趙文軍，力 剛，蔡曉東，單翔宇

（江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

水泵運(yùn)行中常存在水泵氣蝕、水泵主軸頸磨損、水導(dǎo)軸承損壞等問(wèn)題［1-4］。水泵氣蝕主要發(fā)生在葉片外緣進(jìn)水邊背面及葉輪外殼中心偏下部位，主軸頸磨損主要發(fā)生在下橡膠軸承處、上橡膠軸承處和填函內(nèi)盤根處，水導(dǎo)軸承故障主要表現(xiàn)為橡膠軸承嚴(yán)重磨損、燒瓦和橡膠瓦緊固螺釘松動(dòng)等［5-8］。據(jù)調(diào)查，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)故障中大部分是導(dǎo)軸承故障，如果導(dǎo)軸承磨損過(guò)大或損壞，則會(huì)造成機(jī)組軸線動(dòng)擺度增大，振動(dòng)加劇，甚至發(fā)生葉片碰殼事故［9-10］。水導(dǎo)軸承故障通過(guò)中修更換橡膠軸承即可，水泵氣蝕和主軸頸磨損則需通過(guò)解體大修才能徹底解決。除上述故障外，導(dǎo)葉體損壞在彎管式混流泵中也發(fā)生較多，主要表現(xiàn)為導(dǎo)葉體上下止口損壞，導(dǎo)葉體止口與橡膠軸承之間的配后間隙增大，在電機(jī)不衡磁拉力、葉片不對(duì)稱、葉輪來(lái)流非軸向等原因引起的外力作用下，導(dǎo)葉體與橡膠軸承連接螺栓損壞，其后果更為嚴(yán)重甚至引起機(jī)組故障停機(jī)，嚴(yán)重影響工程效益的發(fā)揮。導(dǎo)葉體損壞致使故障停機(jī)雖不常見(jiàn)，但因維修困難，危害較大，必須引起高度重視。本文以沙集泵站為例，在初步分析導(dǎo)葉體損壞原因基礎(chǔ)上，得出控制導(dǎo)葉體與橡膠軸承上下止口的間隙是導(dǎo)葉體維修的關(guān)鍵。從適用情況、優(yōu)缺點(diǎn)等方面分析比較墊青稞紙、鑲內(nèi)襯、加裝新法蘭、焊接連接螺栓和錐形止口等導(dǎo)葉體維修方案。對(duì)工程實(shí)際中的不同情況合理選擇維修方案，具有一定的借鑒意義。

1 基本情況

1.1 工程概況

江蘇省沙集閘站工程采用閘站合一的結(jié)構(gòu)形式，中間為抽水能力50 m3/s 的抽水站，兩側(cè)布置設(shè)計(jì)流量為200 m3/s的節(jié)制閘。沙集站站身為堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，進(jìn)水流道采用肘形管，出水流道采用平直管，快速門斷流，進(jìn)水流道進(jìn)口設(shè)置檢修閘門，快速閘門采用繩鼓式快速啟閉機(jī)操作。抽水站選用5臺(tái)套1800HD-10.5型立式混流泵，單機(jī)流量10 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程10.5 m，配套5臺(tái)TL1600-20/2150主電機(jī)，單臺(tái)功率1 600 kW，總裝機(jī)容量8 000 kW。該工程建成于1993 年，主要抽取洪澤湖水保障徐州地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航運(yùn)、環(huán)保以及調(diào)節(jié)駱馬湖水位。2003年起，豐水季節(jié)可利用機(jī)組倒轉(zhuǎn)發(fā)電。2012年睢寧二站建成后，沙集站與其共同組成南水北調(diào)工程運(yùn)西線第五梯級(jí)泵站，使用頻率與運(yùn)行時(shí)間均較以往大幅增加。

1.2 機(jī)組結(jié)構(gòu)

1800HD-10.5 型立式混流泵為彎管式混流泵，設(shè)置2 只導(dǎo)軸承，水泵上部導(dǎo)軸承（上水導(dǎo)）由雙頭螺栓固定在水泵的60°出水彎管的上半部位，水泵下部導(dǎo)軸承（下水導(dǎo)）則由雙頭螺栓固定在導(dǎo)葉體內(nèi)。導(dǎo)軸承采用組合式水潤(rùn)滑橡膠軸承，軸承體為分半式，軸瓦則為4塊，由螺釘固定在軸承體內(nèi)。水泵的彎管、導(dǎo)葉體、軸承體均為鑄鐵材質(zhì)，水潤(rùn)滑橡膠導(dǎo)軸承由鉸制螺栓固定在導(dǎo)葉體內(nèi)筒體上，導(dǎo)葉體軸窩上下止口與橡膠軸承為間隙配合。

