石國發(fā), 邵海波, 王學(xué)鵬, 李春川

(東方電氣集團東方電機有限公司, 德陽 618000)

隨著中國水電事業(yè)的不斷發(fā)展，大型水電站已成為水電發(fā)展的趨勢[1]。隨著水輪機組容量的不斷提升，機組的安全和穩(wěn)定運行顯得越來越重要。剪斷銷是水機導(dǎo)水機構(gòu)的受力保護裝置，其作用是當(dāng)導(dǎo)葉間有異物卡住時保護導(dǎo)水機構(gòu)及水輪機。剪斷銷保護裝置通常由剪斷銷及其信號器組成，其中剪斷銷是用來連接導(dǎo)葉傳動機構(gòu)中的連桿和導(dǎo)葉臂的，信號器則是用來監(jiān)視剪斷銷是否剪斷。正常情況下導(dǎo)葉在工作過程中，剪斷銷有足夠強度帶動導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動。但當(dāng)導(dǎo)葉間有異物卡住時，導(dǎo)葉軸和導(dǎo)葉臂不能動，而連桿在調(diào)速器及調(diào)速環(huán)帶動下轉(zhuǎn)動，因此對剪斷銷產(chǎn)生剪切力。當(dāng)作用力增大到正常應(yīng)力的1.5倍時，受卡導(dǎo)葉處剪斷銷被剪斷，被卡住的導(dǎo)葉不再做關(guān)閉動作，而其他導(dǎo)葉繼續(xù)向關(guān)閉方向運動，以起到避免事故擴大的作用[2-4]。

剪斷銷在電站運行中頻繁剪斷的事故時有發(fā)生[5-7],剪斷銷剪斷是水電廠較為嚴重的故障之一。當(dāng)剪斷銷被剪斷后，一般需對壓力鋼管及尾水管排水后，進入蝸殼檢查導(dǎo)葉是否有異物卡住，會花費大量的時間和人力，直接影響機組正常運行，造成嚴重的經(jīng)濟損失。剪斷銷剪斷的次數(shù)越多，損害程度越大；剪斷情況越頻繁發(fā)生，對機組安全、穩(wěn)定運行的威脅也越大。

在剪斷銷設(shè)計和安裝優(yōu)良的情況下，剪斷銷能否起到保護作用取決于剪斷銷是否能在規(guī)定的剪切力下剪斷。當(dāng)剪斷銷本身質(zhì)量有缺陷或者設(shè)計強度不足時，也可能會由于疲勞損傷等原因而剪斷[8]。因此，進行巨型水輪機組剪斷銷剪切試驗以及控制批量剪斷銷剪切力的波動是很有必要的。

1 剪切試驗原理

剪斷銷示意圖如圖1所示?？梢娂魯噤N剪切力的大小取決于剪斷銷剪切面外徑d、內(nèi)孔徑d1及材料的剪切強度τb等3個因素。

圖1 剪斷銷示意圖Fig.1 Diagram of shear pin

理論條件下，將單件剪斷銷看作均勻材料，材料剪切強度可經(jīng)過剪切試驗直接得到，或通過力學(xué)性能試驗間接估算得到。剪切力F與剪切強度和剪切面積A的關(guān)系為

(1)

由式(1)可見，在內(nèi)孔徑和剪切強度不變的情況下，剪切力與剪切面外徑正相關(guān)。剪斷銷剪切面外徑越大，則剪切力越大。

2 剪切試驗現(xiàn)狀及方案分析

2.1 試驗的必要性

在機組設(shè)計剪斷銷時，剪斷銷設(shè)計剪切力和選用的剪斷銷材料會根據(jù)水輪機組運行工況和機組結(jié)構(gòu)設(shè)計的變化而變化。選用的剪斷銷材料和設(shè)計剪切力不同，剪斷銷的剪切面外徑d和內(nèi)孔徑d1均會不同。要保證按設(shè)計尺寸加工得到的剪斷銷剪切力符合機組使用要求，在剪斷銷尺寸設(shè)計時，一般情況下需要進行下面3個步驟：一，針對選用的材料進行力學(xué)性能試驗，估算剪斷銷剪切面尺寸；二，在保持剪斷銷內(nèi)孔徑不變的情況下，根據(jù)估算的剪切面尺寸加工出3件剪切面外徑呈梯度增加的剪斷銷，并進行剪切試驗，獲得剪斷銷尺寸和剪切力的相關(guān)曲線；三，根據(jù)剪斷銷尺寸和剪切力的相關(guān)曲線，選擇符合設(shè)計剪切力的剪斷銷尺寸。因此剪斷銷剪切試驗是設(shè)計剪斷銷的必要步驟。

