盤上，托盤支持在球面的抗重螺絲頭上，能在不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷時(shí)自動(dòng)地調(diào)整軸瓦傾斜度，以建立適當(dāng)?shù)男ㄐ斡湍?。軸承由10塊扇形彈性金屬塑料瓦組成，承受著整個(gè)機(jī)組的重量及機(jī)組軸向水推力。

圖1　推力抗重螺栓

因機(jī)組推力軸承的結(jié)構(gòu)和作用限制，該廠在機(jī)組大修或機(jī)組振動(dòng)擺度過大搶修時(shí)，不僅對機(jī)組軸線等重新調(diào)整后，還須進(jìn)行推力軸承受力調(diào)整。傳統(tǒng)一般采用人工打榔頭的方式，讓10塊推力瓦的受力基本相同。而人工打榔頭弊端較多：①每次打榔頭要打60～90圈，即打600～900下，非常費(fèi)力、費(fèi)時(shí)。②打榔頭采用輪換制，每個(gè)人的水平、力度不均，造成推力受力調(diào)整困難。③工作強(qiáng)度和危險(xiǎn)性大，造成人員疲勞、受傷風(fēng)險(xiǎn)增大。

因此，針對新安江電站中機(jī)組推力軸承的上述限制，為了優(yōu)化機(jī)組推力軸承受力及改變?nèi)斯ご蚶祁^調(diào)受力的費(fèi)時(shí)費(fèi)力局面，本文將對其推力軸承受力調(diào)整進(jìn)行分析和優(yōu)化，推薦一種良好的調(diào)整方法，并將實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行分析介紹。本文的研究內(nèi)容及相關(guān)成果對保證機(jī)組更準(zhǔn)確地調(diào)整受力、保證設(shè)備和人身安全具有重要的意義。

2新安江電站推力軸承受力調(diào)整方案及措施分析

2.1推力軸承受力調(diào)整的改進(jìn)方案

根據(jù)該廠推力軸承受力調(diào)整的要求和施工現(xiàn)場的實(shí)際特點(diǎn)，經(jīng)前期現(xiàn)場勘查、圖紙查閱、各尺寸重量設(shè)計(jì)、受力核算及技術(shù)規(guī)范檢驗(yàn)等過程[1-3]，本文提出了一種有效的調(diào)整措施，并設(shè)計(jì)出一套優(yōu)良的機(jī)組受力調(diào)整裝置。該裝置具有儲能及快速間歇性打擊的功能，且輕便、可靠、穩(wěn)定性高，其打擊力可調(diào)、均勻一致。該裝置利用彈簧壓縮進(jìn)行儲能，另外，因施工檢修現(xiàn)場安裝有檢修用風(fēng)設(shè)備，故設(shè)計(jì)該裝置的能量由氣動(dòng)裝置提供，即氣動(dòng)裝置給彈簧做功，使彈簧儲能后將其勢能轉(zhuǎn)換為打擊錘的動(dòng)能，從而進(jìn)行打擊工作。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求該裝置由打擊錘、導(dǎo)軌、彈簧、擊發(fā)裝置、氣動(dòng)裝置（包括氣缸、氣動(dòng)換向開關(guān)）等組成。工作時(shí)，擊發(fā)裝置限位鎖定打擊錘，氣動(dòng)換向開關(guān)工作并將壓縮氣體送入氣缸，氣缸活塞在壓縮氣體的作用下前行并將彈簧壓縮，當(dāng)彈簧獲得足夠的勢能后，啟動(dòng)擊發(fā)裝置，打擊錘在彈簧力的作用下迅速將勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，打擊錘快速運(yùn)動(dòng)擊打錘擊扳手，從而使抗重螺絲在沖擊力作用下獲得足夠的扭矩。該裝置設(shè)有調(diào)壓裝置，以便通過調(diào)節(jié)氣缸工作壓力來調(diào)整打擊力的大小，從而獲得符合要求的扭矩。該機(jī)組受力調(diào)整裝置加工制作完成后，在機(jī)組大修時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情況對該裝置做進(jìn)一步完善，確保安全、可靠、精確后投入使用。

2.2推薦方案的計(jì)算分析

2.2.1扳手所受沖量計(jì)算

根據(jù)施工檢修現(xiàn)場實(shí)際人工打受力時(shí)，身高1.70 m的人揮起24磅榔頭至0.6 m高成圓周形路徑錘擊扳手，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)核算為24磅重錘拉起1.3 m高成圓周形路徑做自由下落錘擊扳手。

