石國發(fā), 邵海波, 王學(xué)鵬, 李春川

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司, 德陽 618000)

隨著中國水電事業(yè)的不斷發(fā)展，大型水電站已成為水電發(fā)展的趨勢[1]。隨著水輪機(jī)組容量的不斷提升，機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行顯得越來越重要。剪斷銷是水機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的受力保護(hù)裝置，其作用是當(dāng)導(dǎo)葉間有異物卡住時(shí)保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及水輪機(jī)。剪斷銷保護(hù)裝置通常由剪斷銷及其信號器組成，其中剪斷銷是用來連接導(dǎo)葉傳動機(jī)構(gòu)中的連桿和導(dǎo)葉臂的，信號器則是用來監(jiān)視剪斷銷是否剪斷。正常情況下導(dǎo)葉在工作過程中，剪斷銷有足夠強(qiáng)度帶動導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動。但當(dāng)導(dǎo)葉間有異物卡住時(shí)，導(dǎo)葉軸和導(dǎo)葉臂不能動，而連桿在調(diào)速器及調(diào)速環(huán)帶動下轉(zhuǎn)動，因此對剪斷銷產(chǎn)生剪切力。當(dāng)作用力增大到正常應(yīng)力的1.5倍時(shí)，受卡導(dǎo)葉處剪斷銷被剪斷，被卡住的導(dǎo)葉不再做關(guān)閉動作，而其他導(dǎo)葉繼續(xù)向關(guān)閉方向運(yùn)動，以起到避免事故擴(kuò)大的作用[2-4]。

剪斷銷在電站運(yùn)行中頻繁剪斷的事故時(shí)有發(fā)生[5-7],剪斷銷剪斷是水電廠較為嚴(yán)重的故障之一。當(dāng)剪斷銷被剪斷后，一般需對壓力鋼管及尾水管排水后，進(jìn)入蝸殼檢查導(dǎo)葉是否有異物卡住，會花費(fèi)大量的時(shí)間和人力，直接影響機(jī)組正常運(yùn)行，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。剪斷銷剪斷的次數(shù)越多，損害程度越大；剪斷情況越頻繁發(fā)生，對機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的威脅也越大。

在剪斷銷設(shè)計(jì)和安裝優(yōu)良的情況下，剪斷銷能否起到保護(hù)作用取決于剪斷銷是否能在規(guī)定的剪切力下剪斷。當(dāng)剪斷銷本身質(zhì)量有缺陷或者設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足時(shí)，也可能會由于疲勞損傷等原因而剪斷[8]。因此，進(jìn)行巨型水輪機(jī)組剪斷銷剪切試驗(yàn)以及控制批量剪斷銷剪切力的波動是很有必要的。

1 剪切試驗(yàn)原理

剪斷銷示意圖如圖1所示?？梢娂魯噤N剪切力的大小取決于剪斷銷剪切面外徑d、內(nèi)孔徑d1及材料的剪切強(qiáng)度τb等3個(gè)因素。

圖1 剪斷銷示意圖Fig.1 Diagram of shear pin

理論條件下，將單件剪斷銷看作均勻材料，材料剪切強(qiáng)度可經(jīng)過剪切試驗(yàn)直接得到，或通過力學(xué)性能試驗(yàn)間接估算得到。剪切力F與剪切強(qiáng)度和剪切面積A的關(guān)系為

(1)

由式(1)可見，在內(nèi)孔徑和剪切強(qiáng)度不變的情況下，剪切力與剪切面外徑正相關(guān)。剪斷銷剪切面外徑越大，則剪切力越大。

2 剪切試驗(yàn)現(xiàn)狀及方案分析

2.1 試驗(yàn)的必要性

在機(jī)組設(shè)計(jì)剪斷銷時(shí)，剪斷銷設(shè)計(jì)剪切力和選用的剪斷銷材料會根據(jù)水輪機(jī)組運(yùn)行工況和機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變化而變化。選用的剪斷銷材料和設(shè)計(jì)剪切力不同，剪斷銷的剪切面外徑d和內(nèi)孔徑d1均會不同。要保證按設(shè)計(jì)尺寸加工得到的剪斷銷剪切力符合機(jī)組使用要求，在剪斷銷尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，一般情況下需要進(jìn)行下面3個(gè)步驟：一，針對選用的材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，估算剪斷銷剪切面尺寸；二，在保持剪斷銷內(nèi)孔徑不變的情況下，根據(jù)估算的剪切面尺寸加工出3件剪切面外徑呈梯度增加的剪斷銷，并進(jìn)行剪切試驗(yàn)，獲得剪斷銷尺寸和剪切力的相關(guān)曲線；三，根據(jù)剪斷銷尺寸和剪切力的相關(guān)曲線，選擇符合設(shè)計(jì)剪切力的剪斷銷尺寸。因此剪斷銷剪切試驗(yàn)是設(shè)計(jì)剪斷銷的必要步驟。