大尺寸安全銷實物單面剪切試驗是無法用小試樣性能試驗替代的[9]。為獲得剪斷銷在設(shè)計工作尺寸狀態(tài)下的剪切力，驗證前期估算的成品剪斷銷剪切面外徑尺寸的合理性，巨型水輪發(fā)電機組用剪斷銷的尺寸(d和d1)在進行剪斷力試驗時不允許尺寸縮減。因此，有必要完成全尺寸狀態(tài)下的剪斷銷剪切試驗。

2.2 試驗難點

巨型水輪發(fā)電機用剪斷銷的設(shè)計剪切力約1 700 kN，剪切力非常大。筆者了解到東方電機有限公司及周邊萬能試驗機的最大量程僅為2 000 kN，僅超過剪斷銷設(shè)計剪切力約17.5%，且從未測試過如此高的試驗力。另外，剪切力試驗必須使用專用的剪斷工裝。東方電機有限公司剪斷銷專用剪斷工裝示意圖如圖2所示，為拉剪切剪斷銷試驗工裝。該剪斷銷工裝允許使用的計算最大拉力為1 900 kN，僅比設(shè)計剪切力1 700 kN高出12.0%左右，設(shè)備安全余量較小，工裝提前破斷的風(fēng)險較大。在不對剪斷銷剪切面尺寸進行比例縮減的情況下，試驗很容易造成試驗設(shè)備損壞及其附屬剪斷工裝的斷裂破壞。

圖2 剪斷銷剪斷工裝示意圖Fig.2 Diagram of shear pin cutting tooling

2.3 可行性分析

根據(jù)上述情況，測試巨型水輪發(fā)電機用剪斷銷的極限剪切力必須在全剪切面尺寸的條件下，且只能采用2 000 kN的微控電液伺服萬能試驗機和剪斷工裝進行剪切試驗。為保證試驗的順利進行，首先在剪斷銷材料達到加工成品剪斷銷的熱處理狀態(tài)后，對該材料抽樣進行一組常溫力學(xué)性能試驗，得到剪斷銷材料的規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2、抗拉強度Rm、斷后伸長率A、斷面收縮率Z、沖擊吸收能量KV2和布氏硬度等力學(xué)性能參數(shù)。然后將力學(xué)性能測試結(jié)果交付機組設(shè)計者，機組設(shè)計者根據(jù)力學(xué)性能參數(shù)預(yù)估出實際剪斷銷剪切面外徑d和剪斷銷內(nèi)孔徑d1，并按此加工剪斷銷剪切面尺寸。經(jīng)過上述步驟之后，筆者預(yù)估計算出該批次剪斷銷剪切力不會超過1 800 kN，能夠采用東方電機有限公司的試驗工裝完成巨型水輪機組全尺寸剪斷銷的剪切試驗。

3 剪切試驗方法

3.1 力學(xué)性能試驗

3.1.1 試樣制備

巨型水輪發(fā)電機用剪斷銷料坯材料為42CrMo鋼，熱處理狀態(tài)為鍛后調(diào)質(zhì)處理。從21件剪斷銷料坯中隨機抽取其中一件料坯并加工一組力學(xué)性能試樣，包括兩件拉伸試樣、兩件U型沖擊試樣和一件布氏硬度試樣。

3.1.2 試驗方法

根據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的技術(shù)要求，采用WDW-300型微機控制電子萬能試驗機，測量規(guī)定塑性延伸強度Rp0.2、抗拉強度Rm、斷后伸長率A、斷面收縮率Z,電子萬能試驗機的量程為300 kN，測量精度為0.5%；根據(jù)GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》的技術(shù)要求，采用PLT302D-3型金屬擺錘自動沖擊機在室溫(23 ℃)下測量沖擊吸收能量；根據(jù)GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的技術(shù)要求，采用TH608型數(shù)顯布氏硬度計測量布氏硬度。

