懸掛鋼尺法精密測量在水電機組設(shè)備檢修中的應(yīng)用

饒志歡

（大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西 安康 725200）

在水電機組等級檢修過程中，常需要對轉(zhuǎn)子、定子等大尺寸的設(shè)備、設(shè)施進行精密測量，如標準A 級檢修項目中的定子圓度、中心、水平和高程測量、調(diào)整，質(zhì)量標準中要求定子的測量精度要求允許在0.05mm 以上，石泉水力發(fā)電廠定子鐵芯外徑8250mm，轉(zhuǎn)子外徑7691mm，常規(guī)的卡尺量程不足，鐵板尺、卷尺無法滿足毫米級精度要求，水準觀測需要配合水準測點，且水準尺長度多在3m 左右，特殊定制的非標尺可短至1m，但顯然定、轉(zhuǎn)子上沒有現(xiàn)成的水準測點，檢修現(xiàn)場大部分區(qū)域低窄或設(shè)備帶電等，無法豎立水準尺，需要一種新的、便捷的方式滿足機組檢修過程中的測量需求。

這里采用懸掛鋼尺（以下簡稱懸尺測量）的方式，進行聯(lián)系測量和高差計算，通過用吸鐵石或其他方法固定和懸掛檢定過的鋼尺來替代普通水準尺，配合高精度的水準儀，不破壞設(shè)備、設(shè)施，完成了快速、準確、環(huán)境受限的測量任務(wù)，并在企業(yè)機組A 級檢修，定子、轉(zhuǎn)子中心線及相對高差的測量中得到了很好的應(yīng)用，取得了不錯的效果，也可推廣用于其他類似檢修項目中去。

1 懸掛鋼尺法原理與應(yīng)用方式

懸掛鋼尺法作為一種經(jīng)典的高程傳遞方法，已在地下室、地鐵、橋梁、礦山等工程領(lǐng)域有了較為廣泛的應(yīng)用，基本能滿足受限條件下精密測量的要求。其主要方法是在不利于安放常規(guī)水準尺的區(qū)域，通過懸掛鋼卷尺、或鋼絲繩系鋼板尺等方式替代水準尺，配合水準儀讀取刻度值，從而實現(xiàn)懸掛點與測量點高程傳遞和高差計算。

結(jié)合機組檢修現(xiàn)場的情況，對于懸掛鋼尺法主要有水準尺與懸尺結(jié)合，以及雙懸尺的兩種應(yīng)用方式。

對于作為后視的已知點位于穩(wěn)固且視線通透的地面上時，如水平吊放的轉(zhuǎn)子，可在后視基點a 上采用常規(guī)水準尺，待測的轉(zhuǎn)子中心線b 上采用懸尺的方法進行測量，其示意圖如圖1。

圖1 水準尺與懸尺結(jié)合測量的方法

經(jīng)過調(diào)平、對焦，用水準儀十字絲觀測鋼尺垂直、穩(wěn)定不動后，分別對前視、后視進行觀測，即可得到兩點測值Ha、Hb，即可算出此時待測點B 點與基點A 點的高差為HB=Hb+Ha。

對于不便在基準點上布設(shè)常規(guī)水準尺，或者需要測量設(shè)備底部高差時，如在測量轉(zhuǎn)子中心線與轉(zhuǎn)子基座高差的測量任務(wù)中，也可采用雙懸尺配合測量的方式，其原理如圖2。

圖2 雙懸尺測量的方法

同樣使用水準儀同時測量已知點Ha、待測點Hb，即可算出此時待測點b 點與基點a 點的高差為HB=Hb-Ha。

2 誤差分析與處理

在機組檢修實際測量和閱讀文獻資料可知，懸尺測量的誤差主要來源于：不同測段間和基點轉(zhuǎn)換的計算誤差；懸掛點誤動或懸尺傾斜的誤差；懸尺張力及溫度改正的誤差等。

2.1 不同測段間和基點轉(zhuǎn)換的計算誤差

觀測時，一般不應(yīng)變換基點，宜一次觀測所有待測點，但在檢修現(xiàn)場實際觀測時發(fā)現(xiàn)，如轉(zhuǎn)子支座的導(dǎo)致部分測點的視線遮擋，定子內(nèi)水準儀在測量其左側(cè)、右側(cè)和后側(cè)的懸尺時，會因為視距太小導(dǎo)致無法對焦的問題等問題，也會造成誤差偏大。此時，可選擇對測量區(qū)域進行分段觀測來減小誤差，確保觀測工作順利開展。如將定子根據(jù)其鐵芯的方位進行編號，將16 個測點分成4 個測段，如圖3 所示。