2 故障情況及原因分析

2.1 故障情況

沙集泵站水泵運(yùn)行中除發(fā)生水泵氣蝕、水泵主軸頸磨損、水泵導(dǎo)軸承損壞等問(wèn)題外，還多次發(fā)生導(dǎo)葉體損壞故障。如2014年運(yùn)行期間，運(yùn)行值班人員在巡視時(shí)聽(tīng)到2號(hào)機(jī)組水泵處發(fā)生輪胎爆破似的異響，緊急停機(jī)。隨后將2 號(hào)機(jī)上游工作門開(kāi)高至大約50 cm，手放在導(dǎo)葉體和葉輪外殼處，能感覺(jué)到金屬間有摩擦，將工作門繼續(xù)開(kāi)高，則發(fā)出金屬間刺耳的碰擊聲。初步判斷是水泵葉片處纏繞異物（鐵鏈）或水泵導(dǎo)軸承松動(dòng)導(dǎo)致葉片碰殼。落上游工作門和下游檢修門封堵進(jìn)出水流道后，對(duì)橡膠軸承與導(dǎo)葉體進(jìn)行檢查。發(fā)現(xiàn)橡膠軸承外殼法蘭螺絲孔變形，與導(dǎo)葉體連接螺栓已脫落；橡膠軸承可自由地從導(dǎo)葉體內(nèi)取出，導(dǎo)葉體上下止口損壞嚴(yán)重。

2.2 原因分析

導(dǎo)葉體除了起到擴(kuò)散水流，回收部分動(dòng)能和將葉輪抽出的水流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩S向運(yùn)動(dòng)的作用外［11］，還將來(lái)自橡膠軸承的徑向力和軸向力傳導(dǎo)到泵墩上。理想對(duì)稱情況下，對(duì)立式泵機(jī)組，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分所受徑向力的合力為零，導(dǎo)軸承荷載為零。但由于設(shè)計(jì)制造、施工安裝存在誤差及某些結(jié)構(gòu)問(wèn)題，導(dǎo)軸承不可避免地受徑向力作用。水泵運(yùn)行過(guò)程中，橡膠軸承將由電機(jī)不衡磁拉力、轉(zhuǎn)動(dòng)部件偏心旋轉(zhuǎn)慣性離心力、葉片不對(duì)稱、葉輪來(lái)流非軸向等原因引起的力經(jīng)導(dǎo)葉體連接的螺栓及導(dǎo)葉體導(dǎo)軸窩的上下止口傳遞給導(dǎo)葉體，再由導(dǎo)葉體傳導(dǎo)至中間接管和泵墩上。

沙集站導(dǎo)葉體導(dǎo)軸窩上、下止口均為間隙配合，上止口的間隙范圍為0.00～0.22 mm，下止口的間隙范圍為0.076～0.256 mm，下止口的間隙范圍更大一些。水泵運(yùn)行過(guò)程中，水泵大軸在橡膠軸承中旋轉(zhuǎn)，將對(duì)橡膠軸承產(chǎn)生軸向力、徑向力和周向力，其中以徑向力和周向力產(chǎn)生破壞為主。導(dǎo)葉體與橡膠軸承的相對(duì)固定是通過(guò)螺栓預(yù)緊力作用下，導(dǎo)葉體上止口法蘭與橡膠軸承頂部法蘭的連接表面產(chǎn)生摩擦力保持的。橡膠軸承所受的徑向力均在導(dǎo)葉體與橡膠軸承連接表面以下，其合力使橡膠軸承在導(dǎo)葉體下止口的間隙范圍內(nèi)晃動(dòng)，加之運(yùn)行時(shí)劇烈的汽蝕振動(dòng)產(chǎn)生沖擊荷載，極易導(dǎo)致連接螺栓松動(dòng)，連接表面的摩擦力減小。當(dāng)傳導(dǎo)的徑向力和周向力大于摩擦力后，導(dǎo)葉體與橡膠軸承之間將在間隙范圍內(nèi)產(chǎn)生滑移。周期性的徑向力（沖擊荷載）和周向力將對(duì)導(dǎo)葉體法蘭上的連接螺栓孔產(chǎn)生破壞，引起螺栓松動(dòng)、絲牙斷裂、螺栓孔增大。此后，徑向力主要依靠導(dǎo)葉體上下止口與橡膠軸承之間來(lái)傳導(dǎo)，因其本為間隙配合，在長(zhǎng)期沖擊荷載作用下，加之長(zhǎng)期浸泡在水中發(fā)生化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕，配合間隙將逐漸增大，引起導(dǎo)葉體上下止口損壞，進(jìn)而引發(fā)水泵蹭殼，甚至產(chǎn)生葉片斷裂等嚴(yán)重的后果。