3.1.3 試驗結(jié)果

剪斷銷料坯材料的力學(xué)性能試驗結(jié)果如表1所示。 可知試驗結(jié)果符合剪斷銷設(shè)計圖紙對剪斷銷原材料力學(xué)性能的要求。獲得表1數(shù)據(jù)后，機組設(shè)計者根據(jù)表1測得的力學(xué)性能參數(shù)，估算剪斷銷剪切面外徑和剪斷銷內(nèi)孔徑的預(yù)設(shè)計尺寸。

表1 剪斷銷力學(xué)性能試驗結(jié)果Tab.1 Test results of mechanical properties of shear pin

3.2 剪切試驗

3.2.1 試樣制備

從上述剩余的20件剪斷銷料坯中再隨機抽取3件加工剪斷銷試樣。剪斷銷試樣加工尺寸為設(shè)計估算的剪斷銷預(yù)設(shè)計尺寸。3件剪斷銷內(nèi)孔徑尺寸一致，剪切面外徑的預(yù)設(shè)計尺寸成梯度增加，如表2所示。

表2 剪斷銷剪切面外徑設(shè)計尺寸Tab.2 Design dimension of outer diameter of shear pins shear surface mm

加工后的剪斷銷試樣示意圖如圖1所示，剪斷銷外徑D約為110 mm，設(shè)計剪切力為1 700 kN。

3.2.2 試驗設(shè)備

試驗采用微機控制電液伺服萬能試驗機，其量程為2 000 kN，測量精度為1.0%。

試驗工裝采用東方電機有限公司自制的剪斷銷專用剪斷工裝，其示意圖如圖2所示，圖中D為試驗套內(nèi)徑，該剪斷工裝的最大承拉力為1 900 kN。剪切試驗時，將剪斷銷放在兩試驗套內(nèi)，與兩試驗套間隙配合。試驗過程中，工裝的一端保持不動，另一端隨試驗機上夾具向上移動，兩試驗套隨之分離，使其中的剪斷銷剪切面受到拉剪力而剪斷。

3.2.3 試驗方法

確認設(shè)備和剪斷工裝狀態(tài)正常后，分別對1～3號剪斷銷進行拉剪-單剪試驗，測量剪斷銷的最大剪切力。

1,2號剪斷銷正常剪斷，3號剪斷銷在試驗過程中并未剪斷，而是剪斷銷工裝破斷。

由于工裝破斷，3號剪斷銷未完成試驗，因此加工了4號剪斷銷(剪切面外徑d=73.49 mm)，并重新加工了一套剪斷銷工裝以繼續(xù)完成試驗。

剪切試驗結(jié)果如表3所示，可知1，2號剪斷銷剪切力接近設(shè)計剪切力，而3號剪斷銷剪切力高于1號和2號剪斷銷的約110 kN。

表3 剪斷銷剪切試驗結(jié)果Tab.3 Shear test results of shear pins

3.2.4 試驗結(jié)果分析

分析表3中3件剪斷銷剪切面外徑及剪切力的變化可以發(fā)現(xiàn)，在剪切面外徑增加0.5 mm的情況下，2號剪斷銷剪切力相對于1號的增幅為25 kN，3號剪斷銷剪切力相對于2號的增幅至少為110 kN，遠超理論值。3件剪斷銷內(nèi)孔徑一致，而在剪切面外徑增量相同的情況下，剪刀力的增幅差距卻很大，由此根據(jù)式(1)可推斷1號、2號和3號剪斷銷材料強度不一致，即τb不同。

3.3 硬度測試

由于剪斷銷已經(jīng)剪斷，不再方便進行剪切強度試驗。出于對料坯尺寸和試驗成本等因素的考慮，企業(yè)也不可能對每件剪斷銷進行剪切試驗。根據(jù)經(jīng)驗可知，材料強度越高，其硬度也越高[10-11]。因此用巨型水輪發(fā)電機剪斷銷端部表面布氏硬度來間接反映剪斷銷材料的剪切強度。

