關(guān)于某電廠主進(jìn)水閥樞軸卡塞問題的分析與處理

伍常林，肖維寶，王大強(qiáng)，熊續(xù)平

（華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司，安徽省滁州市 239000）

0 引言

某電廠于2014年12月底出現(xiàn)主進(jìn)水閥樞軸卡塞，檢查發(fā)現(xiàn)原鋼基軸套與進(jìn)水閥體間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，碾碎了它們間的固定銷，導(dǎo)致軸套變形抱死樞軸，主進(jìn)水閥不能正常關(guān)閉。針對該故障，一般會(huì)把原鋼基軸套更換為相同尺寸的銅基軸套，以保護(hù)主進(jìn)水閥體。因此，該電廠于2015年根據(jù)軸套加工設(shè)計(jì)圖紙將原鋼基軸套更換為銅基軸套，取消了軸套和閥體間的固定銷釘。2015年11月對該軸套進(jìn)行回裝，回裝后測得軸套和樞軸之間的間隙以及主進(jìn)水閥的關(guān)閉時(shí)間都滿足設(shè)計(jì)要求。然而，在2016年1月至5月運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)主進(jìn)水閥關(guān)閉時(shí)間隨著運(yùn)行環(huán)境溫度的升高而變長，直至發(fā)生主進(jìn)水閥不能正常關(guān)閉。

針對上述故障分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)直接更換舊軸套方法不能解決軸套和樞軸的配合問題，往往會(huì)因軸套材質(zhì)、溫度等因素變化引起軸套、閥體和樞軸之間的間隙發(fā)生改變，導(dǎo)致主進(jìn)水閥卡塞。因此，本文對軸套尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和研究，以解決主進(jìn)水閥樞軸卡塞問題具有一定的理論和實(shí)踐意義。

1 新軸套尺寸設(shè)計(jì)目標(biāo)

1.1 原軸套尺寸配合

主進(jìn)水閥軸套、樞軸和閥體尺寸，如圖1所示。根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)軸套與主進(jìn)水閥體為過盈配合：?953H7/r7，軸套與樞軸為間隙配合：?900H8/d8，見表1所示。

圖1 主進(jìn)水閥軸套、樞軸和閥體孔洞配合尺寸Figure 1 The size of main inlet valve shaft sleeve，pivot and valve body hole

廠家根據(jù)軸套圖紙尺寸提供相應(yīng)的銅基軸套（材質(zhì)：GZ-CuAL10Ni），安裝前對新銅基軸套測得外徑平均值為?953.17mm，內(nèi)徑平均值為?900.55mm，滿足公差要求，見表1。

1.2 影響軸套尺寸配合的因素

通過對新銅基軸套投運(yùn)后的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)存在以下三方面問題：

表1 軸套、樞軸和閥體孔洞配合尺寸mmTable 1 The mating dimensions of main inlet valve bushing，pivot and valve body hole

（1）軸套加工時(shí)沒有進(jìn)行溫度控制，且現(xiàn)場測量軸套尺寸數(shù)據(jù)沒有歸算到20℃（注：公差配合中的數(shù)據(jù)都是在一個(gè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溫度即換算到20℃時(shí)的公差。）；

（2）沒能考慮設(shè)備實(shí)際運(yùn)行環(huán)境溫度（即該廠實(shí)際運(yùn)行環(huán)境溫度在7℃到30℃之間）影響，未對軸套尺寸進(jìn)行修正；

（3）沒有考慮過盈配合軸套壓入時(shí)收縮量對軸套內(nèi)徑的影響。

由于新軸套尺寸設(shè)計(jì)時(shí)忽略了上述溫度等因素的影響，導(dǎo)致軸套與樞軸之間的間隙在極端運(yùn)行環(huán)境溫度中不滿足設(shè)計(jì)要求。因此，新軸套尺寸設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮和解決運(yùn)行環(huán)境溫度、軸套材質(zhì)和軸套壓入時(shí)收縮量等因素的影響。

2 新軸套尺寸設(shè)計(jì)方案

2.1 解決環(huán)境溫度因素對軸套尺寸的影響

因軸套直徑較大，容易受運(yùn)行環(huán)境溫度影響，導(dǎo)致了軸套和樞軸間間隙發(fā)生變化。根據(jù)金屬熱脹冷縮原理[1]，解決環(huán)境溫度對軸套膨脹量的影響。為確保軸套在最低環(huán)境溫度運(yùn)行時(shí)不發(fā)生軸套與閥體間相對位移，依據(jù)金屬熱脹冷縮公式（1），計(jì)算出軸套收縮量為：

式中t——加熱溫度；

t0——室溫，即歸算溫度（20℃）；

i——實(shí)測過盈量；

d——孔的名義直徑；

ka——膨脹系數(shù)。

將某廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)代入公式（1）中，如下所示：

式中ka=17.6×10-6表示銅的膨脹系數(shù)，d=953mm。為確保軸套與閥體間仍有過盈量且軸套冷縮后不與閥體發(fā)生相當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)，t0歸算到20℃。

