程 猛 呂博儒

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)618000）

1 技術(shù)背景和技術(shù)問(wèn)題描述

1.1 技術(shù)背景

為滿(mǎn)足電網(wǎng)上網(wǎng)頻率的要求，水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，需保證水輪發(fā)電機(jī)組在不同工況和負(fù)載下轉(zhuǎn)速恒定。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速恒定，水輪機(jī)是通過(guò)調(diào)速器根據(jù)檢測(cè)轉(zhuǎn)速偏差值發(fā)出調(diào)節(jié)指令，通過(guò)操作油壓變化控制接力器動(dòng)作，帶動(dòng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度，從而改變機(jī)組流量來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以達(dá)到機(jī)組轉(zhuǎn)速在規(guī)定范圍內(nèi)運(yùn)行[1]。

接力器桿頭就是將接力器的操作力傳遞給導(dǎo)水操作機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。大型混流式水輪機(jī)接力器桿頭連接結(jié)構(gòu)傳遞接力器操作力載荷大（三峽機(jī)組最大操作力約為3500KN），桿頭所受應(yīng)力交變頻率高，應(yīng)力幅值變化大，桿頭結(jié)構(gòu)抗疲勞要求高。

桿頭的安全性和可靠性，對(duì)整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組尤為重要。如果桿頭聯(lián)接出了問(wèn)題，將嚴(yán)重影響機(jī)組開(kāi)機(jī)和運(yùn)行。

1.2 技術(shù)問(wèn)題描述

三峽、溪洛渡等機(jī)組接力器桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)為整體桿頭結(jié)構(gòu)，整體桿頭為鑄件（如圖1），桿頭與活塞桿通過(guò)螺紋聯(lián)接，與推拉桿通過(guò)推拉桿銷(xiāo)聯(lián)接。

根據(jù)已投運(yùn)電站安裝反饋，傳統(tǒng)整體桿頭電站安裝困難，大螺紋安裝時(shí)接力器中心和桿頭中心對(duì)正困難，螺紋安裝時(shí)易出現(xiàn)軸線不正，造成桿頭內(nèi)外螺紋咬合卡死等問(wèn)題，造成安裝事故，嚴(yán)重時(shí)將影響電站機(jī)組安裝和發(fā)電目標(biāo)[2]。

帶外螺紋活塞桿在外螺紋根部存在應(yīng)力集中，國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的電站曾出現(xiàn)該位置疲勞斷裂[3]。

隨著水輪機(jī)出力的增加，桿頭傳遞的操作力也在增加，針對(duì)于原結(jié)構(gòu)桿頭為鑄件，從材料方面改善是有限的，最終結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)只能增大桿頭結(jié)構(gòu)尺寸和重量，電站安裝時(shí)整體桿頭越重，裝配越困難。有些電站反映在機(jī)組檢修時(shí)，整體桿頭難以拆下。

圖1 整體桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)

2 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

本文通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)接力器桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)，新結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，解決了原整體桿頭存在的問(wèn)題：

2.1 新結(jié)構(gòu)徹底消除由于桿頭自身重量大所引起的安裝和拆卸困難問(wèn)題。

2.2 大幅改善安裝過(guò)程中螺紋容易咬合粘連的問(wèn)題。

2.3 通過(guò)應(yīng)用TRIZ 創(chuàng)新方法，新結(jié)構(gòu)解決了活塞桿根部應(yīng)力集中的問(wèn)題。

3 技術(shù)創(chuàng)新

3.1 整體桿頭結(jié)構(gòu)

按白鶴灘水輪機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)計(jì)算滿(mǎn)足要求的接力器整體桿頭如圖1，部件重量總重為3411kg，其中整體桿頭重量為1763kg。

3.2 創(chuàng)新方案1 設(shè)計(jì)

通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，新桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖2，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量可以減輕，整體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的，桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)總重量為1996kg，最終的推拉桿銷(xiāo)重量為750kg。

圖2 創(chuàng)新方案1

對(duì)創(chuàng)新方案1，進(jìn)行有限元計(jì)算和疲勞計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果顯示活塞桿根部應(yīng)力偏高，不滿(mǎn)足要求。

通過(guò)分析優(yōu)化設(shè)計(jì)根部結(jié)構(gòu)，共設(shè)計(jì)出三種優(yōu)化后活塞桿根部結(jié)構(gòu)，以期改善和解決根部應(yīng)力集中的問(wèn)題，通過(guò)有限元分析，應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在拉工況時(shí)，方案一最大值為504.5Mpa，方案二最大值為506.0 Mpa，方案三為483.3 Mpa。

從計(jì)算結(jié)果看，創(chuàng)新方案1 存在根部應(yīng)力集中問(wèn)題，根據(jù)應(yīng)力副、循環(huán)次數(shù)和S-N 曲線計(jì)算出，方案二活塞桿壽命最長(zhǎng)，僅31.67 年，方案一和方案三壽命僅不足15 年。不滿(mǎn)足合同保證至少40 年的要求。如果運(yùn)行過(guò)程中活塞桿根部出現(xiàn)疲勞斷裂，發(fā)電機(jī)組不能運(yùn)行，且整根活塞桿需要返廠更換。

圖3 活塞桿根部圓角優(yōu)化方案

表1 各工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.3 創(chuàng)新方案2 設(shè)計(jì)

為徹底解決創(chuàng)新方案1 中活塞桿根部應(yīng)力集中，利用TRIZ創(chuàng)新方法中的分割原理，把形成根部圓角的部件分割開(kāi)來(lái)。通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)原帶外螺紋活塞桿，分離為活塞桿和雙頭螺柱，徹底消除根部應(yīng)力集中，二者通過(guò)螺紋把合聯(lián)接。

圖4 創(chuàng)新方案2

圖5 活塞桿改善前后根部應(yīng)力計(jì)算

通過(guò)有限元計(jì)算，新結(jié)構(gòu)消除了原結(jié)構(gòu)根部應(yīng)力集中問(wèn)題。活塞桿最大拉應(yīng)力從506MPA 降低至161.76MPA，降低約67%，并小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

新桿頭結(jié)構(gòu)（如圖4）包括活塞桿（內(nèi)螺紋），雙頭螺柱，推拉桿銷(xiāo)，超級(jí)螺母和推拉桿等。新桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，消除了活塞桿根部應(yīng)力集中問(wèn)題，桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)工藝性提高，顯著降低生產(chǎn)難度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且安裝便利。應(yīng)用TRIZ 創(chuàng)新方法使高成本活塞桿與高應(yīng)力易疲勞部件分離，方便維護(hù)，同時(shí)大幅降低了安裝時(shí)螺紋咬扣風(fēng)險(xiǎn)。

新桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)已應(yīng)用于白鶴灘電站左岸8 臺(tái)水輪機(jī)，經(jīng)過(guò)工程實(shí)際應(yīng)用反饋，新桿頭結(jié)構(gòu)安裝和拆卸方便，且新桿頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝精度容易保證。此接力器桿頭聯(lián)接結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請(qǐng)專(zhuān)利。