根據(jù)GB/T 17394.1-2014《金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的技術(shù)要求，采用配備D型探頭的TH160型里氏硬度計對上述1～4號剪斷銷進行硬度測試。有文獻表明，檢測面經(jīng)百葉輪打磨后的里氏硬度試驗結(jié)果與拋光狀態(tài)的差值很小[12]，因此，該剪斷銷表面采用百葉輪打磨至表面粗糙度Ra不大于1.6 μm。測試結(jié)果由硬度計直接將里氏硬度轉(zhuǎn)換為布氏硬度，多次硬度測試結(jié)果平均值如表4所示。同時，將4件剪斷銷各加工一件布氏硬度試樣，根據(jù)GB/T 231.1-2018的技術(shù)要求，測試其硬度，結(jié)果如表4所示。

表4 各剪斷銷布氏硬度測試結(jié)果Tab.4 Brinell hardness test results of shear pins

可以看出，1號和2號剪斷銷之間硬度差距很小，為9 HBHLD,6 HBW；3號剪斷銷端部表面的布氏硬度比1號和2號的高出約20 HBHLD,25 HBW，差距較大;4號剪斷銷端部表面的布氏硬度更高，與1號和2號剪斷銷的差距也更大。

3.4 剪切試驗和硬度測試結(jié)果分析

根據(jù)上述剪切試驗結(jié)果和硬度測試結(jié)果，綜合分析后得出以下結(jié)論和推論。

(1) 在現(xiàn)有僅支持1 900 kN的剪斷銷工裝和試驗機條件下，增補的4號剪斷銷無法順利完成試驗。為避免再次破壞剪斷工裝，造成壽命周期成本浪費，應(yīng)立即停止進行該剪切試驗。

(2) 大尺寸超高剪切力的剪斷銷剪切試驗成本高，設(shè)備破損風(fēng)險大。在保證實際試驗結(jié)果有效性和剪斷銷剪切力均勻性受控的情況下，若能征得設(shè)計者和客戶的同意，適當(dāng)?shù)販p小剪斷銷剪切試驗的剪切面尺寸，能降低超高剪切力剪斷銷在剪切試驗過程中對試驗機設(shè)備和試驗工裝造成的壓力，提高剪切面尺寸的確認速度和試驗效率。

(3) 對比表3和表4數(shù)據(jù)可以看出，1號和2號剪斷銷之間硬度差距較小，剪斷銷剪切力差距也較?。?號剪斷銷與1號和2號剪斷銷之間硬度的差距較大，剪切力的差距也較大。硬度越高的剪斷銷，剪切力也越高，說明剪斷銷剪切力與硬度之間存在一定的相關(guān)性。

為此，選用不同硬度的42CrMo鋼材料，加工成試樣進行剪切試驗，試驗結(jié)果如圖3所示。可見隨著材料硬度的增加，材料的剪切強度也隨之增加。根據(jù)式(1)，在剪切面尺寸保持不變的情況下，剪切強度增加，剪切力也會隨之增加。

圖3 42CrMo鋼布氏硬度與剪切強度的相關(guān)性Fig.3 Correlation between Brinell hardness and shear strength of 45CrMo steel

可以通過剪斷銷的布氏硬度來間接反映剪斷銷剪切強度，進而反映剪切力的水平。因此，可以通過控制剪斷銷的布氏硬度波動來間接控制剪斷銷的剪切強度波動，實現(xiàn)對剪斷銷剪切強度均勻性和剪切力波動性的控制。

3.5 批量剪斷銷硬度試驗

巨型水輪發(fā)電機剪斷銷材料截面尺寸較大，外徑約為110 mm。同一爐批次鍛造和熱處理的剪斷銷實際上存在著熱處理的不均勻性和材料的不均勻性，導(dǎo)致不同根剪斷銷材料之間的硬度和強度存在較大差異。隨機抽取了16件剪斷銷料坯進行硬度測試，結(jié)果如表5所示。

表5 批量剪斷銷硬度測試結(jié)果Tab.5 Hardness test results of batch shear pins HBHLD

可見該批次剪斷銷之間硬度確實存在較大的差異，最大相差129 HBHLD，整批材料的硬度波動明顯。材料硬度的劇烈波動將造成剪斷銷剪切強度的劇烈波動，導(dǎo)致剪斷銷剪切力的劇烈波動。剪斷銷剪切力的劇烈波動將直接影響剪斷銷試驗的完成情況，影響成品剪斷銷剪切面加工尺寸選擇的合理性，進而影響剪斷銷在機組中使用的安全性和可靠性。

