烏江泵站葉片角度調(diào)節(jié)器應(yīng)用分析與改進(jìn)

項(xiàng)雙樹(shù)

（安徽省駟馬山引江工程管理處，安徽 馬鞍山238251）

1 引言

駟馬山灌區(qū)屬大（1）型灌區(qū)，灌區(qū)以提引長(zhǎng)江水為主，1969 年12 月動(dòng)工興建，規(guī)劃為五級(jí)提水，總揚(yáng)程46.5 m，裝機(jī)32 臺(tái)，總?cè)萘?.85 萬(wàn)kW，設(shè)計(jì)灌溉面積365.4 萬(wàn)畝，涉及皖蘇2 省4 市10 個(gè)縣（市、區(qū)）。烏江泵站為駟馬山灌區(qū)渠首工程，從長(zhǎng)江干流提水，1969 年動(dòng)工，1973 年8 月首臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行。設(shè)計(jì)裝機(jī)10 臺(tái)，單機(jī)容量1 600 kW、單機(jī)流量22.5 m3/s。由于長(zhǎng)江水位一年四季變化較大，采用了葉片角度全調(diào)節(jié)式軸流泵。伴隨著機(jī)組的更新改造和技術(shù)水平的發(fā)展，其葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)經(jīng)歷了多次技術(shù)改造，從固定式液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、固定式機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)式液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的不斷更新改進(jìn)。

2 固定式液壓調(diào)節(jié)器

烏江泵站其大型全調(diào)節(jié)軸流泵的葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)最初采用的是固定式油壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，包含上、下兩部分，下部分在葉輪室內(nèi)，在外力作用下驅(qū)動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的連桿、搖臂等連接機(jī)構(gòu)；采用外供油式液壓調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)葉片角度，其葉輪室內(nèi)的下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)除安裝1 套葉片、搖臂及連桿、連桿座等連接機(jī)構(gòu)外，還安裝有1 套液壓工作室（含活塞和油缸）；上調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中一部分裝置設(shè)置在主電動(dòng)機(jī)外罩殼頂端（主電動(dòng)機(jī)軸和主水泵軸均為空心軸），它包括差動(dòng)配油系統(tǒng)、供油管路系統(tǒng)和機(jī)械（帶指針）顯示系統(tǒng)。另一部分裝置（輔助設(shè)備）布置在電機(jī)層專(zhuān)用輔助設(shè)備機(jī)房和其它幾個(gè)較偏僻的地方，它包括1 套加氣增壓系統(tǒng)和1 套外供油系統(tǒng)。加汽增壓系統(tǒng)包括1 臺(tái)打氣泵、1個(gè)儲(chǔ)氣罐和1 套供氣管路系統(tǒng)；外供油系統(tǒng)包括1 個(gè)儲(chǔ)油罐和1 套供油管路系統(tǒng)。我們把這種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)裝置稱(chēng)為“固定式液壓調(diào)節(jié)器”，如圖1 所示。

圖1 固定式液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖

這種固定式液壓調(diào)節(jié)裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)力大，運(yùn)行較平穩(wěn)，主要不足是：

（1）上調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜、龐大，不便于維護(hù)檢修。

（2）需要供氣、供油的輔助設(shè)備，運(yùn)行維護(hù)工作量大，運(yùn)行成本高。

（3）供氣、供油管路接頭多，長(zhǎng)期運(yùn)行密封件磨損，很容易漏氣、漏油，造成葉片無(wú)法調(diào)節(jié)，特別是轉(zhuǎn)輪室內(nèi)一旦漏油，還易污染水體。只有停止機(jī)組運(yùn)行，解體水泵后才可檢修，檢修時(shí)間長(zhǎng)，難度大。

