大型立式軸流泵機(jī)組安裝檢修物理孿生裝置研究

江如春，沈芳芳，朱 寧，張 歆

（1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.江蘇省水利科教中心，江蘇 南京 210029）

江都第一抽水站（簡稱江都一站）是國家南水北調(diào)東線源頭——江都水利樞紐工程的重要組成部分。工程于1961年12月開始興建，1963年3月竣工，是我國自行設(shè)計、自行建設(shè)、自行管理的大型泵站［1］。管理好、運(yùn)行好國家南水北調(diào)東線源頭工程，需要技術(shù)過硬、技能高超的專業(yè)技術(shù)人才隊(duì)伍。本文以江都一站為例，通過分析大型立式軸流泵機(jī)組安裝檢修過程中的關(guān)鍵工序，研究設(shè)計以培養(yǎng)大型水泵安裝檢修專業(yè)技術(shù)人才為目的的教學(xué)仿真裝置。

1 研究背景

大型立式水泵機(jī)組和立式水輪機(jī)組在水泵站和水電站中應(yīng)用廣泛。新機(jī)組安裝和已建泵站機(jī)組進(jìn)行定期維修或事故性大修，機(jī)組需要重新安裝，調(diào)整各部件高程、垂直同心、水平、軸線擺度、中心都是非常重要的環(huán)節(jié)。測量、調(diào)整工序復(fù)雜，技術(shù)要求高，需要豐富的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，各關(guān)鍵工序的測量、調(diào)整用時較長，占整個安裝、大修工期的3/4。關(guān)鍵工序測量、調(diào)整不合格會導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行振動明顯加劇，水導(dǎo)軸承磨損加快，葉輪葉片碰殼，定子線圈溫升變大，推力瓦、導(dǎo)向瓦溫度偏高甚至出現(xiàn)燒瓦等情況發(fā)生［2］。在機(jī)組安裝檢修過程中，工作人員熟練掌握各個環(huán)節(jié)測量和調(diào)整的方法至關(guān)重要。

大型機(jī)組安裝、檢修時間較長，工作人員根據(jù)工期、工序的安排進(jìn)行分組。工作人員各司其職，開展拆卸、清理，測量、記錄、計算、分析、調(diào)整、試驗(yàn)等工作，部分工序是同時開展，沒有機(jī)會參與到每道測量、分析、調(diào)整工序中來。加之新建工程機(jī)組安裝的機(jī)會較少，已建工程機(jī)組大修間隔時間較長，安裝、檢修、排查水泵機(jī)組故障的機(jī)會較少，導(dǎo)致工作人員對掌握的水泵機(jī)組安裝檢修技能出現(xiàn)生疏，新進(jìn)員工工作水平也很難得到快速有效提升。大型立式軸流泵機(jī)組安裝檢修多功能仿真教學(xué)裝置的研究，可以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組關(guān)鍵工序的仿真，幫助職工隨時實(shí)踐操作，鞏固安裝檢修業(yè)務(wù)技能，輔助安裝檢修工作中關(guān)鍵工序調(diào)整的科學(xué)決策，提高年輕職工強(qiáng)化實(shí)踐學(xué)習(xí)的積極性、有效性。

2 具體方案

在機(jī)組安裝檢修的過程中，幾個重要的測量工序?qū)z修質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，如垂直同心、水平、擺度、中心等。通過反復(fù)研究，巧妙設(shè)計，制作了一套集水泵機(jī)組安裝檢修關(guān)鍵工序測量、調(diào)整為一體的組合教具，模擬水泵導(dǎo)葉體軸承窩、電機(jī)定轉(zhuǎn)子、上油缸，設(shè)置了滑軌，制作求心器和泵軸，以此來模擬垂直同心、水平、擺度、中心、高程的測量和調(diào)整。

裝置包括支撐框架、2個移動平臺、求心器系統(tǒng)、大軸系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子部件、旋轉(zhuǎn)平臺、定轉(zhuǎn)子部件調(diào)整裝置、定轉(zhuǎn)子部件基礎(chǔ)座、水導(dǎo)軸窩或葉輪外殼部件、油盆等核心部件。2個移動平臺上面的求心器系統(tǒng)和大軸系統(tǒng)在滑軌上移動到工作位置并鎖定后可以開展不同工序的測量調(diào)整。擺度和定中心需要將大軸的下半部分通過法蘭做剛性連接，固定部分中心、高程利用支撐框架標(biāo)注的十字中心線調(diào)整，中心用螺旋千斤頂來調(diào)整，高程利用本裝置模擬契形墊鐵調(diào)整。

