水泵葉片液壓調節(jié)系統(tǒng)中置式接力器的設計及優(yōu)化

黃從兵

（江蘇航天水力設備有限公司，江蘇 高郵 225600）

大型立式液壓全調節(jié)軸流泵及大型立式液壓全調節(jié)導葉式混流泵的液壓調節(jié)系統(tǒng)由液壓裝置、受油器、接力器、葉片調角操作機構及電氣控制柜等組成，其中的接力器的主要作用是將油壓力轉化成調節(jié)桿的推拉力，從而帶動葉片調角操作機構（連桿—轉臂機構）將軸向移動轉化成葉片繞樞軸的轉動，從而實現(xiàn)葉片安放角度改變的目的。接力器根據(jù)布置型式分為下置式、中置式和上置式：置于電機頂部的為上置式；置于泵軸下端的水泵葉輪內的為下置式；置于電機軸下端、水泵軸上端的為中置式。上置式因存在較多缺陷而極少采用；下置式雖然較多采用，但因接力器置于水下而致使維修及運行管理不便；中置式接力器克服了下置式的這一缺陷而逐漸多地被采用。

本文以南水北調東線一期工程山東長溝泵站及八里灣泵站主水泵葉片液壓調節(jié)系統(tǒng)的中置式接力器為例，具體介紹中置式接力的設計，并提出進一步優(yōu)化的內容，為類似產品的設計及中置式接力器的推廣應用提供了參考。

1 中置式、下置式接力器對比分析

在立式液壓全調節(jié)軸流泵及導葉式混流泵的液壓調節(jié)系統(tǒng)中，接力器的作用決定了接力器必須置于受油器與葉片調角操作機構之間的某一位置。在以往已建成的泵站主水泵機組中，普遍采用下置式接力器，如1A 所示，雖然首次安裝難度不大，但在水泵大修更換接力器中的密封件時，需要排除進水流道內積水，將受油器解體，將泵軸與電機軸、水泵葉輪與泵軸分離，再將葉輪從水泵層平移出來，以便對葉輪內的接力器進行解體，在檢修好后，將葉輪平移入泵軸下方，再與泵軸聯(lián)接，恢復軸的聯(lián)接及受油器組合體。大型水泵葉輪質量很重（約10 t 左右），平移的難度是很大的，給檢修工作帶來很多不便。如果采用中置式接力器（如圖1B 所示），將接力器置于水泵軸與電機軸法蘭之間，接力器大檢修時，只要將操作油管與接力器、接力器與電機軸聯(lián)接螺栓拆除，將接力器連同泵軸、葉輪一同下降至葉輪下方的專用支架上，即可在受油器、葉輪、泵軸等不解體的前提下，對接力器進行大檢修，檢修方便性大大提高。因此，從產品使用角度講，中置式接力器優(yōu)于下置式接力器。

圖1 下置式、中置式接力器對比圖

2 中置式接力器的設計及特點

2.1 中置式接力器的結構

中置式接力器結構詳見圖2，其由五部分組成：油缸及其密封、活塞及其密封、活塞桿及其密封、油管和輔助機構等。

圖2 中置式接力器結構圖

（1）油缸及其密封：油缸及其密封組成的空腔是接力器的工作室，并兼作水泵機組軸系的一部分，其由油缸體、油缸蓋、手孔蓋、O 形密封圈等組成。油缸體與油缸蓋之間通過法蘭聯(lián)接，螺栓、螺母緊固。

油缸承受工作油壓、水泵轉子的軸向推力及扭矩等，因此，油缸及其緊固件必須采用高強度材料制作，在一般情況下，油缸體及油缸蓋采用35#鋼整鍛件較好，聯(lián)接螺栓及螺母采用45#鍛鋼或35CrMo 鍛件較好。

油缸體與泵軸、油缸蓋與電機軸均采用法蘭聯(lián)接，O 形密封圈密封、螺栓、螺母同樣采用高強的材料制作。手孔的作用是便于油管裝拆及便于觀察接力器內部情況。手孔蓋為承受高壓件，采用45#鋼制造，手孔蓋與油缸體之間采用高強度螺栓緊固，O 形圈密封。

