导水机构中剪切力及摩擦力矩仿真试验研究

导水机构中剪切力及摩擦力矩仿真试验研究
智连玮;杨旭
【摘要】混流式导水机构中，通过导叶臂与连接板之间的剪断销与摩擦轴承作为导水机构的“保险丝”，当机组出现异常时，通过对剪断销“剪断”和摩擦轴衬的摩擦力，来保证导水机构不受到持续损害，文中探讨一种对剪切力和摩擦力的实验方法。

【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2016(000)003
【总页数】2页(P140-141)
【关键词】剪切力;摩擦力;摩擦轴衬;剪断销
【作者】智连玮;杨旭
【作者单位】哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040;哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040
【正文语种】中文
【中图分类】TM312;TP391.9
水轮机导水导叶的开关，依靠导水机构接力器驱动与导叶轴颈相连接的导叶臂、连接板完成。

导叶臂、连接板的连接则由摩擦轴衬和剪断销来完成，剪断销的作用类似于电闸中的“保险丝”。

而摩擦轴衬的作用，则主要是保证导水关闭过程中，如导叶出现问题无法关闭，为避免对接力器造成进一步的伤害，“保险丝”剪断销会因受到过大剪切力被“剪断”，连接板势必与导叶臂产生进一步的圆周旋转，这个
力将是很大的，如果任其旋转，很可能对周边设备产生进一步伤害，摩擦轴衬的作用则会阻止这种伤害的产生。

通常情况下，剪断销的尺寸和摩擦轴衬材质及尺寸的选择，都是经过理论计算，但是在实际应用中，如何保证其有效，在导水机构正式装配前对摩擦力和剪切力进行实际值测量，为设计部门调整其理论设计值提供依据是十分重要的，采用何种工装和方法对其进行准确测量，是我们需要进行解决的。

试验要求如下：M36螺栓数量为9；电站运行时可遇最大水力矩为55 000 N·m；摩擦试验可接受的滑动力矩为220 000～330 000 N·m。

试验结果及转化计算：力臂值La＝600mm；千斤顶选用额定顶起力为100 t的手动泵式液压千斤顶（活塞杆直径90 mm、活塞直径126mm）；施加55000N·m 力矩时，千斤顶手动泵的油压值7.2 MPa；施加220 000 N·m力矩时，千斤顶手动泵的油压值28.8 MPa；施加330 000 N·m力矩时，千斤顶手动泵的油压值43.2 MPa；螺栓与圆盘的把紧使用德国高效液压扳手。

虽然同样是测量摩擦力矩，但是该机组结构比较特殊，与常见的混流机组有所不同：1）该机组没有摩擦轴衬。

2）该能机组只是检测摩擦力矩，而没有对剪断销剪切
力和摩擦轴衬摩擦力两者进行检测。

3）一般的混流机组主要靠连接板与导叶臂间的摩擦轴衬传递摩擦力矩，而该机组主要是靠螺栓对两工件进行预紧，达到一定的预紧力矩后，通过端面产生的摩擦来解决摩擦力矩产生及传递的问题。

考虑到剪切力试验和摩擦轴衬试验实际为两组试验，如果能将两组试验使用同一工装、在同一工位一次性完成，这样既可以节约工装费用，又可以减少人力成本和时间的投入。

1）方案一。

如果从试验的难以程度来说，将导叶臂、连接板与卧放的导叶相连接，试验比较直观，然后通过驱动连接板下方的液压千斤顶，直至剪断销剪断，记录剪断销剪断时所产生的压力值，重新驱动千斤顶支顶连接板，通过架设的百分表检测
连接板是否产生位移，并记录产生位移时，手动泵压力表的读数。

根据上述两组压力值，通过下列公式可计算相应的剪断力及摩擦力值：
式中：F为剪断力或者摩擦力，视试验阶段而定，N；R为液压千斤顶的活塞半径，mm；P为剪断时（或者摩擦实验）的压力值，MPa。

但是此方案的缺点也是显而易见的，因导叶瓣体为弧形面，对其固定的难度很大，而剪断销剪断所需的剪切力都在几百千牛，如果导叶无法在平台上生根，剪断实验过程中会存在很大的危险，另外采用此方案，需要导叶臂与导叶先进行分瓣键同钻铰，且实验过程中需要使用分瓣键固定连接板与导叶臂相对位置，如果在大剪切力下，可能会对导叶的轴颈和分瓣键销孔都产生影响。

2）方案二（见图4）。

原理上同方案一是基本一致的，但是方案二中采用了新制
的工具假轴代替真实的导叶轴颈，消除了剪切力对轴颈可能造成的影响，同时工具假轴被封焊在一张厚钢板上，钢板又与梯形槽平台进行固定，导叶臂和连接板直接套在工具假轴上，解决了工件固定的问题。

在连接板一侧设置支撑挡块，对应的另一侧则使用千斤顶对导叶臂进行驱动，解决了连接板和导叶臂固定的问题。

根据理论的剪切力和摩擦力（叠加后接近50kN），选取了75 t液压千斤顶作为
此次实验的动力源（图5）。

液压千斤顶体积小巧，更为重要的是可以外接带压力表的手动泵，可以测量出相应的压力值，对完成此次实验至关重要。

对于压力表的选用，需先根据上述公式计算理论的压强值，压力表选用数字压力表，可对剪断销断裂的最大压强值进行记录，进而计算出剪切力，也可以计算出摩擦轴衬相应的摩擦力矩值，公式为M=F·L。

式中：M为摩擦力矩，N·m；F为使导叶
臂与连接板产生相对位移的力，N；L为千斤顶施力点到摩擦轴衬中心的距离，m。

试验过程中，为保证试验安全，液压千斤顶手动泵逐渐升压，但是升压过程不易过快，为保证安全，可按20%、50%、80%、100%逐渐升压。

为保证试验准确，至少需要进行3次，取平均值与设计值进行比较。

经过在某项目水轮机上进行试验，所得数据与设计值存在一定偏差，通过对连接板与摩擦轴衬配合尺寸的修正，经过再次试验，与设计的理论值基本相符，可见这种方法还是简单可靠的。

（编辑黄荻）。