從上述等式中，可以推導(dǎo)出當(dāng)最低t=7℃時(shí)，銅軸套的冷縮量為：

另外，為了確保最低運(yùn)行環(huán)境溫度時(shí)軸套冷縮后不轉(zhuǎn)動(dòng)，軸套與閥體間過盈配合至少應(yīng)滿足：

過盈量δ=[（+0.130）～（+0.310）]和收縮量i=（0.073～0.109）間的配合量即：

由于受到現(xiàn)場安裝條件限制，該廠實(shí)際過盈量選擇了靠下限值0.24mm。

2.2 彈性壓縮量對軸套尺寸的影響

軸套和閥體間為過盈配合，軸套安裝過程中發(fā)生彈性壓縮量，導(dǎo)致軸套內(nèi)徑縮小。根據(jù)過盈雙層組合圓筒原理和壓入軸套收縮系統(tǒng)計(jì)算原理[2]，解決了過盈雙層組合圓筒回裝后彈性壓縮量對軸套內(nèi)徑的影響。即在最高溫度30℃運(yùn)行時(shí)軸套與樞軸間的間隙應(yīng)滿足公差要求。

根據(jù)過盈雙層組合圓筒原理（見圖2）和壓入軸套收縮系統(tǒng)簡化公式[3]，結(jié)合圖1計(jì)算該廠軸套回裝后壓縮量。

壓入軸套收縮系統(tǒng)簡化公式：

圖2 過盈雙層組合圓筒原理Figure 2 Principle of interference double layer combined cylinder

圖2 中，ra表示軸套內(nèi)徑，rc表示軸套外徑，rb表示機(jī)體外徑。實(shí)際該廠ra=900mm/2，rb=1310mm/2，rc=953mm/2。

（2）查閱軸套與機(jī)體泊松比：μ1（銅）=0.4；μ2（鋼）=0.3；彈性模量：E1（銅）=104kg/mm2，E2（鋼）=2×104kg/mm2。將這些帶入公式（2）中得到k=0.93。

得出軸套安裝后向樞軸側(cè)的壓縮量為Δ=0.93×δ，其中δ為過盈量。即軸套安裝后軸套與樞軸間的單邊間隙將減少為：

為確保軸套和樞軸間配合間隙在最高溫度30℃下運(yùn)行且不發(fā)生卡塞，故折算到20℃軸套內(nèi)徑尺寸理論上為：

另外，為確保軸套與樞軸間的密封效果，該廠選擇了靠下限附近的值：?900.90mm。

綜合上述計(jì)算，該廠新軸套根據(jù)實(shí)際安裝工藝和運(yùn)行環(huán)境選擇了合適尺寸即軸套與閥體間過盈量選擇0.24mm（換算到20℃），軸套與樞軸間隙選擇0.90mm（換算到20℃）。

在軸套回裝后，除去金屬熱脹冷縮和彈性壓縮量影響，在20℃時(shí)，軸套回裝后與樞軸間的單邊間隙應(yīng)為：

2.3 軸套加工時(shí)熱量會(huì)對軸套尺寸產(chǎn)生影響

因軸套材質(zhì)和軸套半徑較大等因素，軸套尺寸易受溫度影響，故采用多層多次加工方式，解決軸套加工時(shí)產(chǎn)生的熱量對軸套尺寸的影響。該廠為減少軸套加工熱量對軸套尺寸影響，每次加工完成后，將銅套靜止24小時(shí)（注：確保銅套內(nèi)外與環(huán)境溫度保持一致），并用紅外測溫槍測溫后立即測量銅套尺寸，并核算加工量后立即進(jìn)行加工，多次往復(fù)，不斷計(jì)算調(diào)整加工尺寸。該廠軸套加工后最終尺寸內(nèi)直徑為?900.91mm，外直徑為?953.244mm（換算到20℃）。

3 實(shí)施效果驗(yàn)證

通過對環(huán)境溫度、回彈壓縮量和加工產(chǎn)生的熱量三個(gè)方面進(jìn)行控制，某電站軸套回裝后恢復(fù)到環(huán)境溫度20℃，對軸套與樞軸間的8個(gè)對稱點(diǎn)進(jìn)行測量（見圖3），測量軸套和樞軸對稱平均單邊間隙為0.22mm，與計(jì)算值相吻合，證明了本方案的有效性，見表2。

圖3 軸套與樞軸間的間隙測量點(diǎn)Figure 3 Measuring point of clearance between shaft sleeve and pivot

表2 軸套回裝后軸套和樞軸間的間隙測量尺寸mmTable 2 Measuring clearance between shaft sleeve and pivot after installation

新軸套投運(yùn)2年多，歷經(jīng)7℃至30℃的運(yùn)行環(huán)境溫度變化，主進(jìn)水閥關(guān)閉時(shí)間穩(wěn)定在89～98s左右，徹底解決了主進(jìn)水閥軸套卡塞問題。

4 結(jié)束語

本文通過某電廠主進(jìn)水閥軸套卡塞問題分析，根據(jù)現(xiàn)場軸套實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，找出了影響軸套尺寸的相關(guān)因素，以金屬熱脹冷縮、軸套過盈雙層組合圓筒原理和理論計(jì)算為理論基礎(chǔ)，并提出了多層多次加工軸套的方法，徹底解決了該廠主進(jìn)水閥樞軸卡塞問題，為其他電站類似的問題解決具有示范意義。