陳維勤，熊建平

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）

大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與主軸摩擦聯(lián)軸技術(shù)研究

陳維勤，熊建平

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016）

結(jié)合東芝水電對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與主軸摩擦聯(lián)軸技術(shù)的開發(fā)研究與試驗(yàn)，總結(jié)了用碳化硅粉末作為介質(zhì)增加摩擦系數(shù)的摩擦聯(lián)軸的技術(shù)特性及作業(yè)保障措施，為大型水電站水輪機(jī)摩擦聯(lián)軸的實(shí)施提供了技術(shù)依據(jù)。供同行參考。

水輪機(jī)；碳化硅粉末；摩擦系數(shù)；摩擦聯(lián)軸技術(shù)；研究

1 前言

水輪機(jī)摩擦聯(lián)軸是指水輪機(jī)主軸與轉(zhuǎn)輪聯(lián)接采用法蘭螺栓聯(lián)接摩擦傳遞扭矩的方式，通過給定主軸與轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸螺栓足夠大的預(yù)緊力，以獲取相應(yīng)的摩擦力，滿足機(jī)組摩擦傳遞扭矩的要求。摩擦傳遞扭矩相對于使用鍵或銷來傳遞扭矩的聯(lián)軸方式，其具有互換性好、裝拆方便等突出的優(yōu)點(diǎn)，并因此受到用戶青睞。

目前摩擦聯(lián)軸主要有兩種方式，一種是無摩擦劑方式，該方式主軸與轉(zhuǎn)輪直接剛性聯(lián)接，也稱純摩擦聯(lián)軸方式，該方式聯(lián)軸螺栓給定的預(yù)緊應(yīng)力需要足夠大；另一種是加摩擦劑方式，即在與主軸聯(lián)接的轉(zhuǎn)輪接觸面上噴涂摩擦劑從而增大摩擦系數(shù)的方式，也稱摩擦劑摩擦聯(lián)軸方式，該方式聯(lián)軸螺栓預(yù)緊應(yīng)力可以適當(dāng)降低。目前這兩種方式在中、小型水輪發(fā)電機(jī)組上都有較廣泛的應(yīng)用，東芝水電也均有應(yīng)用業(yè)績。

對于單機(jī)容量200 MW以上大型水輪機(jī)，由于輸出功率大、需要傳遞的扭矩大幅度增加，主軸與轉(zhuǎn)輪聯(lián)接法蘭尺寸也需要很大，如果采用摩擦聯(lián)軸傳遞扭矩，則需要在設(shè)計(jì)、制造、安裝及檢驗(yàn)等方面進(jìn)行全面考慮。根據(jù)東芝水電的研究成果，推薦優(yōu)先采用摩擦系數(shù)較大的加摩擦劑的方式，以適當(dāng)降低機(jī)組聯(lián)軸螺栓的預(yù)緊應(yīng)力，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

東芝水電在總結(jié)以往的摩擦聯(lián)軸傳扭技術(shù)基礎(chǔ)上，作了進(jìn)一步研究，充分考慮到大型水輪機(jī)主軸、轉(zhuǎn)輪及聯(lián)軸螺栓等材料性能、結(jié)構(gòu)布置空間、聯(lián)軸螺栓預(yù)緊力限制，以及加工制造難度、現(xiàn)場噴涂摩擦劑作業(yè)存在的不穩(wěn)定因素等，通過試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)研究，完善了性價(jià)比和現(xiàn)場組裝作業(yè)性更優(yōu)良、且具有較高摩擦系數(shù)的摩擦聯(lián)軸傳扭技術(shù)，探究和論證了推廣應(yīng)用于200MW以上大容量機(jī)組的可行性。

本文主要對上述兩種摩擦聯(lián)軸傳遞扭矩方式進(jìn)行了對比研究和應(yīng)用介紹，供同行參考。

2 兩種摩擦聯(lián)軸方式的特性比較

下面表1、表2以某電站設(shè)計(jì)為例，從設(shè)計(jì)計(jì)算、制造、安裝及檢驗(yàn)等多方面對無摩擦劑和加摩擦劑兩種摩擦聯(lián)軸方式的特性進(jìn)行比較說明。