大尺寸安全銷實(shí)物單面剪切試驗(yàn)是無法用小試樣性能試驗(yàn)替代的[9]。為獲得剪斷銷在設(shè)計(jì)工作尺寸狀態(tài)下的剪切力，驗(yàn)證前期估算的成品剪斷銷剪切面外徑尺寸的合理性，巨型水輪發(fā)電機(jī)組用剪斷銷的尺寸(d和d1)在進(jìn)行剪斷力試驗(yàn)時(shí)不允許尺寸縮減。因此，有必要完成全尺寸狀態(tài)下的剪斷銷剪切試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)難點(diǎn)

巨型水輪發(fā)電機(jī)用剪斷銷的設(shè)計(jì)剪切力約1 700 kN，剪切力非常大。筆者了解到東方電機(jī)有限公司及周邊萬能試驗(yàn)機(jī)的最大量程僅為2 000 kN，僅超過剪斷銷設(shè)計(jì)剪切力約17.5%，且從未測試過如此高的試驗(yàn)力。另外，剪切力試驗(yàn)必須使用專用的剪斷工裝。東方電機(jī)有限公司剪斷銷專用剪斷工裝示意圖如圖2所示，為拉剪切剪斷銷試驗(yàn)工裝。該剪斷銷工裝允許使用的計(jì)算最大拉力為1 900 kN，僅比設(shè)計(jì)剪切力1 700 kN高出12.0%左右，設(shè)備安全余量較小，工裝提前破斷的風(fēng)險(xiǎn)較大。在不對剪斷銷剪切面尺寸進(jìn)行比例縮減的情況下，試驗(yàn)很容易造成試驗(yàn)設(shè)備損壞及其附屬剪斷工裝的斷裂破壞。

圖2 剪斷銷剪斷工裝示意圖Fig.2 Diagram of shear pin cutting tooling

2.3 可行性分析

根據(jù)上述情況，測試巨型水輪發(fā)電機(jī)用剪斷銷的極限剪切力必須在全剪切面尺寸的條件下，且只能采用2 000 kN的微控電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)和剪斷工裝進(jìn)行剪切試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，首先在剪斷銷材料達(dá)到加工成品剪斷銷的熱處理狀態(tài)后，對該材料抽樣進(jìn)行一組常溫力學(xué)性能試驗(yàn)，得到剪斷銷材料的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后伸長率A、斷面收縮率Z、沖擊吸收能量KV2和布氏硬度等力學(xué)性能參數(shù)。然后將力學(xué)性能測試結(jié)果交付機(jī)組設(shè)計(jì)者，機(jī)組設(shè)計(jì)者根據(jù)力學(xué)性能參數(shù)預(yù)估出實(shí)際剪斷銷剪切面外徑d和剪斷銷內(nèi)孔徑d1，并按此加工剪斷銷剪切面尺寸。經(jīng)過上述步驟之后，筆者預(yù)估計(jì)算出該批次剪斷銷剪切力不會超過1 800 kN，能夠采用東方電機(jī)有限公司的試驗(yàn)工裝完成巨型水輪機(jī)組全尺寸剪斷銷的剪切試驗(yàn)。

3 剪切試驗(yàn)方法

3.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

3.1.1 試樣制備

巨型水輪發(fā)電機(jī)用剪斷銷料坯材料為42CrMo鋼，熱處理狀態(tài)為鍛后調(diào)質(zhì)處理。從21件剪斷銷料坯中隨機(jī)抽取其中一件料坯并加工一組力學(xué)性能試樣，包括兩件拉伸試樣、兩件U型沖擊試樣和一件布氏硬度試樣。

3.1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，采用WDW-300型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，測量規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后伸長率A、斷面收縮率Z,電子萬能試驗(yàn)機(jī)的量程為300 kN，測量精度為0.5%；根據(jù)GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，采用PLT302D-3型金屬擺錘自動沖擊機(jī)在室溫(23 ℃)下測量沖擊吸收能量；根據(jù)GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，采用TH608型數(shù)顯布氏硬度計(jì)測量布氏硬度。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