（2）活塞及其密封：活塞及其密封為接力器的主體部分，由活塞、活塞密封圈、隔離罩及密封圈組成?；钊睆礁鶕?jù)葉片調節(jié)力及設計油壓的大小確定，調節(jié)力大小與水泵葉輪直徑、葉片數(shù)、水泵工作揚程、葉片樞軸與其軸承之間摩擦系數(shù)等有關，一般取最大調節(jié)力校核活塞直徑是否具有足夠安全系數(shù)。活塞為承壓件，采用35#鍛鋼件、鑄鋼件或球鐵件，但采用鍛鋼件較好，可減少或避免活塞毛坯內部缺陷?；钊芊馊Σ捎镁匦文陀拖鹉z圈，采用此密封圈是在總結以往水泵及水輪機采用金屬環(huán)、金屬環(huán)加橡膠圈組合密封環(huán)、O 形圈等優(yōu)缺點的基礎上[1~2]，加以改進而形成的，此種型式密封圈經過江蘇江都三站、江都四站、湖南漢壽坡頭泵站等泵站主水泵的運行考驗，證明其性能優(yōu)于以往所采用的密封環(huán)，且制造工藝大大簡化。隔離罩的作用是與活塞一起將油缸上、下腔的油分隔開來，與下置式接力器比較，此件既是結構上的需要，也是便于操作油管聯(lián)接的需要。隔離罩與活塞之間用高強度螺栓聯(lián)接，O 形圈密封。

（3）活塞桿及其密封為接力器的傳力部分?；钊麠U與活塞之間采用圓螺母緊固，并設鍵保證活塞與活塞桿同步旋轉?；钊麠U密封采用Yx 型橡膠密封圈，并用O 形橡膠密封圈輔助之，較傳統(tǒng)的V 形組合密封圈結構簡化了、可靠性提高了。Yx 形密封圈唇口對著高壓側，在油壓的作用下保持與活塞桿及密封，槽的外側緊密接觸，從而保證密封的高可靠性，實踐證明可以做到滴油不漏，且在少量磨損后具有自動補償功能，提高了密封圈的使用壽命。

（4）油管：油管的作用是將受油器與接力器連通，將接力器上、下腔分別與油管外腔和內腔相通，從而實現(xiàn)將油壓按程序要求輸送到接力器上、下腔。操作油管一般較長，設計成分段結構，便于機組拆裝。油管為承受高壓件，用無縫鋼管制作較好。操作油管與隔離罩通過分瓣法蘭、螺栓、螺母、鍵聯(lián)接和緊固，油管與隔離罩之間用O 形圈密封。

（5）輔助機構：輔助機構包括上、下腔排油孔，上、下限位塊。排油孔在制造及安裝過程中對內腔做油壓試驗時，可作為進、出油口用，拆機時可作為排油用。為防止拆機時高壓油傷人，排油孔用放油閥及堵頭堵上，保證不漏油，放油時用接管將放油閥壓住開，并將油引出（注意接管出口對著油桶）。上、下限位塊必須設置，否則，會產生過調節(jié)而損壞葉輪內機件的事故[3]。上、下限位塊在工廠內根據(jù)實測有關尺寸確定厚度后制作，但在設計時必須保證限位塊有足夠的厚度，限位塊為4 塊均布，厚度應一致，保證活塞受力均勻，避免產生機件變形。

2.2 中置式接力器的工作過程

接力器的作用是將來自受油器的油壓轉化成調節(jié)桿的推拉力。當受油器高壓油通過油管內腔輸送到接力器下腔時，油管外腔及接力器上腔同步回油變成低壓腔，活塞上移，帶動葉輪內操作架上移，葉片向正角度方向轉動；當受油器將高壓油通過油管外腔輸送到接力器上腔時，油管內腔及接力器下腔同步回油變成低壓腔，活塞下移，葉片向負角度方向轉動。由此可見，接力器的結構設計為實現(xiàn)其工作過程提供了充分的保障。

2.3 中置式接力器的裝拆過程

要順利裝拆中置式接力器，不僅要充分考慮接力器本身結構，還要充分考慮好轉子系統(tǒng)結構，否則會導致裝拆受挫或返工。根據(jù)本系統(tǒng)結構特點，中置式接力器安裝過程如下：

