懸掛鋼尺法精密測(cè)量在水電機(jī)組設(shè)備檢修中的應(yīng)用

饒志歡

（大唐石泉水力發(fā)電廠(chǎng)，陜西 安康 725200）

在水電機(jī)組等級(jí)檢修過(guò)程中，常需要對(duì)轉(zhuǎn)子、定子等大尺寸的設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行精密測(cè)量，如標(biāo)準(zhǔn)A 級(jí)檢修項(xiàng)目中的定子圓度、中心、水平和高程測(cè)量、調(diào)整，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中要求定子的測(cè)量精度要求允許在0.05mm 以上，石泉水力發(fā)電廠(chǎng)定子鐵芯外徑8250mm，轉(zhuǎn)子外徑7691mm，常規(guī)的卡尺量程不足，鐵板尺、卷尺無(wú)法滿(mǎn)足毫米級(jí)精度要求，水準(zhǔn)觀(guān)測(cè)需要配合水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，且水準(zhǔn)尺長(zhǎng)度多在3m 左右，特殊定制的非標(biāo)尺可短至1m，但顯然定、轉(zhuǎn)子上沒(méi)有現(xiàn)成的水準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，檢修現(xiàn)場(chǎng)大部分區(qū)域低窄或設(shè)備帶電等，無(wú)法豎立水準(zhǔn)尺，需要一種新的、便捷的方式滿(mǎn)足機(jī)組檢修過(guò)程中的測(cè)量需求。

這里采用懸掛鋼尺（以下簡(jiǎn)稱(chēng)懸尺測(cè)量）的方式，進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量和高差計(jì)算，通過(guò)用吸鐵石或其他方法固定和懸掛檢定過(guò)的鋼尺來(lái)替代普通水準(zhǔn)尺，配合高精度的水準(zhǔn)儀，不破壞設(shè)備、設(shè)施，完成了快速、準(zhǔn)確、環(huán)境受限的測(cè)量任務(wù)，并在企業(yè)機(jī)組A 級(jí)檢修，定子、轉(zhuǎn)子中心線(xiàn)及相對(duì)高差的測(cè)量中得到了很好的應(yīng)用，取得了不錯(cuò)的效果，也可推廣用于其他類(lèi)似檢修項(xiàng)目中去。

1 懸掛鋼尺法原理與應(yīng)用方式

懸掛鋼尺法作為一種經(jīng)典的高程傳遞方法，已在地下室、地鐵、橋梁、礦山等工程領(lǐng)域有了較為廣泛的應(yīng)用，基本能滿(mǎn)足受限條件下精密測(cè)量的要求。其主要方法是在不利于安放常規(guī)水準(zhǔn)尺的區(qū)域，通過(guò)懸掛鋼卷尺、或鋼絲繩系鋼板尺等方式替代水準(zhǔn)尺，配合水準(zhǔn)儀讀取刻度值，從而實(shí)現(xiàn)懸掛點(diǎn)與測(cè)量點(diǎn)高程傳遞和高差計(jì)算。

結(jié)合機(jī)組檢修現(xiàn)場(chǎng)的情況，對(duì)于懸掛鋼尺法主要有水準(zhǔn)尺與懸尺結(jié)合，以及雙懸尺的兩種應(yīng)用方式。

對(duì)于作為后視的已知點(diǎn)位于穩(wěn)固且視線(xiàn)通透的地面上時(shí)，如水平吊放的轉(zhuǎn)子，可在后視基點(diǎn)a 上采用常規(guī)水準(zhǔn)尺，待測(cè)的轉(zhuǎn)子中心線(xiàn)b 上采用懸尺的方法進(jìn)行測(cè)量，其示意圖如圖1。

圖1 水準(zhǔn)尺與懸尺結(jié)合測(cè)量的方法

經(jīng)過(guò)調(diào)平、對(duì)焦，用水準(zhǔn)儀十字絲觀(guān)測(cè)鋼尺垂直、穩(wěn)定不動(dòng)后，分別對(duì)前視、后視進(jìn)行觀(guān)測(cè)，即可得到兩點(diǎn)測(cè)值Ha、Hb，即可算出此時(shí)待測(cè)點(diǎn)B 點(diǎn)與基點(diǎn)A 點(diǎn)的高差為HB=Hb+Ha。

對(duì)于不便在基準(zhǔn)點(diǎn)上布設(shè)常規(guī)水準(zhǔn)尺，或者需要測(cè)量設(shè)備底部高差時(shí)，如在測(cè)量轉(zhuǎn)子中心線(xiàn)與轉(zhuǎn)子基座高差的測(cè)量任務(wù)中，也可采用雙懸尺配合測(cè)量的方式，其原理如圖2。

