大中型離心泵葉輪全自動拆裝裝置的應(yīng)用

陳 金

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅白銀 730400）

0 引言

甘肅省景泰川電力提灌工程（以下簡稱“景電工程”）是跨省區(qū)、高揚(yáng)程、多梯級、大流量的大II 形提溉項(xiàng)目，設(shè)計(jì)流量28.6 m3/s，加大流量33 m3/s，灌區(qū)面積97.67 萬畝（6.51×108m2）。經(jīng)過近幾年的更新改造，目前已經(jīng)達(dá)到41.35 m3/s，灌溉面積達(dá)120 萬畝（8.00×108m2）。灌區(qū)設(shè)計(jì)泵站43 座，共安裝機(jī)組266臺套，總裝機(jī)容量25.97 萬千瓦。建成以來，灌區(qū)年產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益3.2 億元，同時(shí)也取得了顯著的社會效益和生態(tài)環(huán)境效益，為當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

景電工程每年運(yùn)行時(shí)間長達(dá)260 d，水泵周期性大修只能在冬季停水期進(jìn)行，天氣冷、時(shí)間緊、任務(wù)重。葉輪是水泵最核心的部件，由于持續(xù)大功率運(yùn)行，汽蝕和水流對葉輪的沖刷效應(yīng)特別明顯。通常情況下兩個(gè)日歷灌溉年就需要更換水泵葉輪，在遇到突發(fā)問題如葉輪突然損壞時(shí)需要及時(shí)更換葉輪。現(xiàn)有的保障工裝由于年代久遠(yuǎn)、功能單一、機(jī)件老舊，已不能滿足當(dāng)前檢修任務(wù)的需要，因此急需性能良好、工作可靠、自動化程度高的工裝設(shè)備。

1 葉輪拆裝存在的問題及應(yīng)對措施

1.1 存在問題

1.1.1 水泵葉輪的拆裝難度大

葉輪和葉輪軸由不銹鋼材料制成，流量3.6 m3/s 的水泵葉輪直徑約1.25 m、厚65 cm，單件重量超過1 t；葉輪軸最大直徑18 cm、長2.4 m，單根重量也超過1 t，兩件合在一起總重量達(dá)到2.4 t。由于重量和體積超大，加大了現(xiàn)場作業(yè)的難度。現(xiàn)場可以使用的主要工具只有1 臺天車、1 具帶100 t 千斤的支架以及數(shù)根加長用頂桿，由于操控過程條件有限，操作難度很大，同時(shí)也存在很大的安全隱患。

1.1.1.1 葉輪軸軸線與千斤軸軸線對準(zhǔn)難度大

拆裝葉輪時(shí)，首先將葉輪和軸整體吊放在支架上，并用支架擋板擋住葉輪，然后使用千斤頂將葉輪軸硬性頂出。頂出時(shí)要求葉輪軸、千斤頂、頂桿軸線同軸，但僅依靠1 臺天車很難作到。同時(shí)，由于不同直徑的葉輪軸使用同1 具支架，對心同軸工作更加困難。對心過程為：目視觀察—低了—天車吊起—增加墊塊—再觀察—還低—再吊起—增加或更換墊塊—再觀察……。僅此一項(xiàng)工作往往需要至少半個(gè)工作日。由于千斤頂行程有限，在壓出葉輪軸時(shí)通常需要在千斤頂頂桿端分步兩次加裝加長頂桿，這使得偏心現(xiàn)象成為一種常態(tài)。

1.1.1.2 葉輪拆卸成功率低

由于葉輪軸與千斤頂桿對心時(shí)不能完全對正，這時(shí)用千斤頂頂桿頂出，在壓力作用下，葉輪軸端部與千斤頂頂桿端部接合處翹起、脫開就成為必然。這就需要重新對心，如此反復(fù)操作幾次，葉輪軸與葉輪會越粘越緊，最后只能破壞性拆解——要么破壞葉輪、要么破壞葉輪軸。近年來這種情況就發(fā)生過3 次。一臺1200S56 型雙相不銹鋼葉輪單價(jià)38 萬元，葉輪軸單價(jià)17 萬元，破壞任何一個(gè)都會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。另外，千斤頂翹頭一旦脫開，兩個(gè)加長頂桿就會飛出，可能造成嚴(yán)重安全事故。

