伍常林，肖維寶，王大強，熊續(xù)平

（華東瑯琊山抽水蓄能有限責任公司，安徽省滁州市 239000）

0 引言

某電廠于2014年12月底出現(xiàn)主進水閥樞軸卡塞，檢查發(fā)現(xiàn)原鋼基軸套與進水閥體間發(fā)生相對轉動，碾碎了它們間的固定銷，導致軸套變形抱死樞軸，主進水閥不能正常關閉。針對該故障，一般會把原鋼基軸套更換為相同尺寸的銅基軸套，以保護主進水閥體。因此，該電廠于2015年根據(jù)軸套加工設計圖紙將原鋼基軸套更換為銅基軸套，取消了軸套和閥體間的固定銷釘。2015年11月對該軸套進行回裝，回裝后測得軸套和樞軸之間的間隙以及主進水閥的關閉時間都滿足設計要求。然而，在2016年1月至5月運行期間，發(fā)現(xiàn)主進水閥關閉時間隨著運行環(huán)境溫度的升高而變長，直至發(fā)生主進水閥不能正常關閉。

針對上述故障分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)直接更換舊軸套方法不能解決軸套和樞軸的配合問題，往往會因軸套材質、溫度等因素變化引起軸套、閥體和樞軸之間的間隙發(fā)生改變，導致主進水閥卡塞。因此，本文對軸套尺寸進行重新設計和研究，以解決主進水閥樞軸卡塞問題具有一定的理論和實踐意義。

1 新軸套尺寸設計目標

1.1 原軸套尺寸配合

主進水閥軸套、樞軸和閥體尺寸，如圖1所示。根據(jù)圖紙設計軸套與主進水閥體為過盈配合：?953H7/r7，軸套與樞軸為間隙配合：?900H8/d8，見表1所示。

圖1 主進水閥軸套、樞軸和閥體孔洞配合尺寸Figure 1 The size of main inlet valve shaft sleeve，pivot and valve body hole

廠家根據(jù)軸套圖紙尺寸提供相應的銅基軸套（材質：GZ-CuAL10Ni），安裝前對新銅基軸套測得外徑平均值為?953.17mm，內(nèi)徑平均值為?900.55mm，滿足公差要求，見表1。

1.2 影響軸套尺寸配合的因素

通過對新銅基軸套投運后的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)存在以下三方面問題：

表1 軸套、樞軸和閥體孔洞配合尺寸mmTable 1 The mating dimensions of main inlet valve bushing，pivot and valve body hole

（1）軸套加工時沒有進行溫度控制，且現(xiàn)場測量軸套尺寸數(shù)據(jù)沒有歸算到20℃（注：公差配合中的數(shù)據(jù)都是在一個試驗標準溫度即換算到20℃時的公差。）；

（2）沒能考慮設備實際運行環(huán)境溫度（即該廠實際運行環(huán)境溫度在7℃到30℃之間）影響，未對軸套尺寸進行修正；

（3）沒有考慮過盈配合軸套壓入時收縮量對軸套內(nèi)徑的影響。

由于新軸套尺寸設計時忽略了上述溫度等因素的影響，導致軸套與樞軸之間的間隙在極端運行環(huán)境溫度中不滿足設計要求。因此，新軸套尺寸設計需要同時考慮和解決運行環(huán)境溫度、軸套材質和軸套壓入時收縮量等因素的影響。

2 新軸套尺寸設計方案

2.1 解決環(huán)境溫度因素對軸套尺寸的影響

因軸套直徑較大，容易受運行環(huán)境溫度影響，導致了軸套和樞軸間間隙發(fā)生變化。根據(jù)金屬熱脹冷縮原理[1]，解決環(huán)境溫度對軸套膨脹量的影響。為確保軸套在最低環(huán)境溫度運行時不發(fā)生軸套與閥體間相對位移，依據(jù)金屬熱脹冷縮公式（1），計算出軸套收縮量為：

