挂治电厂导叶接力器结构优化

2018-05-25叶江宁

水电站机电技术 2018年5期

李伟，叶江宁

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南长沙410004）

0 引言

挂治水电厂位于沅水干流上游河段的清水江中下游，坝址距贵州锦屏县城7 km，是沅水梯级规划的第三级，工程以发电为主，兼有改善航运条件等综合利用效益。电厂为低水头河床式电站，是三板溪电站的反调节电站，具有日调节性能。总装机容量150 MW，安装三台单机容量50 MW的轴流转桨式机组,电站保证出力42.5 MW，多年平均发电量4.021亿kW·h。

该电厂每台机组导水机构装有3台接力器，接力器沿周向布置（如图1），尾座安装在支持盖上，另一侧连接控制环，为摇摆式结构，每台接力器两头均装有球轴承，可自行调节缸体与活塞杆的相对水平度。自机组投产以来，发生过多次接力器故障：机组停机过程中接力器前端盖铜套磨损严重甚至破裂，造成活塞杆卡死，机组无法正常停机；接力器尾座固定销轴上窜造成接力器水平度超标，接力器水平度偏差大；机组运行中接力器前端盖漏油频繁。

本文针对挂治电厂机组导叶接力器存在的诸多问题，以改变结构设计、完善材质运用等手段进行了优化改造，有效解决了上述各类问题。

1 原因分析

（1）原接力器两端采用球轴承进行连接（如图2）。前端盖导向铜套与接力器前缸盖采用过渡配合，其与前缸盖通过骑缝螺钉进行固定，易发生螺钉窜出，固定力度不够致使导向铜套轴向窜动移位，限位导向作用减轻。因球轴承能够自行调节缸体及活塞杆水平度，活塞杆伸出时接力器受重力作用发生弯折，导向铜套处成为拐点，即活塞缸与活塞杆夹角α＜ 180°，如图 3。

图1

图2

图3

弯折状态运行时活塞杆与导向铜套摩擦力增大，进一步加剧导向铜套移位，并使其磨损甚至开裂，造成发卡。

（2）接力器尾座销轴与支持盖采用过盈配合装配，过盈量较小，长期交变力作用致使销轴逐渐窜出支持盖销孔，尾座高程变化，接力器水平发生改变，其动作姿态受影响。

（3）接力器前端盖密封压盖采用了单层丁腈橡胶“O”型密封圈密封形式，根据丁腈橡胶应力加速老化行为，在应力作用下丁腈橡胶的分子链发生取向变形，键长和键角发生改变并受到约束，分子链的断裂活化能降低、老化进程加快，寿命缩短。当丁腈橡胶不受任何应力作用时，其在常温下的贮存寿命较受弯曲应力作用时的贮存寿命长一倍左右；在拉伸应力和弯曲应力同时作用时，贮存寿命甚至缩短为不受任何应力作用时的1/10【1】。

当油压作用时，“O”型密封圈形态如图4所示。

图4

件1、件2相对运动易使棱角“Q”反复剪切密封圈本体，导致其断裂。可见丁晴橡胶密封件动密封性能较差，接力器长期运行易造成其老化损坏，密封性能降低引起内部压力油泄漏。

2 优化改造

（1）为了改善接力器前端盖导向铜套受力情况，将接力器尾部球轴承更改为圆柱形轴承（图5），可限制接力器偏移、侧倾、弯折等，优化其动作姿态，同时降低接力器动作时与顶盖干涉的可能性，大幅减小导向铜套窜位与磨损。

47%异隆·丙·氯吡可湿性粉剂 3 000 g/hm2 与3%甲基二磺隆油悬浮剂混用起到了封杀兼顾的作用，茎叶防效高，且封闭持效期长，1次施药基本能控制晚播麦田杂草危害，具有一定的推广应用前景。但由于除草剂药效的发挥及其安全性易受温度等因素的影响，在温度波动幅度大的地区应注意避开低温用药。

图5

图6

如图6所示，因圆柱轴承的限位作用，接力器自重形成弯矩M，B处承受扭力以产生反作用弯矩，在圆柱销许用应力足够的情况下接力器活塞缸将不发生较大下垂，保持图3中夹角α接近180°。

圆柱销最小直径D为φ180 mm，轴承内径d为φ180 mm，高度h为95 mm。

接力器主要参数如下：

活塞缸径：φ350 mm；

活塞杆径：φ160 mm；

额定油压：6.3 MPa；

额定油压时接力器传递到圆柱销上的作用力：

圆柱销断面面积：

则圆柱销承受的最大剪应力：

锻35CrMo是合金结构钢，用于制造承受冲击、弯扭、高载荷的各种机器中的重要零件，如发动机曲轴、连杆等，具有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳强度，锻35 CrMo屈服强度为500 MPa，取安全系数为6，其许用剪应力：

[τ]1=500/6=83.3（MPa）

原材质45号钢屈服强度为355 MPa，许用剪应力 [τ]2=355/6=59.2（MPa）。

考虑到接力器长期承受较大强度的交变载荷，显然，圆柱销材质选择锻35 CrMo更为稳定可靠。

在F作用下，轴套的平均应力为：

薄壁双金属自润滑轴承许用承压能力为30～50 MPa，若使用铜基自润滑轴承，其许用承压能力可提高到80 MPa以上。显然，采用铜基自润滑轴承更合适。轴承铜套采用铝青铜--铜合金镶嵌自润滑轴承（FZB052，图7），其具有较高的载荷及抗腐蚀性能。

图7

当接力器头部悬空时，直径φ180的锻35 CrMo圆柱销配合铜--铜合金镶嵌自润滑轴承（FZB052）不引起活塞缸水平发生明显变化，其与支持盖通过过盈配合连接，在其冷套入支持盖销孔后与孔口四周点焊四点，以保证圆柱销不上窜出销孔引起接力器尾座抬高。

圆柱销与支持盖采用段焊方式进行焊接，在圆周方向等分四段焊缝，每段长度约60 mm，之间空出四段不焊，如图8。

图8

（2）对前端盖活塞杆导向铜套进行改造，保证其具有良好的润滑性和机械性能，新的铜套采用铝青铜材ZCuAl10Fe5Ni5材质，其化学成分及机械性能符合表1要求。

表1

摒弃骑缝螺钉固定形式，将轴套固定法兰加宽并加工8个均布的沉孔，使用高强度沉头螺栓与活塞缸把合以提高固定的可靠性，铜套与接力器前端盖之间采用过盈配合装配，如图9。

为了进一步减少活塞杆各部位摩擦阻力，对活塞杆表面重新镀铬，打磨抛光，按国家标准GBll379-2012《金属覆盖层工程用铬电镀层》及GB/T12611-2015《金属零件镀覆前质量控制技术要求》标准规定执行；在活塞外圆加工2条厚度为2.5 mm，宽度25 mm的导向环沟槽，并增加两道聚四氟乙烯导向带以减少活塞与活塞缸的摩擦力；为活塞外圆加工两处密封槽，密封型号为GSF3500，以减少接力器有杆腔与无杆腔窜油。如图10所示。

（3）针对前缸盖漏油的问题，在接力器前端盖密封压盖上加装“Y”型密封圈，密封圈材质选取聚氨酯材料，其具有良好的耐油性、韧性、耐磨性、耐老化性，良好的动密封性能。前端盖密封压盖上的“O”型密封圈及防尘圈不作变动，如下页图11。