在葉輪軸頂出過程中，如果葉輪軸軸向受力線與軸線距離太大，就會造成葉輪軸孔周向受力不均。當(dāng)受力不均的峰值超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會引起葉輪拆裝中孔內(nèi)表面或軸上葉輪安裝部位的外表面撕裂、或二者同時(shí)撕裂。一旦撕裂開始，二者裝配面的接觸阻力會急劇增大而且不可逆轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致只有通過破壞其中一件才能將二者分開。結(jié)構(gòu)上千斤頂只支持壓力頂出、不能自動收回，收回時(shí)完全依靠人力、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且100 t 的最大壓力偏小，在某些特殊工況下無法將葉輪軸壓出。

1.1.1.3 葉輪裝配難度大

與葉輪拆卸過程一樣，葉輪裝配時(shí)首先需要將葉輪軸孔與葉輪軸中線對正，由于重量操作非常困難。通常是在地面將葉輪軸穿過葉輪軸孔，再將二者整體吊放在裝配支架上，使用天吊通過目測法使用墊塊將葉輪軸與千斤頂頂桿軸對齊，再使用天車通過目測法將葉輪中孔軸線與葉輪軸軸線對齊，最后使用千斤頂壓入。這一過程中存在的問題與拆卸時(shí)是相同的，而且裝配時(shí)需要兩次軸線對齊，再加上加長頂桿的使用，多數(shù)工況都處于對不齊的狀態(tài)，這樣千斤頂壓入葉輪軸時(shí)難度非常大。經(jīng)常出現(xiàn)壓入葉輪軸時(shí)由于多條軸線不共線所引起的葉輪軸軸肩損壞，由于葉輪軸孔與葉輪軸是公差配合安裝，稍許損壞就導(dǎo)致葉輪軸無法壓入，有時(shí)甚至?xí)p壞葉輪軸軸端，導(dǎo)致軸承無法正常裝入，甚至?xí)谷~輪軸變形、撓度超標(biāo)，使葉輪變形失去動平衡。無論是哪種問題都有可能導(dǎo)致之前所做的全部工作推倒重來，嚴(yán)重的會導(dǎo)致葉輪或葉輪軸報(bào)廢。最好的結(jié)果是設(shè)備能用，但其可靠性大大降低、使用壽命大大縮短。

1.1.1.4 葉輪拆裝時(shí)葉輪軸損失大

在葉輪拆卸過程中還會造成葉輪軸的葉輪安裝部位和葉輪軸上調(diào)整緊固葉輪位置的螺紋容易造成拉傷，拉傷部位需要采用激光熔覆技術(shù)修復(fù)，修復(fù)難度大、成本高。

1.1.2 設(shè)備維修速度慢

確保灌區(qū)用水是灌溉工程的核心工作，但由于水泵故障時(shí)不能及時(shí)維修而導(dǎo)致供水量下降的情況時(shí)有發(fā)生。一旦某臺水泵出現(xiàn)問題，其他各泵站供水流量不能匹配，運(yùn)行中的水泵也要被迫停止，這樣全系統(tǒng)供水量就減小了，進(jìn)而影響到灌區(qū)的適時(shí)適量灌溉。供水量一旦減小，會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)會誘發(fā)區(qū)域農(nóng)戶返貧。因而保持各水泵的正常工作和出現(xiàn)問題之后的快速維修，是各泵站全面工作中的重中之重。大中型泵站配備1 個(gè)檢修班組，每班4 人，除了正常的日常巡檢設(shè)備、巡修地工作外，一旦發(fā)現(xiàn)故障就立即組織維修力量進(jìn)行維修。受限于維修保障裝備的技術(shù)條件，正常情況下一個(gè)檢修班組通常平均需要一周（7 d）的時(shí)間才能完成一臺水泵葉輪更換及水泵組裝恢復(fù)，局部農(nóng)業(yè)減產(chǎn)不可避免。

