馬 強

（東芝水電設備有限公司制造技術部，杭州 311504）

轉輪作為水輪機的核心轉動部件，其靜平衡質量是影響水輪機運行平穩(wěn)性的重要因素之一。因此，在轉輪制造完成后，進行靜平衡試驗并消除有害的不平衡重量就顯的尤為重要。

隨著轉輪外形尺寸的增大，重量的增加，傳統(tǒng)的剛性球頭點接觸式平衡技術受其結構的限制，已不能滿足當今大型以及巨型轉輪的靜平衡要求。為滿足大型以及巨型轉輪的靜平衡要求，本文介紹一種采用球面靜壓軸承方式進行轉輪靜平衡試驗的原理及方法。

1 試驗原理

混流機轉輪是采用高壓油頂起球面靜壓軸承的方式進行靜平衡試驗，再加配重塊的方式達到轉輪的靜平衡。測量裝置如圖1所示，主要由靜平衡底座、平衡支架板、平衡球、平衡支座、油路轉換裝置及供油裝置組成。

圖1 功過橋轉輪靜平衡試驗裝置

圖1 中的主要工作部件是P局部視圖的平衡球與平衡支座，油壓裝置通過油路轉換器，在平衡球與平衡支座之間形成一層高壓油膜，使轉輪處于完全懸浮狀態(tài)，轉輪在未配重之前因重力分布不平衡，在不平衡重力的作用下轉輪會發(fā)生一個微小的傾斜，達到新的平衡。將轉輪下環(huán)4等分進行0～270°標記，在轉輪下環(huán)下平面0°和90°位置各放置一只百分表，待轉輪靜止后將百分表置零（保證百分表在試驗過程中處于壓縮狀態(tài)），記錄百分表度數X0、Y0；在轉輪下環(huán)外圓位置放置一個標準重量為W的砝碼，然后記錄兩只百分表的讀數X1、Y1，計算出傾斜量絕對值Xc，再計算出系統(tǒng)靈敏度S（S= Xc/W，mm/kg）；去掉標準砝碼，待轉輪靜止后記錄兩只百分表讀數X0、Y0（理論上百分表重新回零），緩慢旋轉轉輪180°待轉輪靜止后記錄百分表讀數、并計算出絕對傾斜量、不平重量W'（測量靈敏度位置的不平衡重量）及不平衡角度Zu，最終換算到實際的配重位置，焊接配重塊使轉輪靜平衡達到設計要求。

2 試驗方法

2.1 底座水平的調整

將底座、油路轉換器及平衡座連接為一體。為消除底座放置不平衡對轉輪靜平衡產生影響，須對底座的放置嚴格控制水平。底座就位后通過墊片調整水平，并用框式水平儀側量其水平度，控制水平在0.02mm以內。

2.2 平衡支架板及平衡球的安裝

平衡支架板在靜平衡試驗中起到吊裝轉輪及支撐轉輪的作用，也參與到轉輪的靜平衡試驗中，因此要盡可能地消除支架板對轉輪靜平衡試驗的影響。首先要對平衡支架板做靜平衡配重，使平衡支架板在外圓處的不平衡重量小于0.5kg，再將平衡球與平衡支架板連接起來。

平衡支架板最終與轉輪連接時要注意支架板的定位凸臺與轉輪定位孔之間的間隙均勻，確保支架板軸線與轉輪軸線同軸.

2.3 系統(tǒng)油壓的確定

為保證試驗的順利進行，必須選定合理的油壓，油壓太低，轉輪不能完全浮起；油壓太高，壓力油溫升太快，壓力油膜會不穩(wěn)定。因此必須在試驗前選定合理的油壓：

式中：P為系統(tǒng)油壓（Pa）；S為平衡球工作截面積（mm2）；η為系統(tǒng)效率；G為轉輪及工裝總重量（N）。

2.4 系統(tǒng)靈敏度試驗

將轉輪等分標示后，在下環(huán)下平面0°、90°位置各放一只百分表，待轉輪靜止后置零，記錄數據X0、Y0。然后在下環(huán)某一位置放置一標準重量為W的砝碼，待轉輪靜止后記錄百分表讀書X1、Y1及砝碼放置半徑R0。