3 固定式機(jī)械調(diào)節(jié)器

針對(duì)上述問(wèn)題，2000 年烏江泵站結(jié)合機(jī)組更新改造，首次對(duì)葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了全面改進(jìn)，改進(jìn)后的上調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)置在主電動(dòng)機(jī)外罩殼頂端，主電機(jī)軸和主水泵軸均為空心軸，空心軸內(nèi)設(shè)1 根拉（推）桿，簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)節(jié)桿。下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的拉桿座與調(diào)節(jié)桿下端相連；上調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)軸與調(diào)節(jié)桿上端連接，傳動(dòng)軸作上、下移動(dòng)，從而帶動(dòng)水泵葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。這種調(diào)節(jié)型式在全調(diào)節(jié)機(jī)組結(jié)構(gòu)布局上有了新的突破，我們把這種上調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)裝置稱(chēng)為“固定式機(jī)械調(diào)節(jié)器”。圖2 所示：它主要由小電動(dòng)機(jī)、減速箱、拉桿頭、分離器、分離器座、調(diào)制座、調(diào)節(jié)器座等組成。它的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)節(jié)型式布局合理；調(diào)節(jié)葉片靈活；無(wú)壓力油，消除了“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象，不污染水體。相對(duì)于固定式液壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)和運(yùn)行成本相對(duì)也較低。

圖2 固定式機(jī)械調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

這種“固定式機(jī)械調(diào)節(jié)器”的主要不足是：

（1）主體做無(wú)用功的時(shí)間長(zhǎng)。水泵不調(diào)節(jié)葉片角度時(shí)，本來(lái)不需要調(diào)節(jié)器工作，但這種布局型式的調(diào)節(jié)器在主電動(dòng)機(jī)及主水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器傳動(dòng)座內(nèi)的平面軸承及傳動(dòng)軸必須長(zhǎng)期跟隨主電動(dòng)機(jī)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)而做無(wú)用功。

（2）平面軸承極易損壞，但又無(wú)可取代。為方便調(diào)節(jié)器帶負(fù)荷操作，調(diào)節(jié)器的傳動(dòng)軸必須與水泵葉片調(diào)節(jié)桿連接，因而傳動(dòng)軸既要隨主電動(dòng)機(jī)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，又要上、下移動(dòng)推、拉水泵葉片調(diào)節(jié)桿，這就必須有1 個(gè)或多個(gè)平面軸既承擔(dān)起傳動(dòng)軸的徑向定位作用（將傳動(dòng)軸固定在與水泵葉片調(diào)節(jié)桿同心的中心位置），又承擔(dān)起支撐水泵葉片軸向調(diào)節(jié)力的作用，因而它極易發(fā)熱和磨損，但卻又無(wú)可取代。烏江泵站6 號(hào)機(jī)組曾因溫度過(guò)高不能運(yùn)行。

（3）水泵抬軸加重平面軸承損壞。調(diào)節(jié)器自重荷載由主電機(jī)外殼承擔(dān)，水泵開(kāi)機(jī)抬軸時(shí)泵軸向上的沖擊力既容易損壞電動(dòng)機(jī)座總承（推力軸承）或主電動(dòng)機(jī)鏡板，又容易損壞調(diào)節(jié)器平面軸承。

（4）甩油現(xiàn)象突出。因主水泵、主電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，調(diào)節(jié)器傳動(dòng)軸及平面軸承需要隨主電機(jī)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，故平面軸承和傳動(dòng)軸會(huì)長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)下運(yùn)行，容易造成潤(rùn)滑油液化甚至汽化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)器甩油現(xiàn)象突出。

（5）未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離顯示和遠(yuǎn)距離控制。

4 內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式液壓調(diào)節(jié)器

2013 年，烏江泵站進(jìn)行技術(shù)改造，根據(jù)幾十年的運(yùn)行和實(shí)際情況重新選定了泵型，其葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用了一種內(nèi)供油式液壓調(diào)節(jié)器，如圖3 所示：它由旋轉(zhuǎn)體（包括安裝座、支撐座、油缸、油箱、活塞、活塞桿、活塞頂端延伸桿、小電動(dòng)機(jī)、油泵、電磁換向閥、液控單向閥）、外罩殼（即固定體、包括供電滑環(huán)、位移傳感器等）和控制顯示等三部分組成。它將調(diào)節(jié)器主體（旋轉(zhuǎn)體）置于主電動(dòng)機(jī)軸頂端，與主軸同步旋轉(zhuǎn)，主電動(dòng)機(jī)軸和水泵軸均為空心軸，調(diào)節(jié)桿及下部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)仍利用原機(jī)構(gòu)。

我們把這種上調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)裝置稱(chēng)為“旋轉(zhuǎn)式液壓調(diào)節(jié)器”。它與“固定式液壓調(diào)節(jié)器”和“固定式機(jī)械調(diào)節(jié)器”相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用上置式、內(nèi)供油的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)布局，調(diào)節(jié)器主體隨主電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，水泵上調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)裝置設(shè)計(jì)有了全新的設(shè)計(jì)理念。很好地解決了調(diào)節(jié)器主體旋轉(zhuǎn)與固定結(jié)合的難題。