1.1.3 維修保障設(shè)備落后

維修保障設(shè)備是一線維修保障人員完成維修保障工作的依靠。在工程建成初期，為了保障水泵葉輪的更換工作，為每個(gè)泵站均配置了葉輪更換裝備，即天車、一臺帶100 t 千斤頂?shù)闹Ъ堋?shù)根加長頂桿，這是維修保障班組僅可使用的保障設(shè)備。面對重量大、體積大、不同型的水泵葉輪，任務(wù)推進(jìn)速度非常緩慢。經(jīng)過幾十年的長時(shí)間使用，跑冒滴漏和結(jié)構(gòu)變形問題十分嚴(yán)重，有時(shí)對維修保障設(shè)備本身的維修就占用了保障班組的大量時(shí)間，維修保障難度高，工作安全性更是面臨著巨大挑戰(zhàn)。

1.2 應(yīng)對措施

面對巨大的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)件和老舊的維修保障設(shè)備，有些問題無法在現(xiàn)場解決，但為了盡可能完成即定的灌溉任務(wù)，保障班組想盡可能的手段和措施。

（1）加大巡檢力度。對可能出現(xiàn)的問題盡早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)解決。對43 所泵站進(jìn)行劃片管理，定期進(jìn)行檢查巡視，與泵站值守人員聯(lián)合值班，盡可能提前發(fā)現(xiàn)問題。

（2）注重維修保障設(shè)備的維修。常用耗材和零部件每年都劃拔專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，能夠保證庫存充足，但是設(shè)備維修保障由于具有突發(fā)性和臨時(shí)性，維修過程支出巨大、動輒數(shù)萬元，保障經(jīng)費(fèi)經(jīng)常不足。主要依靠內(nèi)部力量臨時(shí)修理，雖然付出了巨大努力，但由于維修能力有限，維修后設(shè)備的可靠性不高。

（3）利用葉輪全自動拆裝裝置替換老舊落后的拆裝裝置。

2 葉輪全自動拆裝裝置

2.1 裝置簡介

葉輪全自動拆裝裝置是基于先進(jìn)控制單元和自動控制邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全自動葉輪拆卸和裝配，以及半自動葉輪拆卸和安裝兩種操作形式。

（1）拆卸葉輪時(shí)，將葉輪軸和葉輪整體正確吊裝于拆裝機(jī)工位，操作人員可實(shí)現(xiàn)一鍵拆卸。

（2）安裝葉輪時(shí)，將葉輪軸穿入葉輪中孔后吊放于拆裝機(jī)安裝工位，葉輪軸和葉輪安裝位對正后，操作人員可分步實(shí)現(xiàn)對葉輪軸和葉輪的套裝。通過在關(guān)鍵部位布設(shè)相應(yīng)傳感器，實(shí)時(shí)感知各部件的工作狀態(tài)，并在觸摸屏顯示，方便操作人員對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。

2.2 裝置特性

（1）基于控制器的全程智能自動化控制和自鎖糾錯(cuò)，減少工作過程中的人為因素，提高拆裝成功率和工作效率。

4.2.2 教學(xué)重點(diǎn) 定理Heine歸結(jié)定理與證明，利用Heine歸結(jié)定理證明函數(shù)極限不存在的兩種方法。

（2）水電站水泵由于防腐的要求，傳動軸和葉輪采用不銹鋼材料，由于材料的特殊粘結(jié)特性，在拆卸的過程中由于相對運(yùn)動，容易產(chǎn)生粘結(jié)，要求傳動軸和葉輪中心線在相對運(yùn)動中始終保持同軸，該設(shè)備在設(shè)計(jì)中充分體現(xiàn)了這一特性。

