李崇仕，沈琴峰，何劍鋒，劉 賢

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

0 引言

東坪水電廠地處湖南省安化縣境內(nèi)，距離上游柘溪水電廠10 km，為柘溪電廠的反調(diào)節(jié)電廠。電廠裝設(shè)4臺18 MW的燈泡式貫流機組，總裝機容量72 MW。東坪電廠現(xiàn)有導(dǎo)水機構(gòu)安全裝置為半破壞式的彎曲連桿。彎曲連桿在導(dǎo)葉受到異物卡澀時作用在連桿上的力超過設(shè)計值，連桿變彎變形，進而達到被卡導(dǎo)葉與導(dǎo)水機構(gòu)解列，而其他導(dǎo)葉仍可關(guān)閉。此種連桿必須停機更換新的彎曲連桿，整個更換過程耗費時間、人力、物力。甚至發(fā)生過當(dāng)一片導(dǎo)葉異物卡澀時引起相臨的兩片導(dǎo)葉彎曲連桿塑性變形的情況。

1 彈簧連桿工作原理

彈簧連桿分為拉伸式和壓縮式彈簧連桿。彈簧連桿的工作原理是給彈簧預(yù)先施加一個拉伸力或者壓縮力。當(dāng)導(dǎo)葉正常工作狀態(tài)下此拉伸力或壓縮力能傳遞導(dǎo)水機構(gòu)的操作力，保持導(dǎo)葉的開啟與關(guān)閉。此時彈簧連桿的力矩平衡而不被破壞。當(dāng)異物卡澀導(dǎo)葉時，控制環(huán)操作力大于設(shè)定的拉伸力，力矩平衡被破壞，導(dǎo)致彈簧連桿彎曲動作，再次操作導(dǎo)葉開啟時，導(dǎo)水機構(gòu)重新恢復(fù)到原始狀態(tài)。整個過程彈簧連桿可自行復(fù)位，不需要更換元件，避免因連桿彎曲造成的故障性檢修。

東坪電廠此次采用的是拉伸式的彈簧，拉伸式的彈簧最大的特點是預(yù)加拉伸力調(diào)整方便，彈簧選擇、制造較容易[1]。

2 彈簧連桿理論分析

彈簧連桿采用兩只“L”形拐臂一端與控制環(huán)和導(dǎo)葉外軸承拐臂連接，另一端通過彈簧連接。兩只“L”形拐臂通過連接銷連接。預(yù)加拉伸力的給定就是通過圖1中2偏心量調(diào)整螺栓調(diào)整得到的。偏心量是關(guān)鍵，如圖所示：當(dāng)兩只“L”形拐臂的球軸承中心連接線與連接銷不在一條直線表示存在一定的偏心量。

圖1 拉伸式彈簧連桿結(jié)構(gòu)簡圖

在正常運行條件下，作用于彈簧連桿機構(gòu)上的操作力、彈簧的作用力、機構(gòu)的摩擦力、調(diào)整螺釘處作用力在聯(lián)接銷處達到力矩平衡[2]。在該操作力作用下，彈簧連桿正常運行彈簧不動作。

力矩平衡：

式中：x為彈簧連桿正常運行的拉伸量；FS表示作用于彈簧連桿上的操作力；N表示偏心量調(diào)整螺栓作用力；P表示彈簧作用力；sh表示偏心量；x0聯(lián)接銷到調(diào)整螺栓的距離；H聯(lián)接銷中心到彈簧的垂直高度；r1、r2表示聯(lián)接銷、“L”形拐臂連桿銷半徑；μ自潤滑軸承的摩擦系數(shù)。

當(dāng)導(dǎo)葉受到異物卡澀時，作用于彈簧連桿操作力FS逐漸增大使得彈簧受到拉伸產(chǎn)生變形，“L”形支臂的夾角由180°逐漸變小。此時調(diào)整螺栓作用力N為0。

此時機構(gòu)處于動態(tài)平衡過程：

式中：χmax表示彈簧最大拉伸量；p1表示彈簧作用力；y1表示聯(lián)接銷中心到彈簧的垂直高度；y2表示偏心量。

3 彈簧連桿改造思路

（1）東坪電廠采用彈簧連桿與彎曲連桿間隔布置的方式，彎曲連桿強度遠大于彈簧連桿操作力，當(dāng)異物卡澀導(dǎo)葉立面時彈簧連桿總能動作，因此其相鄰導(dǎo)葉能正常關(guān)閉。而導(dǎo)葉端面異物卡澀根據(jù)電廠實際情況幾乎沒有發(fā)生過。

（2）拉伸式彈簧連桿替代現(xiàn)有的彎曲連桿，連桿長度與現(xiàn)有彎曲連桿相同，導(dǎo)葉及導(dǎo)葉接力器位置、開度、行程保持不變。連桿軸承和連桿銷與原有機組相同。

（3）彈簧連桿動作力的設(shè)定是關(guān)鍵亦即彈簧預(yù)拉伸力是關(guān)鍵，當(dāng)設(shè)定的動作力大于導(dǎo)水機構(gòu)摩擦力和水流阻力合力時彈簧連桿不動作。彈簧連桿動作力受選定的自潤滑軸承的摩擦系數(shù)（μ）影響較大,決定了彈簧連桿動作力要控制在一定的偏差范圍。

