水泵叶片液压调节系统中置式接力器的设计及优化

黄从兵

（江苏航天水力设备有限公司，江苏 高邮 225600）

大型立式液压全调节轴流泵及大型立式液压全调节导叶式混流泵的液压调节系统由液压装置、受油器、接力器、叶片调角操作机构及电气控制柜等组成，其中的接力器的主要作用是将油压力转化成调节杆的推拉力，从而带动叶片调角操作机构（连杆—转臂机构）将轴向移动转化成叶片绕枢轴的转动，从而实现叶片安放角度改变的目的。接力器根据布置型式分为下置式、中置式和上置式：置于电机顶部的为上置式；置于泵轴下端的水泵叶轮内的为下置式；置于电机轴下端、水泵轴上端的为中置式。上置式因存在较多缺陷而极少采用；下置式虽然较多采用，但因接力器置于水下而致使维修及运行管理不便；中置式接力器克服了下置式的这一缺陷而逐渐多地被采用。

本文以南水北调东线一期工程山东长沟泵站及八里湾泵站主水泵叶片液压调节系统的中置式接力器为例，具体介绍中置式接力的设计，并提出进一步优化的内容，为类似产品的设计及中置式接力器的推广应用提供了参考。

1 中置式、下置式接力器对比分析

在立式液压全调节轴流泵及导叶式混流泵的液压调节系统中，接力器的作用决定了接力器必须置于受油器与叶片调角操作机构之间的某一位置。在以往已建成的泵站主水泵机组中，普遍采用下置式接力器，如1A 所示，虽然首次安装难度不大，但在水泵大修更换接力器中的密封件时，需要排除进水流道内积水，将受油器解体，将泵轴与电机轴、水泵叶轮与泵轴分离，再将叶轮从水泵层平移出来，以便对叶轮内的接力器进行解体，在检修好后，将叶轮平移入泵轴下方，再与泵轴联接，恢复轴的联接及受油器组合体。大型水泵叶轮质量很重（约10 t 左右），平移的难度是很大的，给检修工作带来很多不便。如果采用中置式接力器（如图1B 所示），将接力器置于水泵轴与电机轴法兰之间，接力器大检修时，只要将操作油管与接力器、接力器与电机轴联接螺栓拆除，将接力器连同泵轴、叶轮一同下降至叶轮下方的专用支架上，即可在受油器、叶轮、泵轴等不解体的前提下，对接力器进行大检修，检修方便性大大提高。因此，从产品使用角度讲，中置式接力器优于下置式接力器。

图1 下置式、中置式接力器对比图

2 中置式接力器的设计及特点

2.1 中置式接力器的结构

中置式接力器结构详见图2，其由五部分组成：油缸及其密封、活塞及其密封、活塞杆及其密封、油管和辅助机构等。

图2 中置式接力器结构图

（1）油缸及其密封：油缸及其密封组成的空腔是接力器的工作室，并兼作水泵机组轴系的一部分，其由油缸体、油缸盖、手孔盖、O 形密封圈等组成。油缸体与油缸盖之间通过法兰联接，螺栓、螺母紧固。

油缸承受工作油压、水泵转子的轴向推力及扭矩等，因此，油缸及其紧固件必须采用高强度材料制作，在一般情况下，油缸体及油缸盖采用35#钢整锻件较好，联接螺栓及螺母采用45#锻钢或35CrMo 锻件较好。

油缸体与泵轴、油缸盖与电机轴均采用法兰联接，O 形密封圈密封、螺栓、螺母同样采用高强的材料制作。手孔的作用是便于油管装拆及便于观察接力器内部情况。手孔盖为承受高压件，采用45#钢制造，手孔盖与油缸体之间采用高强度螺栓紧固，O 形圈密封。

（2）活塞及其密封：活塞及其密封为接力器的主体部分，由活塞、活塞密封圈、隔离罩及密封圈组成。活塞直径根据叶片调节力及设计油压的大小确定，调节力大小与水泵叶轮直径、叶片数、水泵工作扬程、叶片枢轴与其轴承之间摩擦系数等有关，一般取最大调节力校核活塞直径是否具有足够安全系数。活塞为承压件，采用35#锻钢件、铸钢件或球铁件，但采用锻钢件较好，可减少或避免活塞毛坯内部缺陷。活塞密封圈采用矩形耐油橡胶圈，采用此密封圈是在总结以往水泵及水轮机采用金属环、金属环加橡胶圈组合密封环、O 形圈等优缺点的基础上[1~2]，加以改进而形成的，此种型式密封圈经过江苏江都三站、江都四站、湖南汉寿坡头泵站等泵站主水泵的运行考验，证明其性能优于以往所采用的密封环，且制造工艺大大简化。隔离罩的作用是与活塞一起将油缸上、下腔的油分隔开来，与下置式接力器比较，此件既是结构上的需要，也是便于操作油管联接的需要。隔离罩与活塞之间用高强度螺栓联接，O 形圈密封。

（3）活塞杆及其密封为接力器的传力部分。活塞杆与活塞之间采用圆螺母紧固，并设键保证活塞与活塞杆同步旋转。活塞杆密封采用Yx 型橡胶密封圈，并用O 形橡胶密封圈辅助之，较传统的V 形组合密封圈结构简化了、可靠性提高了。Yx 形密封圈唇口对着高压侧，在油压的作用下保持与活塞杆及密封，槽的外侧紧密接触，从而保证密封的高可靠性，实践证明可以做到滴油不漏，且在少量磨损后具有自动补偿功能，提高了密封圈的使用寿命。