（3）具有手動控制和自動控制兩種工作模式，擴(kuò)大設(shè)備的使用范圍和操作安全性。

（4）針對水電站水泵軸長度葉輪直徑較大、結(jié)構(gòu)重量大，采用臥式結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和操作安全性。

（5）自動化程度高、操作簡單，減少操作人員的工作強(qiáng)度并保證操作過程安全性。

2.3 裝置構(gòu)成

葉輪拆裝機(jī)主要由底座、床頭箱、工作臺、承力導(dǎo)向桿、支撐箱、對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、鎖緊器、對心套、千斤頂、操控臺等部分組成（圖1）。

圖1 葉輪拆裝臺結(jié)構(gòu)

（1）底座上設(shè)有各部件的安裝位置、負(fù)責(zé)將其他零部件組合安裝在一起，同時(shí)安裝有工作臺前后限位傳感器和工作臺位置傳感器，確保工作臺前后移動時(shí)不超出工作位置。

（2）支撐箱的作用是負(fù)責(zé)支撐承力導(dǎo)向桿的左端。

（3）承受力的導(dǎo)向桿共兩根，分別安裝在床頭箱和支撐箱上，工作臺前后移動時(shí)通過承力導(dǎo)向桿導(dǎo)向，在葉輪拆裝過程中承擔(dān)主要拉力。

圖2 工作臺結(jié)構(gòu)

（5）右承力箱，負(fù)責(zé)支撐承力導(dǎo)向桿的右端，其上安裝有400 t 千斤頂、液壓接頭、液壓電磁閥、千斤頂桿位移傳感器。千斤頂所產(chǎn)生的推力將卡裝在工作臺上的葉輪軸向后推出；兩個(gè)液壓接頭連接外部液壓源，為千斤頂提供工作壓力；液壓電磁閥由操縱臺控制系統(tǒng)控制，是千斤頂頂桿伸縮的液壓開關(guān)；位移傳感器實(shí)時(shí)感知千斤頂桿伸出長度。

（6）配套有多個(gè)型號對心套，可根據(jù)需要安裝在工作臺上，以適應(yīng)不同直徑葉輪軸的裝卸需求。

（7）鎖緊器由一對鎖片和電動推桿構(gòu)成。一對鎖片由根部扇齒互相嚙合，電動推桿推拉其中一個(gè)鎖片，另外一個(gè)鎖片對稱張合，從而完成對工作臺的上鎖或松開。

（8）對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和工作臺一體安裝，左右各布有一個(gè)手輪，搖動手輪可改變對準(zhǔn)輪的開合度。其有兩個(gè)作用：一是在拆卸葉輪時(shí)，通過改變對準(zhǔn)輪的開合度、適應(yīng)不同直徑葉輪，可作為葉輪的脫開葉輪軸時(shí)的承力機(jī)構(gòu)；二是在裝載葉輪時(shí)，通過改變對準(zhǔn)輪的開合度、適應(yīng)不同直徑葉輪，可將葉輪頂起，使得葉輪中心軸孔與對心套及千斤頂頂桿同軸（圖3）。

操控臺完成對葉輪拆裝機(jī)的操作控制，設(shè)計(jì)有手動和自動兩種工作模式：手動模式時(shí)，操作人員可單獨(dú)完成比如千斤頂頂桿的伸出和縮回、以及工作臺的前后移動和上鎖解鎖；自動模式時(shí)，系統(tǒng)按照預(yù)定工作流程自動完成千斤頂頂桿的反復(fù)伸縮和工作臺的分步送進(jìn)和上鎖解鎖。

2.4 工作原理

2.4.1 拆卸葉輪

拆卸葉輪時(shí)，首先按下操控臺上的手動按鈕，使操控臺處于手動工作模式，再按下千斤頂收回按鈕完全收回千斤頂頂桿；換裝與葉輪軸匹配的工作臺墊塊，使用天車將葉輪及葉輪軸吊裝于工作臺上，調(diào)整工作臺對準(zhǔn)裝置，使葉輪軸水平并與千斤頂軸線同軸；按下操作臺前進(jìn)/后退按扭，使操作臺處于承力導(dǎo)向桿的適當(dāng)位置，并確保工作臺鎖緊器上鎖（圖4）。