4 彈簧連桿改造過程

（1）彎曲連桿長度為700 mm，拐臂球軸承中心到外軸承座邊沿長度510 mm，改造彈簧兩“L”型支臂長度350 mm，寬度315 mm，彈簧采用材質(zhì)為60Si2MnA，外徑180 mm。彈簧自由長度514 mm，彈簧正常運行長度600 mm，彈簧最大拉伸量854 mm，其最大拉伸量334 mm。改造過程中切除拐臂上與彈簧連桿干涉的筋板。

（2）彈簧連桿動作性能試驗。東坪電廠導(dǎo)水機構(gòu)摩擦力和水流阻力合力最大在9.6 t左右，設(shè)計μ取值0.085，偏心量sh設(shè)計為11 mm。對彈簧連桿進行動作實驗時，驗證得到彈簧剛好動作時得操作力在12～14 t之間。表明μ、sh的設(shè)計取值合理。FS取12～14 t的用意是保證彈簧連桿動作精度，不發(fā)生誤動作。

（3）改造過程中出現(xiàn)問題

2015年度1號機A修導(dǎo)水機構(gòu)改造之后，出現(xiàn)彈簧連桿運動過程中與外軸承座輕微摩擦；彈簧連桿端部與導(dǎo)葉外軸承拐臂有摩擦。由于設(shè)計過程中“L”型支臂高度（寬度）設(shè)計過長，再者未考慮彈簧連桿機構(gòu)自身重心并不在連桿上，而在彈簧上，導(dǎo)致彈簧與外軸承座之間距離進一步縮短由此產(chǎn)生兩個問題：彈簧連桿端部與導(dǎo)葉外軸承拐臂摩擦、連桿軸承處導(dǎo)葉臂、控制環(huán)耳柄摩擦，見圖2、圖3。

圖2 1號機彈簧本體與外軸承座輕微摩擦

（4）改造優(yōu)化方案

2016年對3號機進行改造過程中，著重對上述問題進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)廠家設(shè)計的操作力FS本身是按導(dǎo)葉操作載荷最大值1.5倍進行設(shè)計的保持不變。經(jīng)計算縮短“L”型支臂高度由315 mm調(diào)整為305 mm，彈簧最大拉伸量調(diào)整為840 mm，最大拉伸量為326 mm，偏心量設(shè)計仍為11 mm是可行的。連桿軸承與導(dǎo)葉臂、控制環(huán)耳柄摩擦處加墊抗磨板。因縮短“L”型支臂高度彈簧連桿機構(gòu)重心前移，支臂與導(dǎo)葉拐臂垂直距離增加1.74 mm，未再出現(xiàn)彈簧連桿端部與導(dǎo)葉外軸承拐臂有摩擦現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 1號機彈簧連桿端部與導(dǎo)葉外軸承拐臂摩擦

圖4 調(diào)整過后彈簧連桿示意圖

5 結(jié)束語

（1）通過對1、3號機導(dǎo)水機構(gòu)的改造，沒有發(fā)生因?qū)~異物卡澀導(dǎo)致彎曲連桿變形的故障，節(jié)省原來因彎曲連桿變形導(dǎo)致故障性檢修的時間，提高了機組可利用小時數(shù)。

（2）從1號機第一臺彈簧連桿改造到3號機改造，改造過程出現(xiàn)的問題逐步得到解決，導(dǎo)水機構(gòu)運動的穩(wěn)定性能在平時運行狀態(tài)中得到驗證。

（3）根據(jù)該廠實際情況，當(dāng)機組正常啟動關(guān)機流程中導(dǎo)葉往關(guān)的方向調(diào)整，當(dāng)導(dǎo)葉遇異物卡澀，連桿上的信號檢測開關(guān)發(fā)出報警信號時，此時系統(tǒng)會啟動事故停機流程，緊急事故繼電器動作，操作重錘直接關(guān)導(dǎo)葉，機組轉(zhuǎn)速到30%額定轉(zhuǎn)速時投入機械制動。實際上是否可以判斷連桿信號檢測開關(guān)發(fā)出的信號是來自彈簧連桿還是彎曲連桿，當(dāng)檢測出信號來自彈簧連桿時，系統(tǒng)不啟動事故停機流程，調(diào)速器系統(tǒng)停止關(guān)閉動作，并進一步發(fā)出信號促使導(dǎo)葉向開的方向動作。當(dāng)異物被水流沖走后，導(dǎo)水機構(gòu)重新恢復(fù)到原始狀態(tài)。下一步對信號發(fā)出后，導(dǎo)水機構(gòu)動作的系統(tǒng)流程進行修改是很有必要的。

參考文獻：

[1]蘇占, 張賢斌.貫流式機組兩種彈簧連桿結(jié)構(gòu)分析比較[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010（2）:90-91.

[2]馬銳, 黃凱.燈泡貫流式水輪機導(dǎo)水機構(gòu)彈簧承載式安全連桿機構(gòu)設(shè)計 [J].大機電技術(shù)，2002（3）：47-48.