挂治电厂摇臂式接力器优化设计改造

0概述

挂治水电站位于沅水干流上游河段的清水江中下游，是沅水梯级规划的第三级，2007年三台机组相继投产发电。在设备运行过程中发现接力器运行工况较差，在与厂家及电科院专家进行沟通后，决定对接力器进行优化改造，下面介绍改造情况。

1改造前设备状况

挂治电厂每台机组有3台摇臂式直缸接力器，并于2010年投入AGC调节，调节频繁使导水机构动作次数增加，接力器调节频率增大。现将接力器运行中发现的主要问题汇总如下：（1）接力器前缸盖导向轴套曾发生往内移的情况；（2）导向轴套的水平位置曾发生撕裂破坏，而非上下位置，导致导叶接力器出现漏油事故；（3）支持盖端销子上窜，后已焊住；（4）因导叶接力器压紧行程偏小，导致活动导叶关不严，进而导致漏水量大。

2改造思路

（1）将每台机的3台导叶接力器两端原来的自润滑球形轴承改造优化为控制环端的自润滑球形轴承维持不变，支持盖端的自润滑球形轴承更换为自润滑圆柱形轴套；（2）由于改造后接力器缸体的自重有部分由支持盖端自润滑圆柱销承担，为降低应力集中，将支持盖端圆柱销外径180mm与外径190mm处的过渡半径由原来的R1.5加大到R4。（3）将每台机的3台导叶接力器中前端盖与活塞杆之间的导向轴套更换为外径配合更紧的、强度更好的ZCuAl10Fe5Ni5轴套，增加其耐磨性能。外径设计由过盈配合Φ190H7（+0.046/0）/p6（+0.079/+0.050）修改为更紧的过盈配合Φ190H7（+0.046/0）/s6（+0.151/+0.122），过盈量由原来的（+0.004/+0.125）mm变为（+0.122/+0.197）mm。

3改造分析

采用通用有限元分析软件ANSYS对挂治接力器的原有方案和结构优化的改造方案进行了有限元分析计算，并对改造前后2种方案进行对比分析：

3.1有限元模型及边界条件

选取活塞缸、活塞杆、活塞和卡环作为有限元分析的对象，进行全模型分析。有限元模型共2497997个节点，1446156个单元。计算的边界条件及载荷为：计算全关状态，活塞在最外端；销子支点处高程一致，销子固定面全约束；各部件间设置接触；考虑自重1.6t，忽略油重；左腔设置油压4.2MPa。

3.2有限元结果分析

3.2.1改造前

由计算得知，最大位移为0.81mm，出现在活塞上，主要表现为轴向变形，活塞处最大竖向位移为0.58mm；最大应力159MPa，出现在控制环端自润滑球形轴承的连接销的倒角上；支持盖端的自润滑球形轴承的圆柱销的应力为102MPa；其余部位的应力均小于100MPa。导向轴套的最大应力为19.2MPa，远小于其许用应力。

3.2.2改造后

计算得知最大位移为0.37mm，出现在活塞上，主要表现为轴向变形。活塞处最大竖向位移为-0.14mm。最大应力194.9MPa，出现在支持盖端自润滑圆柱形轴承的圆柱销的倒角上。控制环端自润滑球形轴承的连接销的应力为85MPa；其余部位的应力均小于100MPa。导向轴套的最大应力为14.3MPa，远小于其许用应力。

3.3小结

原有的接头、控制环端的连接销的材料均为35CrMo，屈服强σs=490MPa，允许应力为326MPa；支持盖的圆柱销材料为45，屈服强度σs=345MPa，允许应力为230MPa；导向轴套为ZCuAl10Fe5Ni5，屈服强度σs=280MPa，允许应力为93.3MPa。（1）宜采取优化改进方案：一端球铰支撑，一端圆柱支撑。优化改造前，接头中单耳过渡处的下沉位移为0.14mm（该处弯曲应力约为38MPa），导向轴套处竖向位移0.58mm，由于导向轴套处下沉位移相对较大，会使接力器活塞杆与导向轴套之间的摩擦阻力加大。优化改造后，接头中单耳过渡处的下沉位移减小为0.03mm（该处弯曲应力加大到91MPa但不超过允许的弯曲应力），导向轴套处竖向位移减小到0.14mm。由于导向轴套处竖向位移的减小，可以降低接力器活塞杆与导向轴套之间的摩擦阻力，减轻轴套的磨损程度。优化改造前导向轴套处的竖向位移0.58mm比优化改造后导向轴套处的0.14mm大很多（如果考虑活塞间隙、导向轴套间隙、磨损，位移更大）。随着导叶接力器动作，两端球轴承方案竖向位移大幅摆动。竖向位移而非应力是主要影响导叶接力器正常工作的原因。（2）优化改造时，导向轴套的外径装配应采用过盈配合。导向轴套未滑出时，导向轴套最大应力在上下承压处（即活塞杆和导向轴套接触位置），且应力较小，不会导致导向轴套破坏；认为导向轴套水平位置发生破坏是因导向轴套外径的装配配合过松或约束不够，导致导向轴套先滑出，导向轴套滑出后，水平位置受拉，多次疲劳作用后破坏。因此，导向轴套外径装配时，应采用过盈配合或约束。（3）优化改造后，圆柱形轴套端的圆柱销过渡处圆角适当加大。优化改造后，支持盖端与圆柱形轴套配合的圆柱销处弯曲应力会增大。通过计算分析可知，结构优化改造后：接头中单耳过渡处的下沉位移明显减小，而该处的弯曲应力会加大、但不超过允许的弯曲应力；为了降低圆柱形轴套端的圆柱销过渡处的弯曲应力，应加大圆柱销过渡处的圆角，将该圆柱销过渡处倒角由R1.5改为R4；导向轴套处的下沉位移明显减小，可以降低导向轴套的磨损。

4总结

电厂2016年开始1号机接力器改造工作，改造后通过对接力器水平测量，导向轴套深度测量及磨损情况检查，整体性能相比较改造前有较大的提高，确保了机组的安全稳定运行。

作者：龚利恒 罗先洪 单位：湖南省五凌电力有限公司挂治水力发电厂