3 裝置設(shè)計

本裝置設(shè)計巧妙、結(jié)構(gòu)靈活、功能豐富，涵蓋大型立式機(jī)組安裝檢修的“六大關(guān)鍵”，集垂直同心、水平、擺度、中心、高程、間隙中的五項(xiàng)仿真教學(xué)、實(shí)操于一體。整套裝置占地面積小，主體包括支撐框架，移動平臺和滑軌部件，大軸系統(tǒng)部件，定轉(zhuǎn)子部件，定轉(zhuǎn)子部件基礎(chǔ)座，水導(dǎo)軸窩或葉輪外殼部件，旋轉(zhuǎn)平臺部件及油盆。各部件經(jīng)過組合可以形成“六大系統(tǒng)”，包括求心器電聲法垂直同心測量系統(tǒng)，合像水平儀測量水平系統(tǒng)，導(dǎo)葉體中心及傾斜調(diào)整系統(tǒng)，定子垂直同心調(diào)整和水平調(diào)整系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動部分定中心測量、調(diào)整，大軸擺度調(diào)整系統(tǒng)。

（1）支撐框架：尺寸為長1.3 m、寬0.5 m、高2.0 m。上設(shè)15 cm寬軌道，軌道上安裝2個長30 cm、寬20 cm移動平臺，移動至工作位置后可鎖定。平臺上分別安裝求心器和大軸系統(tǒng)。

（2）求心器：尺寸為長13 cm、寬13 cm、高20.7 cm，固定支架部分高10.5 cm?？烧{(diào)部分高4 cm，分為3層，俯視下中間層通過搖把可以實(shí)現(xiàn)前后方向移動，最上面一層通過搖把可以實(shí)現(xiàn)左右方向移動，移動的范圍為3.5 cm。鋼琴線纏繞部分高6.2 cm，設(shè)有9.5 cm長的軸輥，搖把和鎖定裝置，可以將鋼琴線下放至合適的位置后懸掛重錘并鎖定該位置。油盆為長20 cm、寬20 cm、高25 cm長方體鐵桶，用于垂直同心測量時重錘懸空放置在盛油的油桶內(nèi)，保證鋼琴線垂直，晃動幅度小能較快停止，與求心器配套使用。

（3）大軸系統(tǒng)：基礎(chǔ)為直徑17.6 cm、高2.5 cm的圓柱，中間安裝外徑10 cm的軸承。軸承安裝直徑6.8 cm的軸，軸分2段，上段91 cm，下端69 cm，通過法蘭剛性連接。大軸系統(tǒng)基礎(chǔ)上方均勻分布4顆止動螺絲，在調(diào)節(jié)下導(dǎo)擺度時擰松，側(cè)面均勻分布4顆螺絲模擬導(dǎo)向瓦，用于定中心用。大軸系統(tǒng)最上部安裝有轉(zhuǎn)動手輪用于旋轉(zhuǎn)大軸，在定中心、測量擺度時使用。

（4）定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)：含有定轉(zhuǎn)子部件，定轉(zhuǎn)子部件基礎(chǔ)座，合像水平儀測量水平系統(tǒng)，定子垂直同心調(diào)整和水平調(diào)整組合系統(tǒng)。定轉(zhuǎn)子部件是直徑60 cm、高18 cm的圓筒，上下設(shè)有兩道精加工法蘭面，法蘭內(nèi)側(cè)止口用于垂直同心測量。上法蘭面上裝有合像水平儀，下法蘭面下側(cè)安裝在轉(zhuǎn)動平臺上。下法蘭面與轉(zhuǎn)動平臺有鎖定裝置用于控制定轉(zhuǎn)子部件是否可以轉(zhuǎn)動以解鎖定子模式和轉(zhuǎn)子模式。定子垂直同心調(diào)整和水平調(diào)整組合系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)動平臺下側(cè)，安裝8顆細(xì)牙螺絲，模擬推力瓦抗重螺絲或定子調(diào)整契形墊鐵。定轉(zhuǎn)子部件基礎(chǔ)座上法蘭面垂直方面均勻安裝4顆細(xì)牙螺絲用以推動定子垂直同心調(diào)整和水平調(diào)整組合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定子移中的目的。

（5）導(dǎo)葉體或葉輪外殼部件：直徑45.5 cm、高20 cm的圓筒，上下設(shè)有2道精加工法蘭面，法蘭內(nèi)側(cè)模擬水泵水導(dǎo)軸承測量垂直同心時的對中。圓筒高度的中心模擬葉輪外殼的中心，該部件下部有4只可調(diào)節(jié)高度的腳，可用于調(diào)整導(dǎo)葉體傾斜。

本裝置測量、調(diào)整精度高，簡便易行，調(diào)整部件均采用細(xì)牙螺絲，便于精細(xì)調(diào)整。測量調(diào)整面均用車床進(jìn)行精加工，滿足測量工藝精度，實(shí)現(xiàn)了水泵機(jī)組安裝檢修關(guān)鍵環(huán)節(jié)的模擬仿真，具有較好的推廣實(shí)用價值。立式軸流泵機(jī)組安裝檢修仿真裝置組合見圖1。

圖1 立式軸流泵機(jī)組安裝檢修仿真裝置組合

4 功能實(shí)現(xiàn)