表1 某電站摩擦聯(lián)軸方案設(shè)計(jì)計(jì)算對比分析

表2 兩種摩擦聯(lián)軸方案的制造、檢驗(yàn)及安裝安全性、難度比較

從表1和表2對兩種摩擦聯(lián)軸方案的比較，可以看出：

（1）無摩擦劑的摩擦聯(lián)軸方式

1）優(yōu)點(diǎn)

設(shè)計(jì)：主軸法蘭與轉(zhuǎn)輪直接聯(lián)接，簡單；

安裝：簡單方便，可操作性強(qiáng)。

2）缺點(diǎn)

設(shè)計(jì)：計(jì)算用摩擦系數(shù)一般不超過0.2，相對較小，要求的聯(lián)軸螺栓預(yù)緊力應(yīng)力較大，螺母面壓較高，給定的聯(lián)軸螺栓安全系數(shù)較??；

制造：聯(lián)軸法蘭面的表面平面度和粗糙度等有較高的要求，增加了制造的難度，特別是對于大型機(jī)組，其主軸聯(lián)軸法蘭直徑較大，保證法蘭平面度、粗糙度的難度也將增大。

（2）加摩擦劑的摩擦聯(lián)軸方式

1）優(yōu)點(diǎn)

設(shè)計(jì)：計(jì)算用摩擦系數(shù)通?？扇?.3，約為無摩擦劑聯(lián)軸方式的1.5倍左右，要求的聯(lián)軸螺栓預(yù)緊應(yīng)力相對較低，螺母面壓也降低，給定的螺栓安全系數(shù)可適當(dāng)提高；

制造：軸法蘭面的表面平面度和粗糙度要求可適當(dāng)降低，便于制造，特別是對于大型機(jī)組，其主軸聯(lián)軸法蘭直徑較大，保證法蘭平面度、粗糙度的難度降低，更易達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2）缺點(diǎn)

安裝：在轉(zhuǎn)輪聯(lián)接法蘭面上噴涂摩擦劑，需要按規(guī)范操作，有一定工作量和難度；

檢驗(yàn)：對照噴涂樣板進(jìn)行摩擦劑噴涂要求檢查，需要進(jìn)行多次確認(rèn)。

通過上述對比分析可以看出，采用摩擦劑聯(lián)軸方案時(shí)，聯(lián)軸螺栓應(yīng)力、螺母面壓可有效降低，并增大了安全系數(shù)，確保摩擦聯(lián)軸的可靠性，同時(shí)可適當(dāng)降低聯(lián)軸法蘭制造、檢驗(yàn)的難度。難點(diǎn)在于需要規(guī)范噴涂方法，制定可操作性好的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)規(guī)范，以有效控制安裝質(zhì)量。

3 摩擦劑噴涂方法研究

摩擦劑包括摩擦粉和粘接劑兩部分，我們采用碳化硅粉末作為摩擦粉，粘接劑采用無鉛清漆或凡士林，碳化硅粉末被穩(wěn)定地粘接在聯(lián)軸法蘭面上，形成均勻的摩擦劑層，增加聯(lián)軸接觸面的摩擦系數(shù)。

在聯(lián)軸法蘭面上噴涂摩擦劑，是獲取更大的表面摩擦系數(shù)，確?？煽總鬟f扭矩的有效方式。針對摩擦劑噴涂在現(xiàn)場組裝作業(yè)中可能存在的不確定性，為獲取不低于0.3的摩擦系數(shù)，保證噴涂質(zhì)量，東芝水電在以往中小型機(jī)組應(yīng)用業(yè)績的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了法蘭面間噴涂摩擦劑增強(qiáng)摩擦傳扭性能、獲取了質(zhì)量穩(wěn)定的預(yù)期摩擦系數(shù)的方法，形成了容易操作的作業(yè)規(guī)范。

首先，為獲取質(zhì)量穩(wěn)定的摩擦劑涂膜，我們進(jìn)行了多次噴涂嘗試、調(diào)整，以及重復(fù)性改善試驗(yàn)，最終規(guī)范了操作流程、作成了標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)樣板。其噴涂方法簡介如下：

