掛治電廠導葉接力器結構優化

2018-05-25 07:04:44葉江寧

水電站機電技術 2018年5期

李偉，葉江寧

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南長沙410004）

0 引言

掛治水電廠位于沅水干流上游河段的清水江中下游，壩址距貴州錦屏縣城7 km，是沅水梯級規劃的第三級，工程以發電為主，兼有改善航運條件等綜合利用效益。電廠為低水頭河床式電站，是三板溪電站的反調節電站，具有日調節性能。總裝機容量150 MW，安裝三臺單機容量50 MW的軸流轉槳式機組,電站保證出力42.5 MW，多年平均發電量4.021億kW·h。

該電廠每臺機組導水機構裝有3臺接力器，接力器沿周向布置（如圖1），尾座安裝在支持蓋上，另一側連接控制環，為搖擺式結構，每臺接力器兩頭均裝有球軸承，可自行調節缸體與活塞桿的相對水平度。自機組投產以來，發生過多次接力器故障：機組停機過程中接力器前端蓋銅套磨損嚴重甚至破裂，造成活塞桿卡死，機組無法正常停機；接力器尾座固定銷軸上竄造成接力器水平度超標，接力器水平度偏差大；機組運行中接力器前端蓋漏油頻繁。

本文針對掛治電廠機組導葉接力器存在的諸多問題，以改變結構設計、完善材質運用等手段進行了優化改造，有效解決了上述各類問題。

1 原因分析

（1）原接力器兩端采用球軸承進行連接（如圖2）。前端蓋導向銅套與接力器前缸蓋采用過渡配合，其與前缸蓋通過騎縫螺釘進行固定，易發生螺釘竄出，固定力度不夠致使導向銅套軸向竄動移位，限位導向作用減輕。因球軸承能夠自行調節缸體及活塞桿水平度，活塞桿伸出時接力器受重力作用發生彎折，導向銅套處成為拐點，即活塞缸與活塞桿夾角α＜ 180°，如圖 3。

圖1

圖2

圖3

彎折狀態運行時活塞桿與導向銅套摩擦力增大，進一步加劇導向銅套移位，并使其磨損甚至開裂，造成發卡。

（2）接力器尾座銷軸與支持蓋采用過盈配合裝配，過盈量較小，長期交變力作用致使銷軸逐漸竄出支持蓋銷孔，尾座高程變化，接力器水平發生改變，其動作姿態受影響。

（3）接力器前端蓋密封壓蓋采用了單層丁腈橡膠“O”型密封圈密封形式，根據丁腈橡膠應力加速老化行為，在應力作用下丁腈橡膠的分子鏈發生取向變形，鍵長和鍵角發生改變并受到約束，分子鏈的斷裂活化能降低、老化進程加快，壽命縮短。當丁腈橡膠不受任何應力作用時，其在常溫下的貯存壽命較受彎曲應力作用時的貯存壽命長一倍左右；在拉伸應力和彎曲應力同時作用時，貯存壽命甚至縮短為不受任何應力作用時的1/10【1】。

當油壓作用時，“O”型密封圈形態如圖4所示。

圖4

件1、件2相對運動易使棱角“Q”反復剪切密封圈本體，導致其斷裂。可見丁晴橡膠密封件動密封性能較差，接力器長期運行易造成其老化損壞，密封性能降低引起內部壓力油泄漏。

2 優化改造

（1）為了改善接力器前端蓋導向銅套受力情況，將接力器尾部球軸承更改為圓柱形軸承（圖5），可限制接力器偏移、側傾、彎折等，優化其動作姿態，同時降低接力器動作時與頂蓋干涉的可能性，大幅減小導向銅套竄位與磨損。

47%異隆·丙·氯吡可濕性粉劑 3 000 g/hm2 與3%甲基二磺隆油懸浮劑混用起到了封殺兼顧的作用，莖葉防效高，且封閉持效期長，1次施藥基本能控制晚播麥田雜草危害，具有一定的推廣應用前景。但由于除草劑藥效的發揮及其安全性易受溫度等因素的影響，在溫度波動幅度大的地區應注意避開低溫用藥。

