焦鋼毅

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是機(jī)組的操作機(jī)構(gòu)，它的安全性與可靠性對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系重大。因此，水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)必須設(shè)置一種安全裝置，當(dāng)異物夾在導(dǎo)葉間時(shí)，可以保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)因承受過大載荷而損壞。對(duì)于軸流式機(jī)組，目前采用最多的安全裝置仍是傳統(tǒng)的剪斷銷方式。導(dǎo)葉臂與連接板間設(shè)置一剪斷銷，當(dāng)導(dǎo)葉被異物卡住時(shí)，整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力矩都通過剪斷銷作用在這個(gè)被卡住的導(dǎo)葉上，由剪斷銷將其剪斷，從而避免了其它傳動(dòng)零件遭受破壞。但其只能利用一次，如果更換需要專用工具和停機(jī)，浪費(fèi)太多的人力、財(cái)力和時(shí)間。在蘇丹Rummla 項(xiàng)目中，采用彈簧承載式安全連桿機(jī)構(gòu)作為安全裝置，有效地解決了傳統(tǒng)的剪斷銷式連桿保護(hù)機(jī)構(gòu)所帶來的問題，為軸流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種新方法。

1 彈簧安全連桿結(jié)構(gòu)及工作原理

彈簧安全連桿主要包括兩個(gè)彈簧支座、兩個(gè)L 型連桿、彈簧、連桿銷、偏心銷、聯(lián)接銷軸、偏心量調(diào)整螺釘?shù)炔考椈傻膬啥送ㄟ^連接軸與彈簧支座的頂端固定連接，兩個(gè)彈簧支座分別連兩個(gè)L 型連板，兩個(gè)L 型連板通過聯(lián)接銷軸聯(lián)接，并分別通過連桿銷和偏心銷與控制環(huán)小耳和連接板相連，聯(lián)接銷的中心與連桿銷與偏心銷的中心有一定的偏心量，該偏心量可影響安全連桿受力大小，可由偏心量調(diào)整螺釘調(diào)節(jié)。在兩個(gè)L 型連板間還設(shè)有動(dòng)作檢測(cè)開關(guān)，檢測(cè)安全連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作狀態(tài)。

正常工作情況下，經(jīng)過計(jì)算，彈簧上具有一定的預(yù)拉力，保證導(dǎo)葉正常動(dòng)作時(shí)，彈簧不產(chǎn)生任何變形，發(fā)生誤動(dòng)作。當(dāng)兩只活動(dòng)導(dǎo)葉中間有異物卡入后，隨著控制環(huán)繼續(xù)向?qū)~關(guān)閉方向轉(zhuǎn)動(dòng)，安全連桿兩側(cè)的L 型連桿將以聯(lián)接銷為中心轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧安全連桿上的受力將逐漸增大，彈簧因受到的反向拉力逐漸增大而被伸長(zhǎng)。彈簧安全連桿彎折后，動(dòng)作檢測(cè)開關(guān)發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)開啟活動(dòng)導(dǎo)葉，將被卡住的異物排到下游?？ㄗ〉漠愇锱懦螅琇 型連桿在彈簧拉力的作用下自動(dòng)復(fù)位，檢測(cè)開關(guān)再次發(fā)出信號(hào)控制導(dǎo)葉繼續(xù)關(guān)閉，直至實(shí)現(xiàn)完全關(guān)機(jī)。在上述動(dòng)作過程中，完全實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)葉關(guān)閉過程中異物卡住后的全自動(dòng)處理，整個(gè)過程沒有任何零部件受到損壞，省去了采用剪斷銷結(jié)構(gòu)時(shí)所必需的更換剪斷銷及重新調(diào)整導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等大量工作(見圖1)。

圖1 彈簧安全連桿的結(jié)構(gòu)形式

2 軸流式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中采用彈簧安全連桿的設(shè)計(jì)

軸流式機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)為圓柱型導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，連桿機(jī)構(gòu)只在一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)，與貫流機(jī)組的空間運(yùn)動(dòng)相比，結(jié)構(gòu)空間更小，設(shè)計(jì)難度更大。安全連桿的設(shè)計(jì)要從空間布置及受力計(jì)算兩方面考慮。

2.1 彈簧安全連桿的空間布置

空間布置上，在初選彈簧安全連桿各結(jié)構(gòu)尺寸后，采用二維及三維設(shè)計(jì)軟件，校核導(dǎo)葉在正常運(yùn)動(dòng)過程中和有異物卡住彎折狀態(tài)下彈簧連桿之間、彈簧連桿與周圍其它組件不發(fā)生干涉。導(dǎo)葉正常全關(guān)狀態(tài)彈簧安全連桿示意圖見圖2，導(dǎo)葉正常全開狀態(tài)彈簧安全連桿示意圖見圖3，異物卡住彈簧安全連桿彎折狀態(tài)示意圖見圖4。

圖2 導(dǎo)葉正常全關(guān)狀態(tài)彈簧安全連桿示意圖

圖3 導(dǎo)葉正常全開狀態(tài)彈簧安全連桿示意圖

圖4 異物卡住彈簧安全連桿彎折狀態(tài)示意圖

2.2 彈簧安全連桿的受力計(jì)算

通過彈簧安全連桿的受力計(jì)算既要保證導(dǎo)葉在有異物卡住后彈簧自動(dòng)快速復(fù)位，彈簧受力彎折后滿足剛強(qiáng)度要求，又要保證導(dǎo)葉正常運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧不會(huì)隨意彎折，發(fā)生誤動(dòng)作。彈簧安全連桿的受力簡(jiǎn)圖如圖5 所示。

圖5 彈簧安全連桿受力簡(jiǎn)圖

以蘇丹Rummla 水輪機(jī)為例，根據(jù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)操作計(jì)算，導(dǎo)葉在運(yùn)動(dòng)過程中導(dǎo)水機(jī)構(gòu)對(duì)連桿作用力如表1 所示，導(dǎo)葉在關(guān)閉方向的全關(guān)位置該作用力最大，Pcmax=58.2kN。

表1 導(dǎo)葉運(yùn)動(dòng)過程中導(dǎo)水機(jī)構(gòu)對(duì)連桿作用力

由計(jì)算程序得到的彈簧安全連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及彎折過程中彈簧拉伸力和連桿受力如表2、表3 所示。從表3 數(shù)據(jù)可以看出，導(dǎo)葉正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，即安全連桿彎折角θ=0°時(shí)，連桿受力Fs0=88.29kN ＞1.5Pcmax滿足設(shè)計(jì)要求，當(dāng)安全連桿處于最大彎折狀態(tài)，θ=45°時(shí)，彈簧拉力最大，F(xiàn)kmax=11.89kN，此時(shí)彈簧切應(yīng)力τ=712.3MPa＜［τ］，滿足強(qiáng)度要求。

表2 彈簧安全連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

表3 彈簧安全連桿各狀態(tài)受力分析

3 結(jié)語

本文通過介紹軸流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)采用彈簧安全連桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及設(shè)計(jì)過程，給出了一種軸流式水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)安全裝置新的解決方案，有效地解決了傳統(tǒng)的剪斷銷式連桿保護(hù)機(jī)構(gòu)所帶來的問題，節(jié)約了機(jī)組的維護(hù)成本，提高了機(jī)組安全運(yùn)行的穩(wěn)定性。

［1］ 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.6.

［2］ 哈爾濱大電機(jī)研究所. 水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1976.

［3］ 程良駿. 水輪機(jī)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［4］ 天津電氣傳動(dòng)研究所.水輪機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］. 北京:科學(xué)出版社，1971.

［5］ 徐化芳.水力機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.