剪斷銷料坯材料的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。 可知試驗(yàn)結(jié)果符合剪斷銷設(shè)計(jì)圖紙對剪斷銷原材料力學(xué)性能的要求。獲得表1數(shù)據(jù)后，機(jī)組設(shè)計(jì)者根據(jù)表1測得的力學(xué)性能參數(shù)，估算剪斷銷剪切面外徑和剪斷銷內(nèi)孔徑的預(yù)設(shè)計(jì)尺寸。

表1 剪斷銷力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of mechanical properties of shear pin

3.2 剪切試驗(yàn)

3.2.1 試樣制備

從上述剩余的20件剪斷銷料坯中再隨機(jī)抽取3件加工剪斷銷試樣。剪斷銷試樣加工尺寸為設(shè)計(jì)估算的剪斷銷預(yù)設(shè)計(jì)尺寸。3件剪斷銷內(nèi)孔徑尺寸一致，剪切面外徑的預(yù)設(shè)計(jì)尺寸成梯度增加，如表2所示。

表2 剪斷銷剪切面外徑設(shè)計(jì)尺寸Tab.2 Design dimension of outer diameter of shear pins shear surface mm

加工后的剪斷銷試樣示意圖如圖1所示，剪斷銷外徑D約為110 mm，設(shè)計(jì)剪切力為1 700 kN。

3.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，其量程為2 000 kN，測量精度為1.0%。

試驗(yàn)工裝采用東方電機(jī)有限公司自制的剪斷銷專用剪斷工裝，其示意圖如圖2所示，圖中D為試驗(yàn)套內(nèi)徑，該剪斷工裝的最大承拉力為1 900 kN。剪切試驗(yàn)時(shí)，將剪斷銷放在兩試驗(yàn)套內(nèi)，與兩試驗(yàn)套間隙配合。試驗(yàn)過程中，工裝的一端保持不動，另一端隨試驗(yàn)機(jī)上夾具向上移動，兩試驗(yàn)套隨之分離，使其中的剪斷銷剪切面受到拉剪力而剪斷。

3.2.3 試驗(yàn)方法

確認(rèn)設(shè)備和剪斷工裝狀態(tài)正常后，分別對1～3號剪斷銷進(jìn)行拉剪-單剪試驗(yàn)，測量剪斷銷的最大剪切力。

1,2號剪斷銷正常剪斷，3號剪斷銷在試驗(yàn)過程中并未剪斷，而是剪斷銷工裝破斷。

由于工裝破斷，3號剪斷銷未完成試驗(yàn)，因此加工了4號剪斷銷(剪切面外徑d=73.49 mm)，并重新加工了一套剪斷銷工裝以繼續(xù)完成試驗(yàn)。

剪切試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可知1，2號剪斷銷剪切力接近設(shè)計(jì)剪切力，而3號剪斷銷剪切力高于1號和2號剪斷銷的約110 kN。

表3 剪斷銷剪切試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Shear test results of shear pins

3.2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

分析表3中3件剪斷銷剪切面外徑及剪切力的變化可以發(fā)現(xiàn)，在剪切面外徑增加0.5 mm的情況下，2號剪斷銷剪切力相對于1號的增幅為25 kN，3號剪斷銷剪切力相對于2號的增幅至少為110 kN，遠(yuǎn)超理論值。3件剪斷銷內(nèi)孔徑一致，而在剪切面外徑增量相同的情況下，剪刀力的增幅差距卻很大，由此根據(jù)式(1)可推斷1號、2號和3號剪斷銷材料強(qiáng)度不一致，即τb不同。

3.3 硬度測試

由于剪斷銷已經(jīng)剪斷，不再方便進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。出于對料坯尺寸和試驗(yàn)成本等因素的考慮，企業(yè)也不可能對每件剪斷銷進(jìn)行剪切試驗(yàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，材料強(qiáng)度越高，其硬度也越高[10-11]。因此用巨型水輪發(fā)電機(jī)剪斷銷端部表面布氏硬度來間接反映剪斷銷材料的剪切強(qiáng)度。