圖3 定子測點編號

在測量時，讓相鄰測段的觀測范圍有一定重合區(qū)間，可作為各測段校驗和對比分析，以此消除基點不同可能導(dǎo)致的計算誤差，如圖4 所示。

圖4 定子分段觀測示意圖

通過上述分段和校測方式，即可在一定程度上消除檢修現(xiàn)場因各種因素導(dǎo)致的視距不對等、遮擋等造成的測量誤差。

2.2 懸掛點誤動或懸尺傾斜的影響

在觀測過程中，也會遇到因懸掛點松動、懸尺傾斜造成的觀測誤差。應(yīng)在每次觀測前，檢查懸掛點位置是否準確，通過水準儀十字絲觀察懸尺是否穩(wěn)固、垂直，或適當加大懸尺底部重物質(zhì)量幫助懸尺穩(wěn)定，對于精度要求高的地方，可進行2 個及以上測回，若誤差超限立即重測，來減少觀測誤差。

2.3 懸尺拉力及溫度的影響

由于懸尺、掛繩或者鋼卷尺受到其本身重力、拉力及溫度影響，可能存在一定程度的變形，因此需要對懸尺的拉力及溫度進行計算，來判斷其對觀測的影響。

懸尺的其溫度改正數(shù)計算公式為：溫度改正數(shù)=實際測定值×懸尺及鋼絲繩線膨脹系數(shù)×溫度變化值。鋼絲繩及鋼尺的膨脹系數(shù)約為1.2×10-5m/℃，檢修現(xiàn)場的懸尺測量多在室內(nèi)開展，測量時間較短，一個測段內(nèi)的溫度變化不大于5℃，且鋼絲繩與鋼尺總長度大多不超過2m。由此可見，其最大改正數(shù)僅為0.12mm 左右，且實際測量時溫度變化遠低于此，故一般機組檢修的懸尺測量中，可忽略不計懸尺的溫度改正，但也應(yīng)采取加快觀測速度、避開高溫/低溫設(shè)備設(shè)施、適當縮短懸尺長度等方式盡量減少溫度誤差，但對于機組基坑及尾水管這種懸尺較長、現(xiàn)場溫度變化大的情況時，仍應(yīng)進行懸尺的溫度改正。

同理，查閱文獻[4][7]可知，在溫度恒定的前提下，隨著懸尺與下方系掛重量的增加，也會造成懸尺及掛繩產(chǎn)生少量形變，可通過更換鋼絲繩等不易變形的系繩、減少系繩長度、盡量使用鋼板尺而不是卷尺、所有測點使用同一懸尺和重物來減小和消除拉力造成的形變影響。

3 在機組檢修中的實際應(yīng)用

石泉水電廠4 號水輪發(fā)電機是半傘型結(jié)構(gòu)，發(fā)電機只有上導(dǎo)軸承，推力軸承為彈性支柱式，安裝在下機架上，定子機座由鋼板焊接而成，為運輸方便分成四瓣，采用大小瓣結(jié)構(gòu)，在工地組成整圓。定子機座外徑9350mm，高2380mm。

在2022 年年底的4 號機組A 級檢修過程中，需要對定子、轉(zhuǎn)子的中心線進行測量，若安裝精度不夠、磁力線有軸向分量，在沒有其他限制條件的情況下，此時，轉(zhuǎn)子振動會加大，可能對設(shè)備造成損害。

本次采用蔡司NI007 高精度水準儀，和鋼板尺1m、0.5m 各一把，分別在定子中心線與機架上設(shè)置懸尺，采用雙懸尺法對其進行測量，其結(jié)果如表1。

表1 石泉雙懸尺法測量定子中心線量記錄

由以上測量數(shù)據(jù)復(fù)核情況來看，最大測量誤差在0.35mm，其余點誤差基本在0.15mm 以內(nèi)，滿足本次測量任務(wù)精度的要求。

4 結(jié)語

總體而言，利用水準儀和懸掛鋼尺進行高程傳遞和高差測量在機組檢修中應(yīng)用取得了較好的效果，具有精度高、受檢修現(xiàn)場影響小的優(yōu)點。但需要注意的是：懸掛鋼尺的繩應(yīng)該為細鋼絲繩等不易變形的軟繩，或直接固定鋼板尺也可，否則，容易造成較大誤差；若懸掛繩較長、采用鋼卷尺或皮卷尺替代鋼板尺、或觀測溫度變化大的時候，應(yīng)進行溫度誤差補償和張力誤差補償；此外，懸尺的刻度多為倒置的，要注意方向性，確保讀數(shù)正確，計算無誤。同時，為了盡可能地降低儀器觀測誤差，還應(yīng)注意以下3 點：（1）選用經(jīng)過校驗的光學(xué)水準儀，最好配備光學(xué)測微尺，可有效提高觀測精度，易于讀數(shù)；（2）觀測前檢查鋼尺無彎曲、油污、銹蝕，最好選用刻度達到0.5mm、厚度在1mm 以上的鋼板尺，長度根據(jù)測點量程選定，檢查懸掛點無滑動，可考慮在懸尺下方懸掛一定質(zhì)量的重物，幫助懸尺保持垂直、靜止后觀測；（3）盡可能保證前后尺視距一致或相近，最好能一次性觀測所有測點，如必須分段觀測時，應(yīng)在相鄰測段間設(shè)置重疊測量區(qū)域，做好高差的比較和傳遞。