圖4 葉輪軸拆卸原理

按下操控臺上的自動按鈕，使操控臺處于自動工作模式。按下啟動按鈕，葉輪拆裝機(jī)開始自動拆卸葉輪工作，在此過程中工作臺會不斷實(shí)現(xiàn)自動上鎖、解鎖、自動向前送進(jìn)，千斤頂頂桿會反復(fù)收縮，直至將葉輪軸頂出。

2.4.2 安裝葉輪

安裝葉輪時(shí)，首先將葉輪軸穿入葉輪中孔的適當(dāng)位置，使用天車將其吊放于工作臺的葉輪安裝工位。調(diào)整工作臺對準(zhǔn)裝置，使葉輪中軸對準(zhǔn)工作臺卡位中心，同時(shí)使葉輪軸線與千斤頂軸線對準(zhǔn)。按下操控臺上的手動按鈕，使操控臺處于手動工作模式。使用“邊對準(zhǔn)邊頂進(jìn)”的策略，不斷搖動對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)手輪，待葉輪軸與葉輪中孔完全對正后，點(diǎn)動按下操作臺上千斤頂頂進(jìn)按鈕，并根據(jù)需要不斷對葉輪軸與葉輪中孔，采取對正措施，直至葉輪和軸完全壓進(jìn)、裝入。在此過程中，需要數(shù)次手動操作操控臺的相關(guān)按鈕，使工作臺重復(fù)“解鎖—前進(jìn)—上鎖”的動作，需要數(shù)次手動操作操控臺的相關(guān)按鈕，使千斤頂重復(fù)“頂進(jìn)—收回”的動作。

控制系統(tǒng)的工作原理如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)信號原理

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

一臺1200S56 型雙相不銹鋼葉輪單價(jià)38 萬元，葉輪軸單價(jià)17 萬元，破壞任何一個(gè)都會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。但是只要對當(dāng)前維修保障設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)募夹g(shù)升級或改造，這種損失是可以避免的。實(shí)際上，在水泵葉輪的拆裝過程中，一旦葉輪和軸受到損壞就需要轉(zhuǎn)運(yùn)至專業(yè)工廠進(jìn)行激光熔覆補(bǔ)損和再次機(jī)械加工才能修復(fù)，由于維修時(shí)間很長，這會導(dǎo)致水泵停工而引起的局部農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，對灌區(qū)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐蓞^(qū)域農(nóng)戶返貧，阻礙當(dāng)?shù)匦腋｀l(xiāng)村的建設(shè)工作。因此，對水泵維修保障設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級，將非常有益于灌區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3.2 社會效益

根據(jù)前期在各灌區(qū)所開展的“提高各泵站水泵葉輪維修工作效率”專題調(diào)研情況來看，景電工程所面臨的問題與“興電工程”“靖會工程”等數(shù)十個(gè)灌溉工程是一樣的。為提升水泵葉輪維修保障工作效率，景電工程率先提出“智能全自動水泵葉輪拆裝機(jī)”研制生產(chǎn)項(xiàng)目，對解決黃河上游數(shù)十個(gè)灌區(qū)各泵站水泵葉輪更換工作具有重要借鑒意義，該項(xiàng)目將具有極大推廣前景和推廣價(jià)值，對灌區(qū)土地的保收豐產(chǎn)工作意義重大。

4 總結(jié)

使用葉輪全自動拆裝裝置，不僅能簡化葉輪拆裝工作流程，實(shí)現(xiàn)“一鍵拆裝”，減少檢修人數(shù)數(shù)量、縮短葉輪拆裝時(shí)間、提高檢修工作效率，還可以降低拆裝過程中軸和葉輪的損傷率，消除頂桿飛出的安全隱患，保障現(xiàn)場設(shè)備和人員的安全，為灌區(qū)農(nóng)作物的適時(shí)適量灌溉提供有力支撐。