根據(jù)GB/T 17394.1-2014《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》的技術(shù)要求，采用配備D型探頭的TH160型里氏硬度計(jì)對上述1～4號剪斷銷進(jìn)行硬度測試。有文獻(xiàn)表明，檢測面經(jīng)百葉輪打磨后的里氏硬度試驗(yàn)結(jié)果與拋光狀態(tài)的差值很小[12]，因此，該剪斷銷表面采用百葉輪打磨至表面粗糙度Ra不大于1.6 μm。測試結(jié)果由硬度計(jì)直接將里氏硬度轉(zhuǎn)換為布氏硬度，多次硬度測試結(jié)果平均值如表4所示。同時(shí)，將4件剪斷銷各加工一件布氏硬度試樣，根據(jù)GB/T 231.1-2018的技術(shù)要求，測試其硬度，結(jié)果如表4所示。

表4 各剪斷銷布氏硬度測試結(jié)果Tab.4 Brinell hardness test results of shear pins

可以看出，1號和2號剪斷銷之間硬度差距很小，為9 HBHLD,6 HBW；3號剪斷銷端部表面的布氏硬度比1號和2號的高出約20 HBHLD,25 HBW，差距較大;4號剪斷銷端部表面的布氏硬度更高，與1號和2號剪斷銷的差距也更大。

3.4 剪切試驗(yàn)和硬度測試結(jié)果分析

根據(jù)上述剪切試驗(yàn)結(jié)果和硬度測試結(jié)果，綜合分析后得出以下結(jié)論和推論。

(1) 在現(xiàn)有僅支持1 900 kN的剪斷銷工裝和試驗(yàn)機(jī)條件下，增補(bǔ)的4號剪斷銷無法順利完成試驗(yàn)。為避免再次破壞剪斷工裝，造成壽命周期成本浪費(fèi)，應(yīng)立即停止進(jìn)行該剪切試驗(yàn)。

(2) 大尺寸超高剪切力的剪斷銷剪切試驗(yàn)成本高，設(shè)備破損風(fēng)險(xiǎn)大。在保證實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果有效性和剪斷銷剪切力均勻性受控的情況下，若能征得設(shè)計(jì)者和客戶的同意，適當(dāng)?shù)販p小剪斷銷剪切試驗(yàn)的剪切面尺寸，能降低超高剪切力剪斷銷在剪切試驗(yàn)過程中對試驗(yàn)機(jī)設(shè)備和試驗(yàn)工裝造成的壓力，提高剪切面尺寸的確認(rèn)速度和試驗(yàn)效率。

(3) 對比表3和表4數(shù)據(jù)可以看出，1號和2號剪斷銷之間硬度差距較小，剪斷銷剪切力差距也較小；3號剪斷銷與1號和2號剪斷銷之間硬度的差距較大，剪切力的差距也較大。硬度越高的剪斷銷，剪切力也越高，說明剪斷銷剪切力與硬度之間存在一定的相關(guān)性。

為此，選用不同硬度的42CrMo鋼材料，加工成試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢婋S著材料硬度的增加，材料的剪切強(qiáng)度也隨之增加。根據(jù)式(1)，在剪切面尺寸保持不變的情況下，剪切強(qiáng)度增加，剪切力也會隨之增加。

圖3 42CrMo鋼布氏硬度與剪切強(qiáng)度的相關(guān)性Fig.3 Correlation between Brinell hardness and shear strength of 45CrMo steel

可以通過剪斷銷的布氏硬度來間接反映剪斷銷剪切強(qiáng)度，進(jìn)而反映剪切力的水平。因此，可以通過控制剪斷銷的布氏硬度波動來間接控制剪斷銷的剪切強(qiáng)度波動，實(shí)現(xiàn)對剪斷銷剪切強(qiáng)度均勻性和剪切力波動性的控制。

3.5 批量剪斷銷硬度試驗(yàn)

巨型水輪發(fā)電機(jī)剪斷銷材料截面尺寸較大，外徑約為110 mm。同一爐批次鍛造和熱處理的剪斷銷實(shí)際上存在著熱處理的不均勻性和材料的不均勻性，導(dǎo)致不同根剪斷銷材料之間的硬度和強(qiáng)度存在較大差異。隨機(jī)抽取了16件剪斷銷料坯進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如表5所示。

表5 批量剪斷銷硬度測試結(jié)果Tab.5 Hardness test results of batch shear pins HBHLD

可見該批次剪斷銷之間硬度確實(shí)存在較大的差異，最大相差129 HBHLD，整批材料的硬度波動明顯。材料硬度的劇烈波動將造成剪斷銷剪切強(qiáng)度的劇烈波動，導(dǎo)致剪斷銷剪切力的劇烈波動。剪斷銷剪切力的劇烈波動將直接影響剪斷銷試驗(yàn)的完成情況，影響成品剪斷銷剪切面加工尺寸選擇的合理性，進(jìn)而影響剪斷銷在機(jī)組中使用的安全性和可靠性。

