匡美珍，張 凱，田恒雙

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌443000）

0 概述

水輪機(jī)組接力器是水輪發(fā)電機(jī)組中將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動的傳動機(jī)構(gòu)，用于推動控制環(huán)來帶動導(dǎo)水機(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流大小和方向，以滿足系統(tǒng)對機(jī)組出力的要求。而接力器活塞桿密封作為接力器的關(guān)鍵零部件，其密封性能的好壞直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加，接力器活塞桿密封日益磨損老化，密封性能變差，引起油外泄，輕則造成現(xiàn)場環(huán)境污染，重則導(dǎo)致液壓系統(tǒng)油位低，進(jìn)而機(jī)組停機(jī)，嚴(yán)重影響機(jī)組的運(yùn)行安全，因此需要定期對接力器活塞桿密封進(jìn)行更換。

對于水輪機(jī)組的接力器，其活塞桿一般采用整體式密封結(jié)構(gòu)，而更換活塞桿整體式密封結(jié)構(gòu)需要拆卸大量的零部件，因大型水輪機(jī)組接力器各部件尺寸較大、比較笨重，拆裝過程中需使用起吊設(shè)備、大型工裝，投入較多人力物力，且各部件配合精度高，還需要人員具有精湛的檢修技藝，檢修的風(fēng)險(xiǎn)較難控制。因此，改進(jìn)活塞桿的密封形式成為迫切需求。以某電站機(jī)組接力器活塞桿密封形式改進(jìn)為例，講述新型密封的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

1 接力器活塞桿密封結(jié)構(gòu)及更換現(xiàn)狀

1.1 接力器活塞桿密封形式及結(jié)構(gòu)

某大型水電站3F 機(jī)組接力器采用雙直缸式接力器，在2 號接力器后端蓋處設(shè)有自動鎖定裝置，在機(jī)組全關(guān)時(shí)投入。接力器活塞直徑960 mm，活塞桿直徑350 mm，活塞桿密封采用丁晴橡膠整體式Y(jié)X唇形密封圈，安裝在接力器缸蓋的開式溝槽內(nèi)，槽外設(shè)計(jì)有壓蓋以調(diào)節(jié)密封的壓緊力，壓蓋處安裝有一圈防塵圈，如圖1 所示。

圖1 3F 接力器活塞桿整體式密封

1.2 活塞桿密封更換存在的問題

3F 機(jī)組接力器活塞桿重達(dá)2 845 kg，通過桿頭及桿頭銷與上下連板連接，桿頭內(nèi)加工有M300 mm ×6 mm 內(nèi)螺紋與活塞桿連接，桿頭重達(dá)1 300 kg 且形狀不規(guī)則，接力器活塞桿連接如圖2 所示。

根據(jù)接力器活塞桿連接形式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，活塞桿密封更換的流程如圖3 所示。

在拆裝過程中，因施工空間受限及施工條件、工藝等原因，正常情況下，更換1 臺接力器的前端蓋密封需要2 個(gè)工作日，如果涉及到前后端蓋均需更換密封的情況下，則需要的時(shí)間更長。在上述過程中，其中拆裝接力器桿頭是關(guān)鍵點(diǎn)，因桿頭形狀不規(guī)則且笨重，在拆裝過程中，桿頭與活塞桿極易產(chǎn)生偏心，稍有不當(dāng)就會造成桿頭與活塞桿螺紋的損傷，甚至可能發(fā)生桿頭與活塞桿粘扣事故。2013 年，在更換同類型機(jī)組接力器活塞桿密封時(shí)，出現(xiàn)部分桿頭內(nèi)螺紋及推拉桿螺紋破損嚴(yán)重，螺紋內(nèi)部有大小不同程度的金屬絲和夾渣現(xiàn)象，桿頭不能正?；匮b。2014 年，其他同類型機(jī)組又出現(xiàn)桿頭卡澀嚴(yán)重，難以旋進(jìn)，檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)桿頭與接力器推拉桿已完全卡死，最后只能返廠重新加工桿頭，桿頭加工歷時(shí)4 個(gè)月，嚴(yán)重影響機(jī)組的運(yùn)行。

圖2 接力器活塞桿連接圖

圖3 接力器活塞桿拆卸流程圖

2 密封改進(jìn)試驗(yàn)

2.1 新型密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了簡化密封更換流程，新的密封采用剖分式結(jié)構(gòu)，如果只是簡單的將原有整體式密封直接切口必然影響密封效果。根據(jù)活塞桿密封使用的工況條件及檢修需求，新型密封采用剖分式V 形組合密封結(jié)構(gòu)，綜合考慮液壓系統(tǒng)壓力大小及原有密封溝槽的結(jié)構(gòu)尺寸及密封效果等因素，V 形組合密封采用1 個(gè)支撐環(huán)、2 個(gè)V 形密封圈、1 個(gè)壓環(huán)的結(jié)構(gòu)形式，壓環(huán)的凹形角和V 形密封圈的凹形角相同，采用90°標(biāo)準(zhǔn)夾角，剖分面為光滑斷面，其規(guī)格尺寸為350 mm×390 mm×30 mm。