式中t——加熱溫度；

t0——室溫，即歸算溫度（20℃）；

i——實測過盈量；

d——孔的名義直徑；

ka——膨脹系數(shù)。

將某廠實際運行數(shù)據(jù)代入公式（1）中，如下所示：

式中ka=17.6×10-6表示銅的膨脹系數(shù)，d=953mm。為確保軸套與閥體間仍有過盈量且軸套冷縮后不與閥體發(fā)生相當轉動，t0歸算到20℃。

從上述等式中，可以推導出當最低t=7℃時，銅軸套的冷縮量為：

另外，為了確保最低運行環(huán)境溫度時軸套冷縮后不轉動，軸套與閥體間過盈配合至少應滿足：

過盈量δ=[（+0.130）～（+0.310）]和收縮量i=（0.073～0.109）間的配合量即：

由于受到現(xiàn)場安裝條件限制，該廠實際過盈量選擇了靠下限值0.24mm。

2.2 彈性壓縮量對軸套尺寸的影響

軸套和閥體間為過盈配合，軸套安裝過程中發(fā)生彈性壓縮量，導致軸套內(nèi)徑縮小。根據(jù)過盈雙層組合圓筒原理和壓入軸套收縮系統(tǒng)計算原理[2]，解決了過盈雙層組合圓筒回裝后彈性壓縮量對軸套內(nèi)徑的影響。即在最高溫度30℃運行時軸套與樞軸間的間隙應滿足公差要求。

根據(jù)過盈雙層組合圓筒原理（見圖2）和壓入軸套收縮系統(tǒng)簡化公式[3]，結合圖1計算該廠軸套回裝后壓縮量。

壓入軸套收縮系統(tǒng)簡化公式：

圖2 過盈雙層組合圓筒原理Figure 2 Principle of interference double layer combined cylinder

圖2 中，ra表示軸套內(nèi)徑，rc表示軸套外徑，rb表示機體外徑。實際該廠ra=900mm/2，rb=1310mm/2，rc=953mm/2。

（2）查閱軸套與機體泊松比：μ1（銅）=0.4；μ2（鋼）=0.3；彈性模量：E1（銅）=104kg/mm2，E2（鋼）=2×104kg/mm2。將這些帶入公式（2）中得到k=0.93。

得出軸套安裝后向樞軸側的壓縮量為Δ=0.93×δ，其中δ為過盈量。即軸套安裝后軸套與樞軸間的單邊間隙將減少為：

為確保軸套和樞軸間配合間隙在最高溫度30℃下運行且不發(fā)生卡塞，故折算到20℃軸套內(nèi)徑尺寸理論上為：

另外，為確保軸套與樞軸間的密封效果，該廠選擇了靠下限附近的值：?900.90mm。

綜合上述計算，該廠新軸套根據(jù)實際安裝工藝和運行環(huán)境選擇了合適尺寸即軸套與閥體間過盈量選擇0.24mm（換算到20℃），軸套與樞軸間隙選擇0.90mm（換算到20℃）。

在軸套回裝后，除去金屬熱脹冷縮和彈性壓縮量影響，在20℃時，軸套回裝后與樞軸間的單邊間隙應為：

2.3 軸套加工時熱量會對軸套尺寸產(chǎn)生影響

因軸套材質和軸套半徑較大等因素，軸套尺寸易受溫度影響，故采用多層多次加工方式，解決軸套加工時產(chǎn)生的熱量對軸套尺寸的影響。該廠為減少軸套加工熱量對軸套尺寸影響，每次加工完成后，將銅套靜止24小時（注：確保銅套內(nèi)外與環(huán)境溫度保持一致），并用紅外測溫槍測溫后立即測量銅套尺寸，并核算加工量后立即進行加工，多次往復，不斷計算調整加工尺寸。該廠軸套加工后最終尺寸內(nèi)直徑為?900.91mm，外直徑為?953.244mm（換算到20℃）。

3 實施效果驗證

通過對環(huán)境溫度、回彈壓縮量和加工產(chǎn)生的熱量三個方面進行控制，某電站軸套回裝后恢復到環(huán)境溫度20℃，對軸套與樞軸間的8個對稱點進行測量（見圖3），測量軸套和樞軸對稱平均單邊間隙為0.22mm，與計算值相吻合，證明了本方案的有效性，見表2。

圖3 軸套與樞軸間的間隙測量點Figure 3 Measuring point of clearance between shaft sleeve and pivot

表2 軸套回裝后軸套和樞軸間的間隙測量尺寸mmTable 2 Measuring clearance between shaft sleeve and pivot after installation

新軸套投運2年多，歷經(jīng)7℃至30℃的運行環(huán)境溫度變化，主進水閥關閉時間穩(wěn)定在89～98s左右，徹底解決了主進水閥軸套卡塞問題。

4 結束語

本文通過某電廠主進水閥軸套卡塞問題分析，根據(jù)現(xiàn)場軸套實際運行數(shù)據(jù)，找出了影響軸套尺寸的相關因素，以金屬熱脹冷縮、軸套過盈雙層組合圓筒原理和理論計算為理論基礎，并提出了多層多次加工軸套的方法，徹底解決了該廠主進水閥樞軸卡塞問題，為其他電站類似的問題解決具有示范意義。