在大試板上用噴槍噴灑無鉛油漆和碳化硅粉末，如圖1所示。噴灑時(shí)應(yīng)確保按規(guī)定的距離，手勢穩(wěn)定、速度均勻地噴灑，噴灑后檢查法蘭表面油漆附著情況，保證油漆均勻分布，局部不得有未噴灑部位或液滴凝聚現(xiàn)象。粉末均勻并基本不重疊。

圖1 摩擦劑噴涂示意圖

采用放大鏡觀察和確認(rèn)涂膜厚度和粉末均勻度基本達(dá)到預(yù)期要求后，再采用相同的方法，在整齊排列并編號的小試板上均勻噴涂，然后將噴好涂膜的小試板，拿到顯微鏡下觀察。

通過多次噴涂試驗(yàn)和觀察，確認(rèn)采用以上方法噴涂后，在分布于不同位置的各塊小試板上獲得的涂膜質(zhì)量基本無差異；之后采用試驗(yàn)成功的噴涂方法，反復(fù)進(jìn)行噴涂試驗(yàn)和確認(rèn)，直到每次噴涂獲得的涂膜質(zhì)量穩(wěn)定為止。

通過以上試驗(yàn)，確立了獲取穩(wěn)定的摩擦劑涂膜的噴涂方法，形成了摩擦劑噴涂作業(yè)和檢查企業(yè)規(guī)范。今后在實(shí)際安裝中可按規(guī)范實(shí)施噴涂作業(yè)，并采用標(biāo)準(zhǔn)樣板檢查、比對，以確認(rèn)涂膜質(zhì)量。

采用凡士林作為粘接劑時(shí)，用毛刷均勻涂抹凡士林，噴粉的方式與采用油漆作為粘接劑時(shí)的方法相同。

4 摩擦系數(shù)測試試驗(yàn)研究

對法蘭面之間無摩擦劑和噴涂碳化硅粉末作為摩擦劑兩種摩擦聯(lián)軸傳遞扭矩方式進(jìn)行摩擦系數(shù)測試。兩種方式的研究成果互為參照，以準(zhǔn)確掌握各自特性和差異性，更好地應(yīng)用于水電站機(jī)組設(shè)計(jì)制造、安裝和運(yùn)行維護(hù)。

4.1 試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)裝置如圖2所示，用于摩擦系數(shù)測試試驗(yàn)的法蘭，一個(gè)模擬原型機(jī)轉(zhuǎn)輪的法蘭，采用與原型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪通常使用的優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度不銹鋼相當(dāng)?shù)牟牧?；另一個(gè)模擬主軸法蘭，材料采用主軸廣泛使用的鍛20SiMn。法蘭用螺栓聯(lián)接，摩擦傳遞扭矩。

圖2 摩擦系數(shù)測試裝置

雖然已通過研究確認(rèn)了摩擦系數(shù)并不隨著材質(zhì)的變化而變化，但為了獲取與原型機(jī)實(shí)際盡可能一致的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于試驗(yàn)的兩個(gè)法蘭的材料還是與原型機(jī)轉(zhuǎn)輪和主軸使用較廣泛的材料保持了一致性。

聯(lián)軸螺栓采用力矩扳手預(yù)緊。在螺栓的預(yù)緊作業(yè)中，通過預(yù)先設(shè)定預(yù)緊力矩的方法，盡量確保每個(gè)螺栓預(yù)緊力矩基本相等，并通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出每個(gè)螺栓的預(yù)緊應(yīng)力，轉(zhuǎn)換成軸向力。

載荷試驗(yàn)時(shí)，用千斤頂及油泵系統(tǒng)加力，借助力臂模擬傳遞主軸的回轉(zhuǎn)扭矩。油壓千斤頂產(chǎn)生的載荷通過測力計(jì)傳感器及顯示裝置逐次測量并讀取。

4.2 摩擦系數(shù)測試試驗(yàn)結(jié)果

我們在法蘭面無介質(zhì)（不噴涂摩擦劑）和噴涂摩擦劑兩種情況下，以及不同的螺栓預(yù)緊應(yīng)力和法蘭表面粗糙度條件下，進(jìn)行了多次試驗(yàn)，并對試驗(yàn)時(shí)的作用載荷、螺栓預(yù)緊力等法蘭位移瞬間的相關(guān)系列數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量和記錄。通過測力計(jì)測得的油壓千斤頂?shù)妮d荷，以及根據(jù)螺栓預(yù)緊力矩計(jì)算的聯(lián)軸螺栓的軸力等，可算出摩擦系數(shù)。