1磅=0.45392 kg

能量守恒：mgh =（1/2）mv2（其中h=1.3 m）

由上計(jì)算出重錘下落后的速度v =5.05 m/s

即重錘獲得的動(dòng)量p=mv=55 kg·m/s

由于最終重錘與受力調(diào)整裝置錘擊扳手的效果相同，即扳手的受力和作用的時(shí)間相同，所受沖量一致：

即Ft =mv=m設(shè)計(jì)·v設(shè)計(jì)

則v設(shè)計(jì)= mv/m設(shè)計(jì)

2.2.2重錘的選取

為減輕該裝置的重量，減少工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，選擇8 kg的45號鋼制作的重錘，重錘表面經(jīng)熱處理，表面硬度為HB300。

即v設(shè)計(jì)= mv/m設(shè)計(jì)=6.877m/s

所以重錘錘擊扳手時(shí)的動(dòng)能W設(shè)計(jì)=（1/2）m設(shè)計(jì)v2設(shè)計(jì)=189.17 J

2.2.3彈簧的選擇

由于該受力調(diào)整裝置通過彈簧儲能后轉(zhuǎn)換為重錘動(dòng)能，再通過重錘動(dòng)能實(shí)現(xiàn)錘擊扳手，因此彈簧的儲能等于重錘的動(dòng)能，即對彈簧做功等于重錘的動(dòng)能，即W彈簧=W設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)彈簧的有效行程為S=0.2 m，選擇彈簧絲的許用剪應(yīng)力為[δ]=784 MPa，則[τ]=784× 0.6=470 MPa，彈簧的中徑為D=80 mm，彈簧剪切彈性模量G =80 GPa。

由W設(shè)計(jì)=W彈簧=（1/2）kx2=189.17 J

得k=9 458.3 N/m

即當(dāng)彈簧壓縮時(shí)的最大軸向壓力F彈簧=kx=1 891.66 N

則d=（8F彈簧D/τπ）1/3=9.35 mm

即設(shè)計(jì)選取彈簧絲直徑為10 mm

則彈簧絲的圈數(shù)n=S×G×d4/8/F彈簧/D3=20.64圈

即設(shè)計(jì)選取彈簧圈數(shù)為21圈，則此時(shí)彈簧的實(shí)際長度為：L=21×10+200=410 mm

則該彈簧自然狀態(tài)下的尺寸如表1所示。

表1　彈簧自然狀態(tài)下的尺寸　單位：mm

2.3基于推薦方案的設(shè)計(jì)分析

通過上述推薦方案計(jì)算分析，對受力調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了繪制，如圖2所示，該裝置由打擊錘、儲能彈簧、氣動(dòng)裝置（氣缸及氣動(dòng)元件）、緩沖裝置、擊發(fā)裝置等組成。

圖2　推薦方案中受力調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)

打擊錘用45號鋼制作，減小打擊時(shí)的作用時(shí)間，獲得更大的打擊力，打擊錘的沖擊表面應(yīng)進(jìn)行熱處理，硬度不小于HB300。

擊發(fā)裝置由拔插、扳手、復(fù)位彈簧、調(diào)整螺絲、小軸及擊發(fā)座等組成，拔插、扳手均用10 mm厚鋼板經(jīng)線切割加工而成。安裝擊發(fā)裝置時(shí)，擊發(fā)座底部應(yīng)與錘頭外徑保持2 mm左右的間隙，并使拔插頭部超出錘頭外徑2～3 mm，當(dāng)錘頭復(fù)位后起到限位作用。工作時(shí)，扣動(dòng)扳手，拔插頭與錘頭脫離，錘頭限位脫開，在彈簧力作用下向前運(yùn)動(dòng)并擊打抗重螺絲專用扳手；打擊結(jié)束后，利用復(fù)位拉手將錘頭拉回到打擊前狀態(tài)，拔插在復(fù)位彈簧作用下復(fù)位并對錘頭限位，從而完成一次沖擊工作循環(huán)。

緩沖裝置安裝于打擊錘出口處，以便吸收錘頭打擊后多余的能量。緩沖裝置由均壓環(huán)、緩沖墊（橡膠）、6組彈簧和M6的螺母、螺栓等組件組成，并通過5只M12的內(nèi)六角螺栓與受力調(diào)整裝置外殼連接在一起。為確保打擊錘工作時(shí)定位準(zhǔn)確、穩(wěn)定，所有零件的安裝均采用沉入式結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)上采用6組彈簧及M6的螺母、螺栓組件，使緩沖墊在彈簧力的作用下有一定的受壓狀態(tài)，須確保緩沖墊能穩(wěn)定固定于緩沖座（端蓋）上。當(dāng)該緩沖裝置受到?jīng)_擊后，沖擊錘在緩沖墊作用下減速的同時(shí)，M6的螺栓隨同均壓環(huán)一起向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)打擊錘離開緩沖裝置時(shí)，緩沖墊復(fù)位同時(shí)均壓環(huán)與6只M6的螺栓一起回復(fù)到初始狀態(tài)。