（4）油管：油管的作用是将受油器与接力器连通，将接力器上、下腔分别与油管外腔和内腔相通，从而实现将油压按程序要求输送到接力器上、下腔。操作油管一般较长，设计成分段结构，便于机组拆装。油管为承受高压件，用无缝钢管制作较好。操作油管与隔离罩通过分瓣法兰、螺栓、螺母、键联接和紧固，油管与隔离罩之间用O 形圈密封。

（5）辅助机构：辅助机构包括上、下腔排油孔，上、下限位块。排油孔在制造及安装过程中对内腔做油压试验时，可作为进、出油口用，拆机时可作为排油用。为防止拆机时高压油伤人，排油孔用放油阀及堵头堵上，保证不漏油，放油时用接管将放油阀压住开，并将油引出（注意接管出口对着油桶）。上、下限位块必须设置，否则，会产生过调节而损坏叶轮内机件的事故[3]。上、下限位块在工厂内根据实测有关尺寸确定厚度后制作，但在设计时必须保证限位块有足够的厚度，限位块为4 块均布，厚度应一致，保证活塞受力均匀，避免产生机件变形。

2.2 中置式接力器的工作过程

接力器的作用是将来自受油器的油压转化成调节杆的推拉力。当受油器高压油通过油管内腔输送到接力器下腔时，油管外腔及接力器上腔同步回油变成低压腔，活塞上移，带动叶轮内操作架上移，叶片向正角度方向转动；当受油器将高压油通过油管外腔输送到接力器上腔时，油管内腔及接力器下腔同步回油变成低压腔，活塞下移，叶片向负角度方向转动。由此可见，接力器的结构设计为实现其工作过程提供了充分的保障。

2.3 中置式接力器的装拆过程

要顺利装拆中置式接力器，不仅要充分考虑接力器本身结构，还要充分考虑好转子系统结构，否则会导致装拆受挫或返工。根据本系统结构特点，中置式接力器安装过程如下：

泵轴及下调节杆与叶轮组装好→活塞杆与调节杆联接→油缸体、泵轴及密封圈组装→活塞杆密封组件装配→活塞及其密封件装入油缸内（注意活塞键槽与活塞杆上的键对准）→油缸盖、油缸体及密封圈组装→油缸盖、电机轴及密封圈组装→油管与隔离罩联接（从手孔将工具伸进内腔操作）。拆卸过程可以按照安装过程的逆顺序进行。

2.4 中置式接力器的特点分析

（1）与下置式接力器比较，中置式接力器与水泵抽送的水不接触，对其内部检查较为方便；在不排除流道积水、不解体受油器、不解体叶轮、不分离叶轮与泵轴情况下，即可对接力器进行解体，使得维修方便性得到大大提高。

（2）密封件结构简单，制作工艺大大简化。活塞密封用矩形密封圈，较金属密封环或组合密封环制作难度大大降低；较O 形密封圈密封接触面增大了，密封可靠性大大提高，且密封圈的寿命提高了。活塞杆密封采用Yx 形密封圈，较传统的V 形组合密封圈，结构大大简化，装拆、维修方便性大大提高；Yx 形密封圈虽然只有一道，但因其具有自动补偿功能，所以可靠性可以充分保证，密封圈寿命较O 形密封圈大大延长。

（3）与下置式接力器比较，从受油器至接力器之间的油路距离缩短近一半，减少了联接点和泄漏点，系统密封可靠性得到进一步提高。

3 中置式接力器的进一步优化

中置式接力器比下置式接力器优点多，但根据已实施泵站水泵的安装使用实践，还具有有待优化的因素。

首先，活塞与活塞杆之间的键需取消。这样，活塞与活塞杆在安装及拆卸时无方位要求，可以不用将活塞拆出来，因活塞密封圈与油缸壁之间的压紧力大，摩擦力大，拆装需要专用工具，且装拆过程中易损坏密封圈。此键取消后，需在电机轴顶端加设铜套和导向键，以防旋转时活塞与油缸之间因惯性而产生相对转动，进而损坏受油器内相关机件，造成事故，虽然产生此现象的概率小，但必须设置。

其次，在活塞杆密封圈下方适当位置需设置泄油孔，以防活塞杆密封损坏后，油漏到叶轮内腔并积累过量后，压坏叶片密封圈及叶轮下盖等机件造成事故。因此，可以在泵轴上法兰下方的泵轴侧面设置直角泄油孔，出油口必须朝下对着填料盒，以防高压油冲出伤人及污染环境。活塞杆密封漏油概率很小，所以，有较多的机组中不设此排油孔，但从提高安全性角度出发，应该设置，且设置位置及排油方向应控制好。

4 结束语

中置式接力器代替下置式接力器后，检修、维护、运行管理方便性大大提高，在一些泵站主水泵机组中已经成功应用，如果采用优化后的结构，将更加优越。

中置式接力器为轴系的一部分，因此，油缸体、油缸盖两端、油缸内壁，活塞杆导轴承止口等件加工时，要特别注意形位精度的保证，但由于现在多采用数控机床加工这些部位，加工精度较容易保证；接力器油缸体与油缸盖之间、油缸体与泵轴之间法兰联接螺栓孔均可在工厂进行配铰，加工较为方便；工地现场只需对油缸盖与电机轴之间的螺栓孔进行配铰。鉴于此，在立式全调节轴流泵及立式全调节导叶式混流泵中，推广应用中置式接力器完全可行，优点显著。

[1]陈 莉，韩桂苓. 新型接力器活塞环[J]. 机械工程师，2000，（3）:20.

[2]陶 红，王春雷.水轮机导水机构接力器活塞密封结构改进[J].电站系统工程，2003，19(5):37.

[3]周元斌，张前进，刘须朋，等. 大型液压全调节轴流泵的机械限位[J].机械设计与制造，2005，（5）:168.