圖3 內(nèi)置式液壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

（2）調(diào)節(jié)器主體隨主電動(dòng)機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)，改變了以往“固定式機(jī)械調(diào)節(jié)器”推力軸承的著力點(diǎn)，變“固定式機(jī)械調(diào)節(jié)器”的外力調(diào)節(jié)為本調(diào)節(jié)器的內(nèi)力調(diào)節(jié)，從根本上消除了調(diào)節(jié)器軸承發(fā)熱、燒損和水泵抬軸的影響。

（3）調(diào)節(jié)器主體與主電動(dòng)機(jī)軸及葉片調(diào)節(jié)桿在任何時(shí)候都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，葉片角度不改變時(shí)，調(diào)節(jié)器不工作，因而調(diào)節(jié)器的工作時(shí)間只有主電機(jī)及主水泵工作時(shí)間的1/1000～1/3000。

（4）調(diào)節(jié)器通過(guò)其設(shè)置的位移傳感器和數(shù)字顯示儀表，可以遠(yuǎn)距離顯示泵葉片角度變化情況，進(jìn)而可遠(yuǎn)距離控制和調(diào)節(jié)泵葉片角度。

（5）體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

（6）檢修方便，便于維護(hù)管理。

旋轉(zhuǎn)式液壓調(diào)節(jié)器經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)行仍有以下問(wèn)題：

（1）“垮角度”，即葉片角度鎖定性能較差?！翱褰嵌取钡脑蚴且簤焊變?nèi)的液壓油“泄漏”造成的。該型調(diào)節(jié)器有3 個(gè)泄漏點(diǎn)：①活塞壁與油缸壁之間的內(nèi)泄；②活塞桿穿過(guò)油缸壁處的外泄及閥組之間的聯(lián)接頭的外泄；③活塞頂端供傳感器探測(cè)位移的延伸桿穿過(guò)油缸壁處的外泄。液壓油泄漏，就會(huì)改變活塞在油缸中的位置，從而造成“垮角度”的現(xiàn)象發(fā)生。

（2）“甩油”。一是因調(diào)節(jié)器的小電機(jī)、油泵、電磁換向閥、單向液控閥等都安裝固定在上油箱底部，故隨主電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的油箱內(nèi)的小電機(jī)進(jìn)線(xiàn)孔因電線(xiàn)膠套與油和密封材料之間很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)生孔隙而導(dǎo)致油箱甩油；二是油缸中活塞桿穿過(guò)油缸壁處的外泄和活塞頂端供傳感器探測(cè)位移的延伸桿穿過(guò)油缸壁處的外泄兩個(gè)甩油點(diǎn)。

（3）容易燒損供電滑環(huán)。因供電滑環(huán)采用的是開(kāi)敞式滑環(huán)，碳刷（安裝在罩殼內(nèi)壁上）與滑環(huán)（安裝在旋轉(zhuǎn)體上）之間容易因堆積灰塵產(chǎn)生電弧而燒損滑環(huán)；而且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，碳刷在滑環(huán)接觸面上劃起劃痕，更容易產(chǎn)生電弧而造成滑環(huán)燒損。

（4）位移傳感器易損。由于位移傳感器安裝在處于靜止?fàn)顟B(tài)的調(diào)節(jié)器外殼上，而探測(cè)的物體（活塞頂端的延伸桿上）又隨主電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致傳感器觸頭長(zhǎng)期磨損，運(yùn)行時(shí)間稍長(zhǎng)就需更換傳感器探測(cè)桿。

5 旋轉(zhuǎn)式液壓調(diào)節(jié)器的技術(shù)升級(jí)改造

針對(duì)存在的問(wèn)題，在不改變?cè){(diào)節(jié)器總體結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行處理，原有的支撐座、油缸、活塞、活塞桿、外罩保持不變，增加三相四線(xiàn)動(dòng)力電源線(xiàn)、以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制線(xiàn)、故障反饋電纜等，如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后的旋轉(zhuǎn)式液壓調(diào)節(jié)器