氣動(dòng)裝置由調(diào)壓閥、氣動(dòng)開關(guān)、進(jìn)出氣管、氣缸、連接法蘭、彈簧座等組成。工作時(shí)啟動(dòng)氣動(dòng)開關(guān)（為一腳踏開關(guān)），氣缸活塞在壓縮氣體的作用下向前運(yùn)動(dòng)并推動(dòng)彈簧座前行，彈簧座壓縮儲能彈簧存儲勢能，啟動(dòng)擊發(fā)裝置，儲能彈簧做功推動(dòng)錘頭前行并打擊扳手；完成做功后，松開腳踏開關(guān)，活塞桿回收，拉動(dòng)錘頭至打擊前位置，此時(shí)儲能彈簧重新與彈簧座貼合。在總進(jìn)氣管上安裝有調(diào)壓閥，方便對錘頭打擊力的調(diào)整。

2.4推薦的受力調(diào)整措施及裝置實(shí)際效果

2013年1月至3月，通過對電廠發(fā)電機(jī)推力軸承相關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)、圖紙和記錄等資料查閱，核算相關(guān)部件尺寸、重量和受力，初步提出3套設(shè)計(jì)受力調(diào)整裝置的方案。2013年4月至6月，結(jié)合新安江電站1號機(jī)組B級大修，根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境，從3套初步方案中選取最優(yōu)一套，同時(shí)現(xiàn)場復(fù)核相關(guān)部件位置和尺寸，另外，在機(jī)組檢修至受力調(diào)整時(shí)，將設(shè)計(jì)制作的試驗(yàn)裝置運(yùn)至現(xiàn)場，測量計(jì)算出實(shí)際人工打受力時(shí)扳手所受沖量的大小。由此，提出受力調(diào)整裝置設(shè)計(jì)圖紙。2013年7月至8月，按正式審批的設(shè)計(jì)圖紙，提出加工制造圖，委托加工廠加工制造推力軸承受力調(diào)整裝置。

2013年9月至10月，結(jié)合電廠6號機(jī)組A級大修，在機(jī)組檢修至受力調(diào)整時(shí)，利用研制的推力軸承受力調(diào)整裝置，現(xiàn)場進(jìn)行受力調(diào)整，共擊打53圈，最后3圈數(shù)據(jù)驗(yàn)收合格。調(diào)整過程和結(jié)果證明了推薦方案設(shè)計(jì)和受力調(diào)整裝置具有安全、輕便、準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)點(diǎn)，提高了工作效率，優(yōu)化了受力調(diào)整的檢修工藝。

受力調(diào)整時(shí)，在水導(dǎo)軸頸處X、Y方向各架設(shè)一百分表，打錘后待大軸穩(wěn)定，記錄每表的讀數(shù)。根據(jù)“勾股定理”算出打錘后大軸的移動(dòng)值。按下式計(jì)算：

式中：C—水導(dǎo)軸頸處的實(shí)際移動(dòng)值；

a、b—水導(dǎo)百分表讀變化量。

C值過大的抗重螺栓可補(bǔ)打1～2錘，過小的抗重螺栓可不打錘或反打錘（一般不反打），然后統(tǒng)打一遍，直到C值相差在0.01 mm內(nèi)。

3結(jié)論

針對新安江水力發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承的結(jié)構(gòu)和作用限制，以及所采用的人工打榔頭存在諸多弊端，本文根據(jù)該廠推力軸承受力調(diào)整的要求和施工現(xiàn)場的實(shí)際特點(diǎn)，經(jīng)前期現(xiàn)場勘查、圖紙查閱、各尺寸重量和受力等核算，提出了一種有效的調(diào)整措施，并設(shè)計(jì)出一套優(yōu)良的機(jī)組受力調(diào)整裝置。

該裝置具有儲能及快速間歇性打擊的功能，且輕便、可靠、穩(wěn)定性高，其打擊力可調(diào)、均勻一致。該機(jī)組受力調(diào)整裝置加工制作完成后，在機(jī)組大修時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明了基于推薦方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化出的受力調(diào)整裝置具有安全、輕便、準(zhǔn)確、可靠的優(yōu)點(diǎn)。并根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情況對該裝置做進(jìn)一步完善，確保安全、可靠、精確后投入使用，這對保證機(jī)組更準(zhǔn)確的受力調(diào)整、保證設(shè)備和人身安全具有重要的意義。

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作者簡介：鄧亞新（1981-），男，工程師，從事水電站機(jī)組檢修維護(hù)工作。

收稿日期：2015-12-08

中圖分類號：TV734

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）03-0006-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.003