圖2 雙懸尺測(cè)量的方法

同樣使用水準(zhǔn)儀同時(shí)測(cè)量已知點(diǎn)Ha、待測(cè)點(diǎn)Hb，即可算出此時(shí)待測(cè)點(diǎn)b 點(diǎn)與基點(diǎn)a 點(diǎn)的高差為HB=Hb-Ha。

2 誤差分析與處理

在機(jī)組檢修實(shí)際測(cè)量和閱讀文獻(xiàn)資料可知，懸尺測(cè)量的誤差主要來(lái)源于：不同測(cè)段間和基點(diǎn)轉(zhuǎn)換的計(jì)算誤差；懸掛點(diǎn)誤動(dòng)或懸尺傾斜的誤差；懸尺張力及溫度改正的誤差等。

2.1 不同測(cè)段間和基點(diǎn)轉(zhuǎn)換的計(jì)算誤差

觀(guān)測(cè)時(shí)，一般不應(yīng)變換基點(diǎn)，宜一次觀(guān)測(cè)所有待測(cè)點(diǎn)，但在檢修現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀(guān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，如轉(zhuǎn)子支座的導(dǎo)致部分測(cè)點(diǎn)的視線(xiàn)遮擋，定子內(nèi)水準(zhǔn)儀在測(cè)量其左側(cè)、右側(cè)和后側(cè)的懸尺時(shí)，會(huì)因?yàn)橐暰嗵?dǎo)致無(wú)法對(duì)焦的問(wèn)題等問(wèn)題，也會(huì)造成誤差偏大。此時(shí)，可選擇對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行分段觀(guān)測(cè)來(lái)減小誤差，確保觀(guān)測(cè)工作順利開(kāi)展。如將定子根據(jù)其鐵芯的方位進(jìn)行編號(hào)，將16 個(gè)測(cè)點(diǎn)分成4 個(gè)測(cè)段，如圖3 所示。

圖3 定子測(cè)點(diǎn)編號(hào)

在測(cè)量時(shí)，讓相鄰測(cè)段的觀(guān)測(cè)范圍有一定重合區(qū)間，可作為各測(cè)段校驗(yàn)和對(duì)比分析，以此消除基點(diǎn)不同可能導(dǎo)致的計(jì)算誤差，如圖4 所示。

圖4 定子分段觀(guān)測(cè)示意圖

通過(guò)上述分段和校測(cè)方式，即可在一定程度上消除檢修現(xiàn)場(chǎng)因各種因素導(dǎo)致的視距不對(duì)等、遮擋等造成的測(cè)量誤差。

2.2 懸掛點(diǎn)誤動(dòng)或懸尺傾斜的影響

在觀(guān)測(cè)過(guò)程中，也會(huì)遇到因懸掛點(diǎn)松動(dòng)、懸尺傾斜造成的觀(guān)測(cè)誤差。應(yīng)在每次觀(guān)測(cè)前，檢查懸掛點(diǎn)位置是否準(zhǔn)確，通過(guò)水準(zhǔn)儀十字絲觀(guān)察懸尺是否穩(wěn)固、垂直，或適當(dāng)加大懸尺底部重物質(zhì)量幫助懸尺穩(wěn)定，對(duì)于精度要求高的地方，可進(jìn)行2 個(gè)及以上測(cè)回，若誤差超限立即重測(cè)，來(lái)減少觀(guān)測(cè)誤差。

2.3 懸尺拉力及溫度的影響

由于懸尺、掛繩或者鋼卷尺受到其本身重力、拉力及溫度影響，可能存在一定程度的變形，因此需要對(duì)懸尺的拉力及溫度進(jìn)行計(jì)算，來(lái)判斷其對(duì)觀(guān)測(cè)的影響。