3.6 最終試驗方案——控制硬度均勻性

為了控制批量剪斷銷剪切力的均勻性，獲得剪切力波動性合適的批量剪斷銷，剪斷銷的一致性檢驗是有必要的。在實際生產(chǎn)過程中，受檢驗成本及剪斷銷尺寸等因素影響，相較于對每件剪斷銷進行常溫力學(xué)性能試驗或剪切試驗，在材料尺寸和質(zhì)量滿足硬度測試標準的條件下，對每件剪斷銷進行硬度測試是可以實現(xiàn)的，而且具有便捷和可操性等優(yōu)點。作者研究的巨型水輪發(fā)電機剪斷銷尺寸符合里氏硬度檢測標準GB/T 17394.1-2014對D型探頭的要求，可以進行剪斷銷硬度測試。

實際操作時，應(yīng)首先調(diào)整和固化剪斷銷材料的鍛造和熱處理工藝，保證剪斷銷料坯的熱處理均勻性和硬度均勻性，嚴格控制熱處理質(zhì)量。當(dāng)材料達到設(shè)計使用的熱處理狀態(tài)和材料性能后，將剪斷銷的端部平面打磨至Ra不大于1.6 μm即可進行硬度測試。對該批次材料進行重新熱處理后，實測16件剪斷銷料坯的硬度，結(jié)果如表6所示。

表6 重新熱處理后同一批次剪斷銷硬度測試結(jié)果Tab.6 Hardness test results of the same batch shear pins after heat treatment again HBHLD

可見重新熱處理后實際硬度波動差為70 HBHLD。為了使剪斷銷硬度波動更小，選擇加工時，可以剔除硬度與平均值271 HBHLD差距較大的試樣8，16兩件料坯，再加工剪斷銷。

根據(jù)上述硬度測試結(jié)果，隨機選取一件剪斷銷進行力學(xué)性能試驗,并重新預(yù)估剪斷銷內(nèi)孔徑尺寸和剪斷銷剪切面外徑后，再次加工3件剪斷銷進行全尺寸剪切試驗。3件編號分別為7，1，2的剪斷銷均成功剪斷，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 剪斷銷重新剪切試驗結(jié)果Tab.7 Results of shear test again of shear pins

可見通過批量剪斷銷布氏硬度測試，從中挑選出布氏硬度波動較小的剪斷銷，控制剪斷銷料坯的布氏硬度均勻性，可以實現(xiàn)控制剪斷銷剪切力的波動性和均勻性，為最后成品剪斷銷尺寸的確認提供了保障，并達到了控制批量剪斷銷剪切力和質(zhì)量的目地。

4 結(jié)論

通過上述分析和試驗，可以采用控制批量剪斷銷材料的布氏硬度波動來控制剪斷銷剪切力的波動，具體有以下幾個步驟。

(1) 嚴格控制剪斷銷材料的鍛造和熱處理質(zhì)量，為控制批量料坯的硬度均勻提供保障。

(2) 在剪斷銷材料經(jīng)熱處理后，對剪斷銷材料進行力學(xué)性能試驗，判斷材料性能與使用要求的符合性，確定剪斷銷硬度波動性控制范圍。

(3) 對剪斷銷進行批量硬度測試，并按硬度波動性要求挑選剪斷銷，進行硬度均勻性控制。

(4) 根據(jù)剪斷銷材料力學(xué)性能試驗結(jié)果，初步確定剪斷銷剪切面加工尺寸。

(5) 從挑選出的剪斷銷料坯中選出3件，加工剪切試樣，并進行剪切試驗。

(6) 通過剪切試驗結(jié)果，確定最終剪斷銷剪切面加工尺寸。

結(jié)合當(dāng)前剪切試驗條件，采用上述6個步驟，通過控制批量剪斷銷布氏硬度波動的方式實現(xiàn)了控制剪斷銷剪切力波動，從而實現(xiàn)了對成品剪斷銷質(zhì)量的控制，基本滿足了巨型水輪機剪斷銷的試驗和使用要求。實際運行結(jié)果穩(wěn)定、可靠，具有非常高的便利性、可操作性和經(jīng)濟性。