大中型離心泵葉輪全自動拆裝裝置的應用

陳 金

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅白銀 730400）

0 引言

甘肅省景泰川電力提灌工程（以下簡稱“景電工程”）是跨省區、高揚程、多梯級、大流量的大II 形提溉項目，設計流量28.6 m3/s，加大流量33 m3/s，灌區面積97.67 萬畝（6.51×108m2）。經過近幾年的更新改造，目前已經達到41.35 m3/s，灌溉面積達120 萬畝（8.00×108m2）。灌區設計泵站43 座，共安裝機組266臺套，總裝機容量25.97 萬千瓦。建成以來，灌區年產生直接經濟效益3.2 億元，同時也取得了顯著的社會效益和生態環境效益，為當地社會經濟快速發展奠定了基礎。

景電工程每年運行時間長達260 d，水泵周期性大修只能在冬季停水期進行，天氣冷、時間緊、任務重。葉輪是水泵最核心的部件，由于持續大功率運行，汽蝕和水流對葉輪的沖刷效應特別明顯。通常情況下兩個日歷灌溉年就需要更換水泵葉輪，在遇到突發問題如葉輪突然損壞時需要及時更換葉輪?，F有的保障工裝由于年代久遠、功能單一、機件老舊，已不能滿足當前檢修任務的需要，因此急需性能良好、工作可靠、自動化程度高的工裝設備。

1 葉輪拆裝存在的問題及應對措施

1.1 存在問題

1.1.1 水泵葉輪的拆裝難度大

葉輪和葉輪軸由不銹鋼材料制成，流量3.6 m3/s 的水泵葉輪直徑約1.25 m、厚65 cm，單件重量超過1 t；葉輪軸最大直徑18 cm、長2.4 m，單根重量也超過1 t，兩件合在一起總重量達到2.4 t。由于重量和體積超大，加大了現場作業的難度。現場可以使用的主要工具只有1 臺天車、1 具帶100 t 千斤的支架以及數根加長用頂桿，由于操控過程條件有限，操作難度很大，同時也存在很大的安全隱患。

1.1.1.1 葉輪軸軸線與千斤軸軸線對準難度大

拆裝葉輪時，首先將葉輪和軸整體吊放在支架上，并用支架擋板擋住葉輪，然后使用千斤頂將葉輪軸硬性頂出。頂出時要求葉輪軸、千斤頂、頂桿軸線同軸，但僅依靠1 臺天車很難作到。同時，由于不同直徑的葉輪軸使用同1 具支架，對心同軸工作更加困難。對心過程為：目視觀察—低了—天車吊起—增加墊塊—再觀察—還低—再吊起—增加或更換墊塊—再觀察……。僅此一項工作往往需要至少半個工作日。由于千斤頂行程有限，在壓出葉輪軸時通常需要在千斤頂頂桿端分步兩次加裝加長頂桿，這使得偏心現象成為一種常態。

1.1.1.2 葉輪拆卸成功率低

由于葉輪軸與千斤頂桿對心時不能完全對正，這時用千斤頂頂桿頂出，在壓力作用下，葉輪軸端部與千斤頂頂桿端部接合處翹起、脫開就成為必然。這就需要重新對心，如此反復操作幾次，葉輪軸與葉輪會越粘越緊，最后只能破壞性拆解——要么破壞葉輪、要么破壞葉輪軸。近年來這種情況就發生過3 次。一臺1200S56 型雙相不銹鋼葉輪單價38 萬元，葉輪軸單價17 萬元，破壞任何一個都會帶來巨大的經濟損失。另外，千斤頂翹頭一旦脫開，兩個加長頂桿就會飛出，可能造成嚴重安全事故。

在葉輪軸頂出過程中，如果葉輪軸軸向受力線與軸線距離太大，就會造成葉輪軸孔周向受力不均。當受力不均的峰值超過材料的屈服強度時，就會引起葉輪拆裝中孔內表面或軸上葉輪安裝部位的外表面撕裂、或二者同時撕裂。一旦撕裂開始，二者裝配面的接觸阻力會急劇增大而且不可逆轉，從而導致只有通過破壞其中一件才能將二者分開。結構上千斤頂只支持壓力頂出、不能自動收回，收回時完全依靠人力、費時費力，且100 t 的最大壓力偏小，在某些特殊工況下無法將葉輪軸壓出。