它由旋轉(zhuǎn)體部分（包括油箱蓋2、油箱3、集成式液壓動(dòng)力單元4、油缸5、活塞6、活塞桿7、支撐座8、外罩殼9 等），固定體部分（包括供電滑環(huán)1、位移傳感器等）和控制、顯示箱（包括常閉行程開(kāi)關(guān)、空氣開(kāi)關(guān)、單向接觸器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、數(shù)字顯示儀表等）三大部分組成，調(diào)節(jié)原理同上。

1）針對(duì)“垮角度”問(wèn)題：采用新式的液壓動(dòng)力單元。新式液壓動(dòng)力單元摒棄了原有的三位四通電磁閥、液壓鎖、負(fù)載平衡閥等多個(gè)閥組，采用高度集成的插裝閥閥組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)靈敏，故障率大大降低?；钊盎钊麠U的密封圈采用進(jìn)囗件。改變位移傳感器探測(cè)位置，將其安裝固定在調(diào)節(jié)器旋轉(zhuǎn)體上，使其與調(diào)節(jié)器同步旋轉(zhuǎn)，減少1 個(gè)泄漏點(diǎn)。

2）甩油問(wèn)題：半開(kāi)放式油箱總成改為全密封式油箱總成。原調(diào)節(jié)器油箱總成在設(shè)計(jì)時(shí)有諸多缺點(diǎn)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行時(shí)漏油嚴(yán)重而且維修困難。全密封式油箱總成能徹底解決油箱總成漏油的問(wèn)題。

3）位移傳感器易損問(wèn)題。利用激光位移傳感器取代滑動(dòng)式位移傳感器。滑動(dòng)式位移傳感器長(zhǎng)時(shí)間磨損后會(huì)出現(xiàn)角度跳動(dòng)、接觸不良等現(xiàn)象，而激光位移傳感器與測(cè)量物體不存在接觸，也就不存在磨損的問(wèn)題，角度測(cè)量更為穩(wěn)定可靠；角度傳感儀的測(cè)量點(diǎn)安裝在活塞桿與拉桿套之間，角度傳感器則安裝在油缸之上。

4）容易燒損供電滑環(huán)問(wèn)題。原外徑100 mm 的過(guò)孔式供電滑環(huán)改為外徑56 mm 的轉(zhuǎn)子法蘭供電滑環(huán)。改變供電滑環(huán)的外徑尺寸降低滑環(huán)的線(xiàn)速度，從而降低滑環(huán)的磨損速度，增加供電滑環(huán)的使用壽命。供電滑環(huán)安裝固定在頂板上，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分（轉(zhuǎn)子）隨頂板與旋轉(zhuǎn)體做同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上的電源輸出端與液壓動(dòng)力單元電源輸入端連接;非轉(zhuǎn)動(dòng)部分（定子）與頂板帶圓環(huán)的一端用螺栓緊固連接，定子電源輸入端與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上罩殼內(nèi)壁邊上的電源插頭相連接;供電滑環(huán)除向液壓動(dòng)力單元供電外，還向角度傳感儀供電，同時(shí)幫助角度傳感儀將角度變化信號(hào)傳輸至控制顯示系統(tǒng)。

5）增加機(jī)械限位裝置。保證調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障不能操作時(shí)，也能保證水泵葉片固定在某一角度運(yùn)行，且調(diào)節(jié)器可拆下來(lái)檢修。

6）數(shù)字顯示控制箱改為觸摸屏操控、PLC 控制的控制箱。改進(jìn)后的控制箱具有美觀、操作更為便捷、能與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程顯示、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述改進(jìn)后的調(diào)節(jié)器，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行平穩(wěn)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、調(diào)節(jié)精準(zhǔn)、維護(hù)方便。對(duì)于葉片角度全調(diào)節(jié)的泵站而言，實(shí)現(xiàn)葉片角度智能調(diào)節(jié)是泵站運(yùn)行中值得認(rèn)真研究的深層次管理問(wèn)題，也是一個(gè)值得研究和探討的較為復(fù)雜的技術(shù)問(wèn)題。下一步將運(yùn)用實(shí)測(cè)的機(jī)組性能數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)，對(duì)葉片角度實(shí)行智能化調(diào)節(jié)，使全調(diào)節(jié)泵始終保持在高效率區(qū)間運(yùn)行。真正做到無(wú)“極”調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)泵站智能化，達(dá)到泵站精細(xì)化管理需求。