4.1 鎖定裝置

鎖定裝置可以設(shè)置為定子模式和轉(zhuǎn)子模式。未鎖定時，仿真的轉(zhuǎn)子可以在轉(zhuǎn)動平臺上模擬電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過安裝的合像水平儀進(jìn)行機(jī)組水平測量調(diào)整；鎖定時，轉(zhuǎn)動平臺和仿真的轉(zhuǎn)子形成一個整體，即作為仿真定子使用，可以進(jìn)行機(jī)組垂直同心、擺度、定中心測量調(diào)整。

4.2 固定部分中心及高程測量調(diào)整

利用支撐框架標(biāo)注的十字中心線，在中心的位置掛重錘標(biāo)注出固定部分仿真導(dǎo)葉體和定子的中心。在導(dǎo)葉體和定子法蘭面上拉垂直十字線。通過螺旋千斤頂調(diào)整導(dǎo)葉體和定子使法蘭面上垂直十字線交點(diǎn)與重錘線重合。根據(jù)大軸上標(biāo)注的葉輪中心和轉(zhuǎn)子中心高程，調(diào)整葉輪外殼下部4只調(diào)整螺絲使葉輪外殼高程和葉輪高程重合，利用模擬的8只契形墊鐵調(diào)整定子的中心與轉(zhuǎn)子的中心重合。

4.3 機(jī)組垂直同心測量調(diào)整

將鎖定裝置螺絲旋緊，此時設(shè)定為定子模式。利用求心器放下鋼琴線、重錘至油盆中的油內(nèi)。在水導(dǎo)、定子上、下止口東、南、西、北4個測點(diǎn)做好標(biāo)記，采用電聲法將鋼琴線、求心器、導(dǎo)線、電池、耳機(jī)及內(nèi)徑千分尺組成電流回路［3］。先選用合適長度的內(nèi)徑千分尺測量水泵水導(dǎo)軸窩上、下止口各4個數(shù)值，根據(jù)數(shù)值調(diào)整鋼琴線位置進(jìn)行對中，調(diào)微葉輪外殼下部4只調(diào)整螺絲，消除水導(dǎo)軸窩傾斜。然后選用合適長度的內(nèi)徑千分尺測量定子上、下止口各4個數(shù)值，根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析出定子的傾斜以及與水泵水導(dǎo)軸窩的垂直同心情況，利用模擬定子契形墊鐵和定子調(diào)中螺絲消除定子的傾斜，實(shí)現(xiàn)機(jī)組定子與水導(dǎo)軸窩垂直同心合格。

4.4 水平測量調(diào)整

將定、轉(zhuǎn)子鎖定裝置螺絲旋松，使仿真的轉(zhuǎn)子可以在轉(zhuǎn)動平臺上旋轉(zhuǎn)，設(shè)置為轉(zhuǎn)子模式。對仿真轉(zhuǎn)子進(jìn)行盤車，旋轉(zhuǎn)至8個模擬抗重螺絲位置，利用合像水平儀測量得出8個點(diǎn)的數(shù)值，通過調(diào)整抗重螺栓調(diào)節(jié)仿真轉(zhuǎn)子水平，調(diào)整時用合像水平儀進(jìn)行持續(xù)測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)變化，進(jìn)行水平精調(diào)，直至合格。

4.5 擺度測量調(diào)整

將仿真大軸部件通過滑軌調(diào)整到工作位置，通過法蘭連接下部大軸。在水泵水導(dǎo)軸窩處、法蘭上部依次架設(shè)2只百分表［4］。利用轉(zhuǎn)動手輪進(jìn)行盤車，測量得出8等份方位模擬的電機(jī)下導(dǎo)和水泵水導(dǎo)處的擺度數(shù)值，并相互校驗(yàn)。根據(jù)擺度點(diǎn)方位、擺度數(shù)值計算出擺度值，采取鏟削聯(lián)軸器法蘭面或加墊片的方法解決處理，通常采取在擺度點(diǎn)加墊紫銅皮，在軸系統(tǒng)基礎(chǔ)下部處理下導(dǎo)擺度，在軸法蘭部位處理水導(dǎo)擺度。

4.6 中心測量調(diào)整

此時大軸部件在工作位置，在水導(dǎo)軸窩處架設(shè)百分表，表針對準(zhǔn)大軸加工面，轉(zhuǎn)動手輪盤車東、西、南、北測得4個數(shù)值，調(diào)整模擬的導(dǎo)向瓦進(jìn)行調(diào)整，然后再盤車進(jìn)行測量驗(yàn)證，繼續(xù)調(diào)整，直到符合規(guī)范要求。

5 結(jié)語

目前，大型軸流泵機(jī)組安裝檢修教學(xué)仿真裝置技術(shù)已取得國家實(shí)用新型專利認(rèn)證。在立式軸流泵機(jī)組檢修工作中，根據(jù)檢修現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)時動態(tài)模擬，科學(xué)輔助檢修部件調(diào)整方向決策。同時，在工程管理實(shí)際教育培訓(xùn)中發(fā)揮了重要作用，并在行業(yè)內(nèi)得到推廣，幫助青年職工更好、更快、更直接掌握泵站檢修核心技術(shù)，為水利現(xiàn)代化建設(shè)夯實(shí)人才之基。