懸尺的其溫度改正數(shù)計(jì)算公式為：溫度改正數(shù)=實(shí)際測(cè)定值×懸尺及鋼絲繩線(xiàn)膨脹系數(shù)×溫度變化值。鋼絲繩及鋼尺的膨脹系數(shù)約為1.2×10-5m/℃，檢修現(xiàn)場(chǎng)的懸尺測(cè)量多在室內(nèi)開(kāi)展，測(cè)量時(shí)間較短，一個(gè)測(cè)段內(nèi)的溫度變化不大于5℃，且鋼絲繩與鋼尺總長(zhǎng)度大多不超過(guò)2m。由此可見(jiàn)，其最大改正數(shù)僅為0.12mm 左右，且實(shí)際測(cè)量時(shí)溫度變化遠(yuǎn)低于此，故一般機(jī)組檢修的懸尺測(cè)量中，可忽略不計(jì)懸尺的溫度改正，但也應(yīng)采取加快觀(guān)測(cè)速度、避開(kāi)高溫/低溫設(shè)備設(shè)施、適當(dāng)縮短懸尺長(zhǎng)度等方式盡量減少溫度誤差，但對(duì)于機(jī)組基坑及尾水管這種懸尺較長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)溫度變化大的情況時(shí)，仍應(yīng)進(jìn)行懸尺的溫度改正。

同理，查閱文獻(xiàn)[4][7]可知，在溫度恒定的前提下，隨著懸尺與下方系掛重量的增加，也會(huì)造成懸尺及掛繩產(chǎn)生少量形變，可通過(guò)更換鋼絲繩等不易變形的系繩、減少系繩長(zhǎng)度、盡量使用鋼板尺而不是卷尺、所有測(cè)點(diǎn)使用同一懸尺和重物來(lái)減小和消除拉力造成的形變影響。

3 在機(jī)組檢修中的實(shí)際應(yīng)用

石泉水電廠(chǎng)4 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)是半傘型結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)只有上導(dǎo)軸承，推力軸承為彈性支柱式，安裝在下機(jī)架上，定子機(jī)座由鋼板焊接而成，為運(yùn)輸方便分成四瓣，采用大小瓣結(jié)構(gòu)，在工地組成整圓。定子機(jī)座外徑9350mm，高2380mm。

在2022 年年底的4 號(hào)機(jī)組A 級(jí)檢修過(guò)程中，需要對(duì)定子、轉(zhuǎn)子的中心線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，若安裝精度不夠、磁力線(xiàn)有軸向分量，在沒(méi)有其他限制條件的情況下，此時(shí)，轉(zhuǎn)子振動(dòng)會(huì)加大，可能對(duì)設(shè)備造成損害。

本次采用蔡司NI007 高精度水準(zhǔn)儀，和鋼板尺1m、0.5m 各一把，分別在定子中心線(xiàn)與機(jī)架上設(shè)置懸尺，采用雙懸尺法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如表1。

表1 石泉雙懸尺法測(cè)量定子中心線(xiàn)量記錄

由以上測(cè)量數(shù)據(jù)復(fù)核情況來(lái)看，最大測(cè)量誤差在0.35mm，其余點(diǎn)誤差基本在0.15mm 以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足本次測(cè)量任務(wù)精度的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

總體而言，利用水準(zhǔn)儀和懸掛鋼尺進(jìn)行高程傳遞和高差測(cè)量在機(jī)組檢修中應(yīng)用取得了較好的效果，具有精度高、受檢修現(xiàn)場(chǎng)影響小的優(yōu)點(diǎn)。但需要注意的是：懸掛鋼尺的繩應(yīng)該為細(xì)鋼絲繩等不易變形的軟繩，或直接固定鋼板尺也可，否則，容易造成較大誤差；若懸掛繩較長(zhǎng)、采用鋼卷尺或皮卷尺替代鋼板尺、或觀(guān)測(cè)溫度變化大的時(shí)候，應(yīng)進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償和張力誤差補(bǔ)償；此外，懸尺的刻度多為倒置的，要注意方向性，確保讀數(shù)正確，計(jì)算無(wú)誤。同時(shí)，為了盡可能地降低儀器觀(guān)測(cè)誤差，還應(yīng)注意以下3 點(diǎn)：（1）選用經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的光學(xué)水準(zhǔn)儀，最好配備光學(xué)測(cè)微尺，可有效提高觀(guān)測(cè)精度，易于讀數(shù)；（2）觀(guān)測(cè)前檢查鋼尺無(wú)彎曲、油污、銹蝕，最好選用刻度達(dá)到0.5mm、厚度在1mm 以上的鋼板尺，長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)點(diǎn)量程選定，檢查懸掛點(diǎn)無(wú)滑動(dòng)，可考慮在懸尺下方懸掛一定質(zhì)量的重物，幫助懸尺保持垂直、靜止后觀(guān)測(cè)；（3）盡可能保證前后尺視距一致或相近，最好能一次性觀(guān)測(cè)所有測(cè)點(diǎn)，如必須分段觀(guān)測(cè)時(shí)，應(yīng)在相鄰測(cè)段間設(shè)置重疊測(cè)量區(qū)域，做好高差的比較和傳遞。