1.1.1.3 葉輪裝配難度大

與葉輪拆卸過程一樣，葉輪裝配時首先需要將葉輪軸孔與葉輪軸中線對正，由于重量操作非常困難。通常是在地面將葉輪軸穿過葉輪軸孔，再將二者整體吊放在裝配支架上，使用天吊通過目測法使用墊塊將葉輪軸與千斤頂頂桿軸對齊，再使用天車通過目測法將葉輪中孔軸線與葉輪軸軸線對齊，最后使用千斤頂壓入。這一過程中存在的問題與拆卸時是相同的，而且裝配時需要兩次軸線對齊，再加上加長頂桿的使用，多數工況都處于對不齊的狀態，這樣千斤頂壓入葉輪軸時難度非常大。經常出現壓入葉輪軸時由于多條軸線不共線所引起的葉輪軸軸肩損壞，由于葉輪軸孔與葉輪軸是公差配合安裝，稍許損壞就導致葉輪軸無法壓入，有時甚至會損壞葉輪軸軸端，導致軸承無法正常裝入，甚至會使葉輪軸變形、撓度超標，使葉輪變形失去動平衡。無論是哪種問題都有可能導致之前所做的全部工作推倒重來，嚴重的會導致葉輪或葉輪軸報廢。最好的結果是設備能用，但其可靠性大大降低、使用壽命大大縮短。

1.1.1.4 葉輪拆裝時葉輪軸損失大

在葉輪拆卸過程中還會造成葉輪軸的葉輪安裝部位和葉輪軸上調整緊固葉輪位置的螺紋容易造成拉傷，拉傷部位需要采用激光熔覆技術修復，修復難度大、成本高。

1.1.2 設備維修速度慢

確保灌區用水是灌溉工程的核心工作，但由于水泵故障時不能及時維修而導致供水量下降的情況時有發生。一旦某臺水泵出現問題，其他各泵站供水流量不能匹配，運行中的水泵也要被迫停止，這樣全系統供水量就減小了，進而影響到灌區的適時適量灌溉。供水量一旦減小，會導致農業減產，嚴重時會誘發區域農戶返貧。因而保持各水泵的正常工作和出現問題之后的快速維修，是各泵站全面工作中的重中之重。大中型泵站配備1 個檢修班組，每班4 人，除了正常的日常巡檢設備、巡修地工作外，一旦發現故障就立即組織維修力量進行維修。受限于維修保障裝備的技術條件，正常情況下一個檢修班組通常平均需要一周（7 d）的時間才能完成一臺水泵葉輪更換及水泵組裝恢復，局部農業減產不可避免。

1.1.3 維修保障設備落后

維修保障設備是一線維修保障人員完成維修保障工作的依靠。在工程建成初期，為了保障水泵葉輪的更換工作，為每個泵站均配置了葉輪更換裝備，即天車、一臺帶100 t 千斤頂的支架、數根加長頂桿，這是維修保障班組僅可使用的保障設備。面對重量大、體積大、不同型的水泵葉輪，任務推進速度非常緩慢。經過幾十年的長時間使用，跑冒滴漏和結構變形問題十分嚴重，有時對維修保障設備本身的維修就占用了保障班組的大量時間，維修保障難度高，工作安全性更是面臨著巨大挑戰。

1.2 應對措施

面對巨大的鋼質結構件和老舊的維修保障設備，有些問題無法在現場解決，但為了盡可能完成即定的灌溉任務，保障班組想盡可能的手段和措施。

（1）加大巡檢力度。對可能出現的問題盡早發現，及時解決。對43 所泵站進行劃片管理，定期進行檢查巡視，與泵站值守人員聯合值班，盡可能提前發現問題。

（2）注重維修保障設備的維修。常用耗材和零部件每年都劃拔專項經費，能夠保證庫存充足，但是設備維修保障由于具有突發性和臨時性，維修過程支出巨大、動輒數萬元，保障經費經常不足。主要依靠內部力量臨時修理，雖然付出了巨大努力，但由于維修能力有限，維修后設備的可靠性不高。