作業(yè)時(shí)需要對螺栓預(yù)緊力進(jìn)行控制，計(jì)算使用了緊固完畢時(shí)的數(shù)據(jù)。每次試驗(yàn)后，及下一次試驗(yàn)開始前，都需要重新確認(rèn)螺栓預(yù)緊應(yīng)力。

通過對不同試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分類和對比分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）按同等條件實(shí)施試驗(yàn)時(shí)，可以得到相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。據(jù)此可以認(rèn)為，試驗(yàn)方法的可靠性得到了確保。

（2）摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如下：

無摩擦劑時(shí)：0.20～0.30；

加摩擦劑時(shí)：0.35～0.40。

（3）無摩擦劑時(shí)，螺栓預(yù)緊應(yīng)力變化對摩擦系數(shù)無明顯影響，但表面粗糙度為Ra1.6時(shí)，較Ra3.2時(shí)，摩擦系數(shù)有增大，增幅在15%左右，因此在無摩擦劑時(shí)，提高表面光潔度，能獲得較高的摩擦系數(shù)，但表面加工的難度增大。

（4）噴涂摩擦劑后，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，將螺栓的預(yù)緊應(yīng)力從0.4 σs增大到0.5 σs，摩擦系數(shù)提高了15%左右；預(yù)緊應(yīng)力從0.5 σs增大到0.6 σs摩擦系數(shù)沒有明顯變化，在此，如扣除因多次試驗(yàn)?zāi)Σ撩孀兇植趯?dǎo)致的摩擦系數(shù)下降因素，摩擦系數(shù)應(yīng)該是稍有增加的。

（5）每次試驗(yàn)拆解法蘭后，不加工法蘭面，僅用油石修整后便再次試驗(yàn)時(shí)，無論是無摩擦劑還是噴涂摩擦劑，都會(huì)使表面粗糙度變得較之前粗糙，如圖3所示，但試驗(yàn)結(jié)果顯示出如下差異：

無摩擦劑的摩擦面的摩擦系數(shù)有逐次減小趨勢，且每次減小了約5%左右，但在多次試驗(yàn)后，法蘭面重新加工至Ra3.2，再進(jìn)行試驗(yàn)，摩擦系數(shù)又有所增加。由此表明，無摩擦劑摩擦面的摩擦系數(shù)，隨光潔度提高而增大，對表面光潔度質(zhì)量要求高，在實(shí)際應(yīng)用中，表面通過長時(shí)間運(yùn)行及反復(fù)拆解檢修，法蘭面可能會(huì)變得較新機(jī)組粗糙，摩擦系數(shù)也會(huì)有減小的趨勢；

噴涂摩擦劑的法蘭面，在連續(xù)使用多次后，摩擦面也會(huì)變得更粗糙，但重新噴涂摩擦劑聯(lián)軸后，摩擦系數(shù)卻基本沒有變化。因此說明其重復(fù)使用的性能相比無摩擦劑方式穩(wěn)定。

圖3 摩擦系數(shù)試驗(yàn)法蘭面

4.3 螺栓預(yù)緊應(yīng)力及面壓評價(jià)

使用摩擦劑時(shí)，需要使摩擦劑嵌入法蘭面來獲得較高的摩擦系數(shù)，因此需要一定的螺栓預(yù)緊應(yīng)力，預(yù)緊應(yīng)力一般建議在0.4～0.6 σs范圍內(nèi)（σs：螺栓材料的屈服強(qiáng)度），根據(jù)綜合結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算選取，可確保面壓滿足要求。

