掛治電廠搖臂式接力器優(yōu)化設(shè)計(jì)改造

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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(jí)規(guī)劃的第三級(jí)，2007年三臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電。在設(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)接力器運(yùn)行工況較差，在與廠家及電科院專家進(jìn)行溝通后，決定對(duì)接力器進(jìn)行優(yōu)化改造，下面介紹改造情況。

1改造前設(shè)備狀況

掛治電廠每臺(tái)機(jī)組有3臺(tái)搖臂式直缸接力器，并于2010年投入AGC調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)頻繁使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)動(dòng)作次數(shù)增加，接力器調(diào)節(jié)頻率增大?，F(xiàn)將接力器運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的主要問題匯總?cè)缦拢海?）接力器前缸蓋導(dǎo)向軸套曾發(fā)生往內(nèi)移的情況；（2）導(dǎo)向軸套的水平位置曾發(fā)生撕裂破壞，而非上下位置，導(dǎo)致導(dǎo)葉接力器出現(xiàn)漏油事故；（3）支持蓋端銷子上竄，后已焊??；（4）因?qū)~接力器壓緊行程偏小，導(dǎo)致活動(dòng)導(dǎo)葉關(guān)不嚴(yán)，進(jìn)而導(dǎo)致漏水量大。

2改造思路

（1）將每臺(tái)機(jī)的3臺(tái)導(dǎo)葉接力器兩端原來的自潤(rùn)滑球形軸承改造優(yōu)化為控制環(huán)端的自潤(rùn)滑球形軸承維持不變，支持蓋端的自潤(rùn)滑球形軸承更換為自潤(rùn)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(rùn)滑圓柱銷承擔(dān)，為降低應(yīng)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(tái)機(jī)的3臺(tái)導(dǎo)葉接力器中前端蓋與活塞桿之間的導(dǎo)向軸套更換為外徑配合更緊的、強(qiáng)度更好的ZCuAl10Fe5Ni5軸套，增加其耐磨性能。外徑設(shè)計(jì)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?yōu)椋?0.122/+0.197）mm。

3改造分析

采用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)掛治接力器的原有方案和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的改造方案進(jìn)行了有限元分析計(jì)算，并對(duì)改造前后2種方案進(jìn)行對(duì)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(huán)作為有限元分析的對(duì)象，進(jìn)行全模型分析。有限元模型共2497997個(gè)節(jié)點(diǎn)，1446156個(gè)單元。計(jì)算的邊界條件及載荷為：計(jì)算全關(guān)狀態(tài)，活塞在最外端；銷子支點(diǎn)處高程一致，銷子固定面全約束；各部件間設(shè)置接觸；考慮自重1.6t，忽略油重；左腔設(shè)置油壓4.2MPa。

3.2有限元結(jié)果分析

3.2.1改造前

由計(jì)算得知，最大位移為0.81mm，出現(xiàn)在活塞上，主要表現(xiàn)為軸向變形，活塞處最大豎向位移為0.58mm；最大應(yīng)力159MPa，出現(xiàn)在控制環(huán)端自潤(rùn)滑球形軸承的連接銷的倒角上；支持蓋端的自潤(rùn)滑球形軸承的圓柱銷的應(yīng)力為102MPa；其余部位的應(yīng)力均小于100MPa。導(dǎo)向軸套的最大應(yīng)力為19.2MPa，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力。

3.2.2改造后

計(jì)算得知最大位移為0.37mm，出現(xiàn)在活塞上，主要表現(xiàn)為軸向變形?；钊幾畲筘Q向位移為-0.14mm。最大應(yīng)力194.9MPa，出現(xiàn)在支持蓋端自潤(rùn)滑圓柱形軸承的圓柱銷的倒角上?？刂骗h(huán)端自潤(rùn)滑球形軸承的連接銷的應(yīng)力為85MPa；其余部位的應(yīng)力均小于100MPa。導(dǎo)向軸套的最大應(yīng)力為14.3MPa，遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力。

3.3小結(jié)

原有的接頭、控制環(huán)端的連接銷的材料均為35CrMo，屈服強(qiáng)σs=490MPa，允許應(yīng)力為326MPa；支持蓋的圓柱銷材料為45，屈服強(qiáng)度σs=345MPa，允許應(yīng)力為230MPa；導(dǎo)向軸套為ZCuAl10Fe5Ni5，屈服強(qiáng)度σs=280MPa，允許應(yīng)力為93.3MPa。（1）宜采取優(yōu)化改進(jìn)方案：一端球鉸支撐，一端圓柱支撐。優(yōu)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(yīng)力約為38MPa），導(dǎo)向軸套處豎向位移0.58mm，由于導(dǎo)向軸套處下沉位移相對(duì)較大，會(huì)使接力器活塞桿與導(dǎo)向軸套之間的摩擦阻力加大。優(yōu)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(yīng)力加大到91MPa但不超過允許的彎曲應(yīng)力），導(dǎo)向軸套處豎向位移減小到0.14mm。由于導(dǎo)向軸套處豎向位移的減小，可以降低接力器活塞桿與導(dǎo)向軸套之間的摩擦阻力，減輕軸套的磨損程度。優(yōu)化改造前導(dǎo)向軸套處的豎向位移0.58mm比優(yōu)化改造后導(dǎo)向軸套處的0.14mm大很多（如果考慮活塞間隙、導(dǎo)向軸套間隙、磨損，位移更大）。隨著導(dǎo)葉接力器動(dòng)作，兩端球軸承方案豎向位移大幅擺動(dòng)。豎向位移而非應(yīng)力是主要影響導(dǎo)葉接力器正常工作的原因。（2）優(yōu)化改造時(shí)，導(dǎo)向軸套的外徑裝配應(yīng)采用過盈配合。導(dǎo)向軸套未滑出時(shí)，導(dǎo)向軸套最大應(yīng)力在上下承壓處（即活塞桿和導(dǎo)向軸套接觸位置），且應(yīng)力較小，不會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)向軸套破壞；認(rèn)為導(dǎo)向軸套水平位置發(fā)生破壞是因?qū)蜉S套外徑的裝配配合過松或約束不夠，導(dǎo)致導(dǎo)向軸套先滑出，導(dǎo)向軸套滑出后，水平位置受拉，多次疲勞作用后破壞。因此，導(dǎo)向軸套外徑裝配時(shí)，應(yīng)采用過盈配合或約束。（3）優(yōu)化改造后，圓柱形軸套端的圓柱銷過渡處圓角適當(dāng)加大。優(yōu)化改造后，支持蓋端與圓柱形軸套配合的圓柱銷處彎曲應(yīng)力會(huì)增大。通過計(jì)算分析可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yīng)力會(huì)加大、但不超過允許的彎曲應(yīng)力；為了降低圓柱形軸套端的圓柱銷過渡處的彎曲應(yīng)力，應(yīng)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(dǎo)向軸套處的下沉位移明顯減小，可以降低導(dǎo)向軸套的磨損。

4總結(jié)

電廠2016年開始1號(hào)機(jī)接力器改造工作，改造后通過對(duì)接力器水平測(cè)量，導(dǎo)向軸套深度測(cè)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(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

作者：龔利恒 羅先洪 單位：湖南省五凌電力有限公司掛治水力發(fā)電廠