掛治電廠搖臂式接力器優化設計改造

龔利恒 羅先洪

摘 要：掛治電廠2007年機組開始投產運行，每臺機組采用3臺搖臂式直缸接力器均勻分布，本文介紹了接力器運行中發現的問題及優化改造情況。

關鍵詞：直缸式;接力器;優化改造

0 概述

掛治水電站位于沅水干流上游河段的清水江中下游，是沅水梯級規劃的第三級，2007年三臺機組相繼投產發電。在設備運行過程中發現接力器運行工況較差，在與廠家及電科院專家進行溝通后，決定對接力器進行優化改造，下面介紹改造情況。

1 改造前設備狀況

掛治電廠每臺機組有3臺搖臂式直缸接力器，并于2010年投入AGC調節，調節頻繁使導水機構動作次數增加，接力器調節頻率增大?，F將接力器運行中發現的主要問題匯總如下：

（1）接力器前缸蓋導向軸套曾發生往內移的情況;

（2）導向軸套的水平位置曾發生撕裂破壞，而非上下位置，導致導葉接力器出現漏油事故;

（3）支持蓋端銷子上竄，后已焊住;

（4）因導葉接力器壓緊行程偏小，導致活動導葉關不嚴，進而導致漏水量大。

2 改造思路

（1）將每臺機的3臺導葉接力器兩端原來的自潤滑球形軸承改造優化為控制環端的自潤滑球形軸承維持不變，支持蓋端的自潤滑球形軸承更換為自潤滑圓柱形軸套;

（2）由于改造后接力器缸體的自重有部分由支持蓋端自潤滑圓柱銷承擔，為降低應力集中，將支持蓋端圓柱銷外徑180mm與外徑190mm處的過渡半徑由原來的R1.5加大到R4。

（3）將每臺機的3臺導葉接力器中前端蓋與活塞桿之間的導向軸套更換為外徑配合更緊的、強度更好的ZCuAl10Fe5Ni5軸套，增加其耐磨性能。外徑設計由過盈配合Φ190H7（+0.046/0）/p6（+0.079/+0.050）修改為更緊的過盈配合Φ190H7（+0.046/0）/s6（+0.151/+0.122），過盈量由原來的（+0.004/+0.125）mm變為（+0.122/+0.197）mm。

3 改造分析

采用通用有限元分析軟件ANSYS對掛治接力器的原有方案和結構優化的改造方案進行了有限元分析計算，并對改造前后2種方案進行對比分析：

3.1 有限元模型及邊界條件

選取活塞缸、活塞桿、活塞和卡環作為有限元分析的對象，進行全模型分析。有限元模型共2497997個節點，1446156個單元。

計算的邊界條件及載荷為：計算全關狀態，活塞在最外端;銷子支點處高程一致，銷子固定面全約束;各部件間設置接觸;考慮自重1.6t，忽略油重;左腔設置油壓4.2MPa。

3.2 有限元結果分析

3.2.1 改造前

由計算得知，最大位移為0.81mm，出現在活塞上，主要表現為軸向變形，活塞處最大豎向位移為0.58mm;最大應力159MPa，出現在控制環端自潤滑球形軸承的連接銷的倒角上;支持蓋端的自潤滑球形軸承的圓柱銷的應力為102MPa;其余部位的應力均小于100MPa。導向軸套的最大應力為19.2MPa，遠小于其許用應力。

3.2.2 改造后

計算得知最大位移為0.37mm，出現在活塞上，主要表現為軸向變形。活塞處最大豎向位移為-0.14mm。最大應力194.9MPa，出現在支持蓋端自潤滑圓柱形軸承的圓柱銷的倒角上?？刂骗h端自潤滑球形軸承的連接銷的應力為85MPa;其余部位的應力均小于100MPa。導向軸套的最大應力為14.3MPa，遠小于其許用應力。

3.3 小結

原有的接頭、控制環端的連接銷的材料均為35CrMo，屈服強σs=490MPa，允許應力為326MPa;支持蓋的圓柱銷材料為45，屈服強度σs=345MPa，允許應力為230MPa;導向軸套為ZCuAl10Fe5Ni5，屈服強度σs=280MPa，允許應力為93.3MPa。

（1）宜采取優化改進方案：一端球鉸支撐，一端圓柱支撐。優化改造前，接頭中單耳過渡處的下沉位移為0.14mm（該處彎曲應力約為38MPa），導向軸套處豎向位移0.58mm，由于導向軸套處下沉位移相對較大，會使接力器活塞桿與導向軸套之間的摩擦阻力加大。

優化改造后，接頭中單耳過渡處的下沉位移減小為0.03mm（該處彎曲應力加大到91MPa但不超過允許的彎曲應力），導向軸套處豎向位移減小到0.14mm。由于導向軸套處豎向位移的減小，可以降低接力器活塞桿與導向軸套之間的摩擦阻力，減輕軸套的磨損程度。

優化改造前導向軸套處的豎向位移0.58mm比優化改造后導向軸套處的0.14mm大很多（如果考慮活塞間隙、導向軸套間隙、磨損，位移更大）。隨著導葉接力器動作，兩端球軸承方案豎向位移大幅擺動。豎向位移而非應力是主要影響導葉接力器正常工作的原因。

（2）優化改造時，導向軸套的外徑裝配應采用過盈配合。導向軸套未滑出時，導向軸套最大應力在上下承壓處（即活塞桿和導向軸套接觸位置），且應力較小，不會導致導向軸套破壞;認為導向軸套水平位置發生破壞是因導向軸套外徑的裝配配合過松或約束不夠，導致導向軸套先滑出，導向軸套滑出后，水平位置受拉，多次疲勞作用后破壞。因此，導向軸套外徑裝配時，應采用過盈配合或約束。

（3）優化改造后，圓柱形軸套端的圓柱銷過渡處圓角適當加大。優化改造后，支持蓋端與圓柱形軸套配合的圓柱銷處彎曲應力會增大。通過計算分析可知，結構優化改造后：接頭中單耳過渡處的下沉位移明顯減小，而該處的彎曲應力會加大、但不超過允許的彎曲應力;為了降低圓柱形軸套端的圓柱銷過渡處的彎曲應力，應加大圓柱銷過渡處的圓角，將該圓柱銷過渡處倒角由R1.5改為R4;導向軸套處的下沉位移明顯減小，可以降低導向軸套的磨損。

4 總結

電廠2016年開始1號機接力器改造工作，改造后通過對接力器水平測量，導向軸套深度測量及磨損情況檢查，整體性能相比較改造前有較大的提高，確保了機組的安全穩定運行。