計算轉輪絕對傾斜量Xc：

計算系統(tǒng)靈敏度S：

為確保試驗的可靠性，以上試驗重復1～2次取S平均值，確定為系統(tǒng)的靈敏度。

2.5 轉輪第一次靜平衡試驗

去除標準砝碼，使兩只百分表重新回零（理論百分表指示在加砝碼前的初始位置），待轉輪完全靜止后記錄0°、90°位置兩只百分表讀數X0、Y0；然后緩慢旋轉轉輪180°，使原0°百分表指示轉輪180°位置，使原90°位置百分表指示轉輪270°位置，記錄兩只百分表讀數X'、Y'，并初步計算出轉輪因不平衡引起的絕對傾斜量Xc'、不平衡重量W'、不平衡角度Zu。

計算轉輪的不平衡重量W'：

式中：S為系統(tǒng)靈敏度。

計算不平衡角度Zu：

式中： X0為0°位置的下沉值； X'為旋轉后180°位置的下沉值； Y0為90°位置的下沉值； Y'為旋轉后270°位置的下沉值； Zu為Y方向的下沉量差值與X方向的下沉量差值比值的反正切值，其單位為度。

再依據圖示法標示出不平衡重量的準確相位,如圖2所示。

實際配重塊的位置Z=Zu-180°。將最終計算出來的不平衡重量換算到圖紙要求的配重分布半徑R。

圖2 不平衡重量準確相位示意圖

圖紙要求配重位置的配重重量為Wu：

式中：R0為測量靈敏度時標準砝碼擺放的分度圓半徑(mm)；W'為計算R0位置的不平衡重量(kg)；R為圖紙要求的配重位置(mm)。

2.6 轉輪第二次靜平衡試驗

為確保以上試驗計算過程的準確性，在轉輪圖紙要求配重半徑處，放置一塊重量為W1（配重塊W1與最終焊接后焊材質量總和近似于Wu）、角度為Zu的配重塊，重復以上靈敏度試驗及第一次靜平衡試驗過程，再通過計算驗證整個試驗計算過程的準確性。

2.7 轉輪第三次靜平衡試驗

通過第二次靜平衡試驗，驗證整個試驗過程準確無誤后，最終將配重塊W1焊接在配重位置，鏟磨后進行最終的靜平衡試驗，重復以上靈敏度試驗及第一次靜平衡試驗過程，通過計算得出最終的殘余不平衡重量。

2.8 泄水錐與轉輪的同軸度

由于靜平衡工裝結構原因，泄水錐未參與到轉輪的整個靜平衡試驗過程中，為確保泄水錐安裝對轉輪的靜平衡產生較小的影響，需嚴格控制泄水錐與轉輪軸線的同軸度。在焊接泄水錐時，分別在泄水錐外圓X、Y方向固定兩只百分表，監(jiān)控整個焊接過程中的變形情況，最終測量出泄水錐與轉輪軸線的同軸度Φt。

泄水錐焊接與轉輪中心軸線不同心對轉輪靜平衡產生的影響可按下式計算：

式中：t為轉輪與泄水錐實測同軸度（mm）；R為配重位置分度圓半徑（mm）；M為泄水錐質量（kg）；Wt為泄水錐與轉輪不同軸所引起的殘余不平衡重量（kg）。

實驗表明，嚴格控制泄水錐組焊時與轉輪軸線的同軸度，泄水錐對整個轉輪靜平衡的影響很小，一般在1kg以下.

3 結語

球面靜壓軸承在轉輪靜平衡試驗中的成功應用，拓展了靜平衡試驗的思路和方法。該方法可以直觀地反應出轉輪不平衡方位，通過簡單的計算可以準確地計算出整個轉輪的不平衡角度以及不平衡重量，可以通過配重的方式再對整個試驗過程進行驗證，其方便的操作提高了靜平衡試驗的效率。在轉輪浮起的情況下一人就可輕松地旋轉轉輪180°，說明其摩擦系數很小，可確保靜平衡試驗的高精度。因此，該方法具有方便操作、直觀、摩擦系數小、試驗精度高、重復性好等優(yōu)點，值得推廣。該方法不僅適用于大、巨型轉輪，也適用于中型轉輪的靜平衡試驗。

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[2]趙波, 王宏元. 液壓與氣動技術[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社出版, 2008.

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