（3）利用葉輪全自動拆裝裝置替換老舊落后的拆裝裝置。

2 葉輪全自動拆裝裝置

2.1 裝置簡介

葉輪全自動拆裝裝置是基于先進控制單元和自動控制邏輯設計，實現全自動葉輪拆卸和裝配，以及半自動葉輪拆卸和安裝兩種操作形式。

（1）拆卸葉輪時，將葉輪軸和葉輪整體正確吊裝于拆裝機工位，操作人員可實現一鍵拆卸。

（2）安裝葉輪時，將葉輪軸穿入葉輪中孔后吊放于拆裝機安裝工位，葉輪軸和葉輪安裝位對正后，操作人員可分步實現對葉輪軸和葉輪的套裝。通過在關鍵部位布設相應傳感器，實時感知各部件的工作狀態，并在觸摸屏顯示，方便操作人員對設備狀態監控。

2.2 裝置特性

（1）基于控制器的全程智能自動化控制和自鎖糾錯，減少工作過程中的人為因素，提高拆裝成功率和工作效率。

4.2.2 教學重點 定理Heine歸結定理與證明，利用Heine歸結定理證明函數極限不存在的兩種方法。

（2）水電站水泵由于防腐的要求，傳動軸和葉輪采用不銹鋼材料，由于材料的特殊粘結特性，在拆卸的過程中由于相對運動，容易產生粘結，要求傳動軸和葉輪中心線在相對運動中始終保持同軸，該設備在設計中充分體現了這一特性。

（3）具有手動控制和自動控制兩種工作模式，擴大設備的使用范圍和操作安全性。

（4）針對水電站水泵軸長度葉輪直徑較大、結構重量大，采用臥式結構，提高了設備的穩定性和操作安全性。

（5）自動化程度高、操作簡單，減少操作人員的工作強度并保證操作過程安全性。

2.3 裝置構成

葉輪拆裝機主要由底座、床頭箱、工作臺、承力導向桿、支撐箱、對準機構、鎖緊器、對心套、千斤頂、操控臺等部分組成（圖1）。

圖1 葉輪拆裝臺結構

（1）底座上設有各部件的安裝位置、負責將其他零部件組合安裝在一起，同時安裝有工作臺前后限位傳感器和工作臺位置傳感器，確保工作臺前后移動時不超出工作位置。

（2）支撐箱的作用是負責支撐承力導向桿的左端。

（3）承受力的導向桿共兩根，分別安裝在床頭箱和支撐箱上，工作臺前后移動時通過承力導向桿導向，在葉輪拆裝過程中承擔主要拉力。

圖2 工作臺結構

（5）右承力箱，負責支撐承力導向桿的右端，其上安裝有400 t 千斤頂、液壓接頭、液壓電磁閥、千斤頂桿位移傳感器。千斤頂所產生的推力將卡裝在工作臺上的葉輪軸向后推出；兩個液壓接頭連接外部液壓源，為千斤頂提供工作壓力；液壓電磁閥由操縱臺控制系統控制，是千斤頂頂桿伸縮的液壓開關；位移傳感器實時感知千斤頂桿伸出長度。

（6）配套有多個型號對心套，可根據需要安裝在工作臺上，以適應不同直徑葉輪軸的裝卸需求。

（7）鎖緊器由一對鎖片和電動推桿構成。一對鎖片由根部扇齒互相嚙合，電動推桿推拉其中一個鎖片，另外一個鎖片對稱張合，從而完成對工作臺的上鎖或松開。

（8）對準機構和工作臺一體安裝，左右各布有一個手輪，搖動手輪可改變對準輪的開合度。其有兩個作用：一是在拆卸葉輪時，通過改變對準輪的開合度、適應不同直徑葉輪，可作為葉輪的脫開葉輪軸時的承力機構；二是在裝載葉輪時，通過改變對準輪的開合度、適應不同直徑葉輪，可將葉輪頂起，使得葉輪中心軸孔與對心套及千斤頂頂桿同軸（圖3）。