泵軸及下調節(jié)桿與葉輪組裝好→活塞桿與調節(jié)桿聯(lián)接→油缸體、泵軸及密封圈組裝→活塞桿密封組件裝配→活塞及其密封件裝入油缸內（注意活塞鍵槽與活塞桿上的鍵對準）→油缸蓋、油缸體及密封圈組裝→油缸蓋、電機軸及密封圈組裝→油管與隔離罩聯(lián)接（從手孔將工具伸進內腔操作）。拆卸過程可以按照安裝過程的逆順序進行。

2.4 中置式接力器的特點分析

（1）與下置式接力器比較，中置式接力器與水泵抽送的水不接觸，對其內部檢查較為方便；在不排除流道積水、不解體受油器、不解體葉輪、不分離葉輪與泵軸情況下，即可對接力器進行解體，使得維修方便性得到大大提高。

（2）密封件結構簡單，制作工藝大大簡化?；钊芊庥镁匦蚊芊馊Γ^金屬密封環(huán)或組合密封環(huán)制作難度大大降低；較O 形密封圈密封接觸面增大了，密封可靠性大大提高，且密封圈的壽命提高了。活塞桿密封采用Yx 形密封圈，較傳統(tǒng)的V 形組合密封圈，結構大大簡化，裝拆、維修方便性大大提高；Yx 形密封圈雖然只有一道，但因其具有自動補償功能，所以可靠性可以充分保證，密封圈壽命較O 形密封圈大大延長。

（3）與下置式接力器比較，從受油器至接力器之間的油路距離縮短近一半，減少了聯(lián)接點和泄漏點，系統(tǒng)密封可靠性得到進一步提高。

3 中置式接力器的進一步優(yōu)化

中置式接力器比下置式接力器優(yōu)點多，但根據(jù)已實施泵站水泵的安裝使用實踐，還具有有待優(yōu)化的因素。

首先，活塞與活塞桿之間的鍵需取消。這樣，活塞與活塞桿在安裝及拆卸時無方位要求，可以不用將活塞拆出來，因活塞密封圈與油缸壁之間的壓緊力大，摩擦力大，拆裝需要專用工具，且裝拆過程中易損壞密封圈。此鍵取消后，需在電機軸頂端加設銅套和導向鍵，以防旋轉時活塞與油缸之間因慣性而產生相對轉動，進而損壞受油器內相關機件，造成事故，雖然產生此現(xiàn)象的概率小，但必須設置。

其次，在活塞桿密封圈下方適當位置需設置泄油孔，以防活塞桿密封損壞后，油漏到葉輪內腔并積累過量后，壓壞葉片密封圈及葉輪下蓋等機件造成事故。因此，可以在泵軸上法蘭下方的泵軸側面設置直角泄油孔，出油口必須朝下對著填料盒，以防高壓油沖出傷人及污染環(huán)境。活塞桿密封漏油概率很小，所以，有較多的機組中不設此排油孔，但從提高安全性角度出發(fā)，應該設置，且設置位置及排油方向應控制好。

4 結束語

中置式接力器代替下置式接力器后，檢修、維護、運行管理方便性大大提高，在一些泵站主水泵機組中已經成功應用，如果采用優(yōu)化后的結構，將更加優(yōu)越。

中置式接力器為軸系的一部分，因此，油缸體、油缸蓋兩端、油缸內壁，活塞桿導軸承止口等件加工時，要特別注意形位精度的保證，但由于現(xiàn)在多采用數(shù)控機床加工這些部位，加工精度較容易保證；接力器油缸體與油缸蓋之間、油缸體與泵軸之間法蘭聯(lián)接螺栓孔均可在工廠進行配鉸，加工較為方便；工地現(xiàn)場只需對油缸蓋與電機軸之間的螺栓孔進行配鉸。鑒于此，在立式全調節(jié)軸流泵及立式全調節(jié)導葉式混流泵中，推廣應用中置式接力器完全可行，優(yōu)點顯著。

[1]陳 莉，韓桂苓. 新型接力器活塞環(huán)[J]. 機械工程師，2000，（3）:20.

[2]陶 紅，王春雷.水輪機導水機構接力器活塞密封結構改進[J].電站系統(tǒng)工程，2003，19(5):37.

[3]周元斌，張前進，劉須朋，等. 大型液壓全調節(jié)軸流泵的機械限位[J].機械設計與制造，2005，（5）:168.