圖4 剖分式V 形組合密封示意圖

2.2 密封機(jī)理

V 形密封圈是一種唇形密封圈，密封唇有較好的活動性和適應(yīng)性，可以承受較大的徑向力及頻繁的壓力波動，在自由狀態(tài)下，V 形密封圈的唇部內(nèi)徑小于活塞桿的外徑，裝配后V 形密封圈與活塞桿是過盈配合，使得V 形密封圈與活塞桿接觸面有一定的預(yù)緊力，在零壓差的情況下，V 形密封圈依靠預(yù)緊力對活塞桿與接力器缸蓋之間的間隙進(jìn)行密封。當(dāng)液壓系統(tǒng)帶壓時(shí)，在壓力油的作用下，V 形密封圈的凹槽受油壓作用，增大了V 形密封圈與密封面的壓緊力，壓力越大，壓緊力越大，密封能力越強(qiáng)，因此V形密封圈有“自封作用”。

在V 形組合密封結(jié)構(gòu)中，V 形密封圈起主要密封作用，支承環(huán)主要用來支承V 形密封圈，使密封圈放置穩(wěn)定，壓環(huán)的作用是給V 形密封圈一個(gè)初始壓縮量，使其與被密封面充分接觸，并可對V 形密封圈的壓縮量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

剖分式V 形組合密封的密封機(jī)理是依靠V 形圈的唇口的彈性形變起到密封作用，其剖分面在安裝過程中各錯(cuò)開90°安裝，依靠剖分面直接接觸實(shí)現(xiàn)密封，同時(shí)有壓環(huán)及支撐環(huán)的箍緊力，可以實(shí)現(xiàn)可靠密封，有效阻擋剖分口處產(chǎn)生地泄漏。

2.3 新型密封材料選擇

液壓系統(tǒng)的工況及運(yùn)行條件：介質(zhì)為液壓油；壓力小于10 MPa；液壓油溫度小于50 ℃；運(yùn)動速度最大5 m/s。綜合以上幾點(diǎn)，新型密封結(jié)構(gòu)材質(zhì)選用進(jìn)口聚醚聚氨酯，聚醚聚氨酯為專利鋼化工藝生產(chǎn)的高效復(fù)合物，其機(jī)械性能非常好，具有長久的形狀記憶性、耐高壓性能及耐磨性，它比丁晴橡膠的摩擦系數(shù)降低8 倍，可以更好地保護(hù)活塞桿減少磨損。

2.4 試驗(yàn)情況

從密封壓蓋拆卸到剖分式密封安裝完成總共耗時(shí)4 h，只需要原有檢修時(shí)間的1/4。密封更換之后，液壓系統(tǒng)進(jìn)行注油及升壓試驗(yàn)，當(dāng)液壓系統(tǒng)升壓至3.0 MPa 時(shí)，對接力器前后活塞桿密封壓蓋進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)油漬；現(xiàn)地操作導(dǎo)葉2 個(gè)全行程，未見滲油現(xiàn)象；隨后液壓系統(tǒng)升壓至6.3 MPa，未見滲油現(xiàn)象。在之后的機(jī)組二次聯(lián)調(diào)時(shí)，多次進(jìn)行了開、關(guān)導(dǎo)葉動作，均未出現(xiàn)滲油現(xiàn)象。

3 改進(jìn)效果

更換剖分式密封已經(jīng)歷時(shí)1 年，定期檢查接力器活塞桿壓蓋均未發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象。使用剖分式V形組合密封具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）檢修成本小。改成剖分式密封之后，大大簡化了檢修流程，更換一處端蓋密封只需要2～3 個(gè)人半天即可完成。

（2）檢修風(fēng)險(xiǎn)降低。改進(jìn)之后不需要拆卸連板及桿頭等大而重的部件，因此減少了起吊重物及損壞活塞桿桿頭的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）密封性能強(qiáng)。將之前的一圈整體式密封更換為2 圈剖分式聚醚聚氨酯V 形組合密封，同時(shí)配合支撐環(huán)及壓環(huán)，可以在活塞桿及缸蓋之間形成良好的密封。

4 結(jié)語

剖分式密封結(jié)構(gòu)在接力器活塞桿中的應(yīng)用，使得更換密封只需要拆卸密封壓蓋，整個(gè)密封更換過程簡單、無技術(shù)障礙，而剖分式密封效果可以滿足大形水輪機(jī)組對密封圈的使用要求。此項(xiàng)改進(jìn)減少了設(shè)備拆卸次數(shù)，保證了密封長周期運(yùn)行，解決了大型水輪機(jī)組接力器活塞桿密封圈更換難、耗時(shí)長的問題，在一定程度上提高了大型水輪機(jī)組的檢修技能。剖分式密封結(jié)構(gòu)在3 F 機(jī)組接力器中的應(yīng)用可以為后續(xù)的接力器活塞桿密封形式改進(jìn)提供成功的經(jīng)驗(yàn)。