圖5

圖6

如圖6所示，因圓柱軸承的限位作用，接力器自重形成彎矩M，B處承受扭力以產生反作用彎矩，在圓柱銷許用應力足夠的情況下接力器活塞缸將不發生較大下垂，保持圖3中夾角α接近180°。

圓柱銷最小直徑D為φ180 mm，軸承內徑d為φ180 mm，高度h為95 mm。

接力器主要參數如下：

活塞缸徑：φ350 mm；

活塞桿徑：φ160 mm；

額定油壓：6.3 MPa；

額定油壓時接力器傳遞到圓柱銷上的作用力：

圓柱銷斷面面積：

則圓柱銷承受的最大剪應力：

鍛35CrMo是合金結構鋼，用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的各種機器中的重要零件，如發動機曲軸、連桿等，具有很高的靜力強度、沖擊韌性及較高的疲勞強度，鍛35 CrMo屈服強度為500 MPa，取安全系數為6，其許用剪應力：

[τ]1=500/6=83.3（MPa）

原材質45號鋼屈服強度為355 MPa，許用剪應力 [τ]2=355/6=59.2（MPa）。

考慮到接力器長期承受較大強度的交變載荷，顯然，圓柱銷材質選擇鍛35 CrMo更為穩定可靠。

在F作用下，軸套的平均應力為：

薄壁雙金屬自潤滑軸承許用承壓能力為30～50 MPa，若使用銅基自潤滑軸承，其許用承壓能力可提高到80 MPa以上。顯然，采用銅基自潤滑軸承更合適。軸承銅套采用鋁青銅--銅合金鑲嵌自潤滑軸承（FZB052，圖7），其具有較高的載荷及抗腐蝕性能。

圖7

當接力器頭部懸空時，直徑φ180的鍛35 CrMo圓柱銷配合銅--銅合金鑲嵌自潤滑軸承（FZB052）不引起活塞缸水平發生明顯變化，其與支持蓋通過過盈配合連接，在其冷套入支持蓋銷孔后與孔口四周點焊四點，以保證圓柱銷不上竄出銷孔引起接力器尾座抬高。

圓柱銷與支持蓋采用段焊方式進行焊接，在圓周方向等分四段焊縫，每段長度約60 mm，之間空出四段不焊，如圖8。

圖8

（2）對前端蓋活塞桿導向銅套進行改造，保證其具有良好的潤滑性和機械性能，新的銅套采用鋁青銅材ZCuAl10Fe5Ni5材質，其化學成分及機械性能符合表1要求。

表1

摒棄騎縫螺釘固定形式，將軸套固定法蘭加寬并加工8個均布的沉孔，使用高強度沉頭螺栓與活塞缸把合以提高固定的可靠性，銅套與接力器前端蓋之間采用過盈配合裝配，如圖9。

為了進一步減少活塞桿各部位摩擦阻力，對活塞桿表面重新鍍鉻，打磨拋光，按國家標準GBll379-2012《金屬覆蓋層工程用鉻電鍍層》及GB/T12611-2015《金屬零件鍍覆前質量控制技術要求》標準規定執行；在活塞外圓加工2條厚度為2.5 mm，寬度25 mm的導向環溝槽，并增加兩道聚四氟乙烯導向帶以減少活塞與活塞缸的摩擦力；為活塞外圓加工兩處密封槽，密封型號為GSF3500，以減少接力器有桿腔與無桿腔竄油。如圖10所示。

（3）針對前缸蓋漏油的問題，在接力器前端蓋密封壓蓋上加裝“Y”型密封圈，密封圈材質選取聚氨酯材料，其具有良好的耐油性、韌性、耐磨性、耐老化性，良好的動密封性能。前端蓋密封壓蓋上的“O”型密封圈及防塵圈不作變動，如下頁圖11。