操控臺完成對葉輪拆裝機的操作控制，設計有手動和自動兩種工作模式：手動模式時，操作人員可單獨完成比如千斤頂頂桿的伸出和縮回、以及工作臺的前后移動和上鎖解鎖；自動模式時，系統按照預定工作流程自動完成千斤頂頂桿的反復伸縮和工作臺的分步送進和上鎖解鎖。

2.4 工作原理

2.4.1 拆卸葉輪

拆卸葉輪時，首先按下操控臺上的手動按鈕，使操控臺處于手動工作模式，再按下千斤頂收回按鈕完全收回千斤頂頂桿；換裝與葉輪軸匹配的工作臺墊塊，使用天車將葉輪及葉輪軸吊裝于工作臺上，調整工作臺對準裝置，使葉輪軸水平并與千斤頂軸線同軸；按下操作臺前進/后退按扭，使操作臺處于承力導向桿的適當位置，并確保工作臺鎖緊器上鎖（圖4）。

圖4 葉輪軸拆卸原理

按下操控臺上的自動按鈕，使操控臺處于自動工作模式。按下啟動按鈕，葉輪拆裝機開始自動拆卸葉輪工作，在此過程中工作臺會不斷實現自動上鎖、解鎖、自動向前送進，千斤頂頂桿會反復收縮，直至將葉輪軸頂出。

2.4.2 安裝葉輪

安裝葉輪時，首先將葉輪軸穿入葉輪中孔的適當位置，使用天車將其吊放于工作臺的葉輪安裝工位。調整工作臺對準裝置，使葉輪中軸對準工作臺卡位中心，同時使葉輪軸線與千斤頂軸線對準。按下操控臺上的手動按鈕，使操控臺處于手動工作模式。使用“邊對準邊頂進”的策略，不斷搖動對準機構手輪，待葉輪軸與葉輪中孔完全對正后，點動按下操作臺上千斤頂頂進按鈕，并根據需要不斷對葉輪軸與葉輪中孔，采取對正措施，直至葉輪和軸完全壓進、裝入。在此過程中，需要數次手動操作操控臺的相關按鈕，使工作臺重復“解鎖—前進—上鎖”的動作，需要數次手動操作操控臺的相關按鈕，使千斤頂重復“頂進—收回”的動作。

控制系統的工作原理如圖5 所示。

圖5 控制系統信號原理

3 效益分析

3.1 經濟效益

一臺1200S56 型雙相不銹鋼葉輪單價38 萬元，葉輪軸單價17 萬元，破壞任何一個都會帶來巨大的經濟損失。但是只要對當前維修保障設備進行適當的技術升級或改造，這種損失是可以避免的。實際上，在水泵葉輪的拆裝過程中，一旦葉輪和軸受到損壞就需要轉運至專業工廠進行激光熔覆補損和再次機械加工才能修復，由于維修時間很長，這會導致水泵停工而引起的局部農業減產，對灌區造成巨大的經濟損失，甚至會造成區域農戶返貧，阻礙當地幸福鄉村的建設工作。因此，對水泵維修保障設備進行技術升級，將非常有益于灌區經濟的發展。

3.2 社會效益

根據前期在各灌區所開展的“提高各泵站水泵葉輪維修工作效率”專題調研情況來看，景電工程所面臨的問題與“興電工程”“靖會工程”等數十個灌溉工程是一樣的。為提升水泵葉輪維修保障工作效率，景電工程率先提出“智能全自動水泵葉輪拆裝機”研制生產項目，對解決黃河上游數十個灌區各泵站水泵葉輪更換工作具有重要借鑒意義，該項目將具有極大推廣前景和推廣價值，對灌區土地的保收豐產工作意義重大。

4 總結

使用葉輪全自動拆裝裝置，不僅能簡化葉輪拆裝工作流程，實現“一鍵拆裝”，減少檢修人數數量、縮短葉輪拆裝時間、提高檢修工作效率，還可以降低拆裝過程中軸和葉輪的損傷率，消除頂桿飛出的安全隱患，保障現場設備和人員的安全，為灌區農作物的適時適量灌溉提供有力支撐。