4.4 有效作用面積范圍研究

以下試驗(yàn)對法蘭面有效作用面積的范圍進(jìn)行了研究。

采用噴涂摩擦劑的方式實(shí)施摩擦傳扭的法蘭面，載荷試驗(yàn)后表面粗糙度變粗的范圍基本涉及法蘭面整個(gè)區(qū)域（圖3）。我們通過在法蘭止口根部加工凹槽，使法蘭摩擦面接觸面積相應(yīng)減小的方式，再進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，測定的操作力和摩擦系數(shù)，與法蘭止口不加工凹槽比較，基本沒有差異，可見摩擦力的有效作用面積主要在螺栓附近的范圍，距離螺栓較遠(yuǎn)的位置，由于螺栓壓緊力作用的影響逐漸減小，法蘭面壓也呈現(xiàn)減小的趨勢，因此較遠(yuǎn)處的法蘭面積適當(dāng)減小，對摩擦力矩的大小影響很小。

實(shí)際應(yīng)用中，可以適當(dāng)減小法蘭面精加工的范圍，確保有效作用面的加工精度。

5 大型機(jī)組摩擦聯(lián)軸應(yīng)用研究

為了評價(jià)和確認(rèn)大型機(jī)組的大尺寸法蘭面實(shí)施粉末摩擦劑噴涂后，所形成的增摩擦涂膜對聯(lián)接法蘭面形位公差（主要是傾斜度）產(chǎn)生的影響，實(shí)施了以下模擬大型機(jī)組轉(zhuǎn)輪與主軸聯(lián)軸法蘭的傾斜度測試模擬試驗(yàn)。

（1）試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置詳見圖4所示，裝置根據(jù)某單機(jī)容量為250 MW的轉(zhuǎn)輪、主軸法蘭尺寸，按1:1制作測試模型，法蘭直徑為2.2 m；聯(lián)接螺栓的預(yù)緊作業(yè)采用液壓拉伸器實(shí)施，螺栓的預(yù)緊應(yīng)力與原型機(jī)組設(shè)計(jì)值基本相同。

（2）試驗(yàn)方法

在法蘭面不噴涂摩擦劑和噴涂摩擦劑兩種情況下，按相同的預(yù)緊力分別預(yù)緊螺栓，將法蘭把緊，之后分別測定螺栓分布位置及2個(gè)螺栓中間位置對應(yīng)的內(nèi)、外側(cè)法蘭的厚度，根據(jù)對噴涂摩擦劑前、后測定數(shù)據(jù)的對比分析，確認(rèn)摩擦劑噴涂作業(yè)方法應(yīng)用于大型機(jī)組的可行性。法蘭面螺栓緊固后，測點(diǎn)位置如圖5所示。

經(jīng)過多次測試試驗(yàn)，并對兩種摩擦聯(lián)軸方式的法蘭面傾斜度測量結(jié)果進(jìn)行分類匯總和對比分析，結(jié)果顯示，法蘭面無摩擦劑時(shí)和噴涂摩擦劑時(shí)，其傾斜度沒有明顯的差異，其結(jié)果均小于0.01mm/m，滿足GB/T8564-2003標(biāo)準(zhǔn)要求(0.02 mm/m)。

圖5 法蘭面測點(diǎn)位置

6 結(jié)語

無摩擦劑摩擦聯(lián)軸方式在中小水輪機(jī)有較廣泛的應(yīng)用業(yè)績。

噴涂摩擦劑與無摩擦劑摩擦聯(lián)軸方式相比，在法蘭面摩擦系數(shù)、法蘭面加工要求和工藝、現(xiàn)場組裝作業(yè)性、重復(fù)使用性等方面，均表現(xiàn)出更優(yōu)秀的特性。

采用噴涂摩擦劑的摩擦聯(lián)軸方式，摩擦系數(shù)可達(dá)到0.4以上，但考慮到使用環(huán)境和條件的差異，以及充分確保設(shè)計(jì)安全等因素，建議計(jì)算時(shí)摩擦系數(shù)取0.30，以保證有足夠的安全裕量。

通過試驗(yàn)研究，東芝水電進(jìn)一步明確了使用摩擦劑的摩擦聯(lián)軸方式的作業(yè)方法，形成了企業(yè)規(guī)范，同時(shí)在探究200 MW以上大型機(jī)組上應(yīng)用的可行性方面，也得到了驗(yàn)證。本研究成果已在南歐江五級機(jī)組上實(shí)際使用獲得成功，值得今后進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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TM312

A

1672-5387（2017）08-0003-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.002

2017-03-22

陳維勤（1970-），女，高級工程師，從事水力機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)工作。