3.6 最終試驗(yàn)方案——控制硬度均勻性

為了控制批量剪斷銷剪切力的均勻性，獲得剪切力波動性合適的批量剪斷銷，剪斷銷的一致性檢驗(yàn)是有必要的。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，受檢驗(yàn)成本及剪斷銷尺寸等因素影響，相較于對每件剪斷銷進(jìn)行常溫力學(xué)性能試驗(yàn)或剪切試驗(yàn)，在材料尺寸和質(zhì)量滿足硬度測試標(biāo)準(zhǔn)的條件下，對每件剪斷銷進(jìn)行硬度測試是可以實(shí)現(xiàn)的，而且具有便捷和可操性等優(yōu)點(diǎn)。作者研究的巨型水輪發(fā)電機(jī)剪斷銷尺寸符合里氏硬度檢測標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17394.1-2014對D型探頭的要求，可以進(jìn)行剪斷銷硬度測試。

實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)首先調(diào)整和固化剪斷銷材料的鍛造和熱處理工藝，保證剪斷銷料坯的熱處理均勻性和硬度均勻性，嚴(yán)格控制熱處理質(zhì)量。當(dāng)材料達(dá)到設(shè)計(jì)使用的熱處理狀態(tài)和材料性能后，將剪斷銷的端部平面打磨至Ra不大于1.6 μm即可進(jìn)行硬度測試。對該批次材料進(jìn)行重新熱處理后，實(shí)測16件剪斷銷料坯的硬度，結(jié)果如表6所示。

表6 重新熱處理后同一批次剪斷銷硬度測試結(jié)果Tab.6 Hardness test results of the same batch shear pins after heat treatment again HBHLD

可見重新熱處理后實(shí)際硬度波動差為70 HBHLD。為了使剪斷銷硬度波動更小，選擇加工時(shí)，可以剔除硬度與平均值271 HBHLD差距較大的試樣8，16兩件料坯，再加工剪斷銷。

根據(jù)上述硬度測試結(jié)果，隨機(jī)選取一件剪斷銷進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),并重新預(yù)估剪斷銷內(nèi)孔徑尺寸和剪斷銷剪切面外徑后，再次加工3件剪斷銷進(jìn)行全尺寸剪切試驗(yàn)。3件編號分別為7，1，2的剪斷銷均成功剪斷，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 剪斷銷重新剪切試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of shear test again of shear pins

可見通過批量剪斷銷布氏硬度測試，從中挑選出布氏硬度波動較小的剪斷銷，控制剪斷銷料坯的布氏硬度均勻性，可以實(shí)現(xiàn)控制剪斷銷剪切力的波動性和均勻性，為最后成品剪斷銷尺寸的確認(rèn)提供了保障，并達(dá)到了控制批量剪斷銷剪切力和質(zhì)量的目地。

4 結(jié)論

通過上述分析和試驗(yàn)，可以采用控制批量剪斷銷材料的布氏硬度波動來控制剪斷銷剪切力的波動，具體有以下幾個(gè)步驟。

(1) 嚴(yán)格控制剪斷銷材料的鍛造和熱處理質(zhì)量，為控制批量料坯的硬度均勻提供保障。

(2) 在剪斷銷材料經(jīng)熱處理后，對剪斷銷材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，判斷材料性能與使用要求的符合性，確定剪斷銷硬度波動性控制范圍。

(3) 對剪斷銷進(jìn)行批量硬度測試，并按硬度波動性要求挑選剪斷銷，進(jìn)行硬度均勻性控制。

(4) 根據(jù)剪斷銷材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，初步確定剪斷銷剪切面加工尺寸。

(5) 從挑選出的剪斷銷料坯中選出3件，加工剪切試樣，并進(jìn)行剪切試驗(yàn)。

(6) 通過剪切試驗(yàn)結(jié)果，確定最終剪斷銷剪切面加工尺寸。

結(jié)合當(dāng)前剪切試驗(yàn)條件，采用上述6個(gè)步驟，通過控制批量剪斷銷布氏硬度波動的方式實(shí)現(xiàn)了控制剪斷銷剪切力波動，從而實(shí)現(xiàn)了對成品剪斷銷質(zhì)量的控制，基本滿足了巨型水輪機(jī)剪斷銷的試驗(yàn)和使用要求。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果穩(wěn)定、可靠，具有非常高的便利性、可操作性和經(jīng)濟(jì)性。