因此，導(dǎo)葉體與橡膠軸承上下止口之間的配合間隙是水泵維修時(shí)的關(guān)鍵控制因素。沙集站多年機(jī)組大修的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，導(dǎo)葉體與橡膠軸承緊配合（通常橡膠軸承是由千斤頂壓入導(dǎo)葉體內(nèi)），則在大修周期內(nèi)水泵運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生故障，如果橡膠軸承很容易安裝到導(dǎo)葉體內(nèi)，往往水泵沒(méi)到大修周期就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。

3 維修方案

沙集站機(jī)組大修過(guò)程中，當(dāng)導(dǎo)葉體上、下止口損壞時(shí)，根據(jù)止口損壞嚴(yán)重程度，分別采取分半軸承體之間墊青稞紙、車止口鑲內(nèi)襯、止口法蘭面加裝新法蘭、連接螺栓焊接固定和錐形止口固定等方法，下面分別闡述并進(jìn)行分析比較。

3.1 分半軸承體間墊青稞紙

導(dǎo)葉體上止口與橡膠軸承之間的配合間隙在0.06～0.1 mm區(qū)間時(shí)，通過(guò)施加外力（20～40 kN）將橡膠軸承壓入導(dǎo)葉體內(nèi)，可達(dá)到兩者緊配合的目的；當(dāng)兩者之間的配合間隙小于0.05 mm 時(shí)，安裝時(shí)通過(guò)外力很難將橡膠軸承壓入導(dǎo)葉體內(nèi)；當(dāng)兩者之間的配合間隙大于0.1 mm時(shí)，通過(guò)外力容易將橡膠軸承壓入導(dǎo)葉體，間隙大于0.15 mm 時(shí)依靠橡膠軸承自重便可自由落體至導(dǎo)葉體內(nèi)。若導(dǎo)葉體與橡膠軸承連接螺栓未損壞，可在分半軸承體間加墊青稞紙的方法減小橡膠軸與導(dǎo)葉體上止口的間隙，實(shí)現(xiàn)緊配。青稞紙的厚度有0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm、0.3 mm等，可根據(jù)橡膠軸承與導(dǎo)葉體止口的間隙選用。根據(jù)研究［11］，作用于橡膠軸承上徑向力大多指向左側(cè)偏出水側(cè)的45°方向［12］，因此安裝時(shí)，分半式橡膠軸承的裝配平面（青稞紙平面）與作用于橡膠軸承徑向力方向垂直，可有效緩沖承載這個(gè)徑向力，延長(zhǎng)使用壽命。

3.2 車止口鑲內(nèi)襯

導(dǎo)葉體上止口損壞比較嚴(yán)重情況下，可通過(guò)車止口鑲內(nèi)襯的方法修復(fù)導(dǎo)葉體止口，具體方案以沙集站導(dǎo)葉體修復(fù)為例進(jìn)行介紹。將導(dǎo)葉體原上止口（內(nèi)徑540 mm，深45 mm的孔）自上而下加工成內(nèi)徑555 mm，深40 mm的孔，底部留有5 mm的臺(tái)階不車削用于承載內(nèi)襯。將內(nèi)圓直徑540 mm，外圓直長(zhǎng)555 mm，高度40 mm的內(nèi)襯（圓環(huán)體）鑲嵌至前面加工而成的內(nèi)徑555 mm，深40 mm的孔里面。在內(nèi)襯與導(dǎo)葉體上止口結(jié)合部位（直徑555 mm）的圓周面上均勻鉆4-M8 深18 mm 的螺紋孔，用M8×10 螺釘將內(nèi)襯與導(dǎo)葉體固定。通過(guò)車止口鑲內(nèi)襯的方法可以達(dá)到橡膠軸承與導(dǎo)葉體上止口緊配合的目的，但安裝時(shí)所使用的外力將作用于車削止口時(shí)所留的5 mm厚的臺(tái)階上，所以使用外力不可過(guò)大，配合不宜過(guò)緊。

3.3 上止口法蘭面加裝新法蘭

導(dǎo)葉體上止口損壞比較嚴(yán)重情況下，還可以在上止口法蘭面上加裝新法蘭的方法，實(shí)現(xiàn)橡膠軸承與導(dǎo)葉體緊配合。先將導(dǎo)葉體上止口法蘭面上損壞的螺紋孔塞焊，車平上止口法蘭面，在原螺紋孔位置重新鉆孔。用8顆M20螺栓將外圓直徑647 mm，內(nèi)圓直徑540 mm，厚度25 mm 的法蘭面固定在導(dǎo)葉體上止口法蘭面上。車出新增法蘭內(nèi)止口尺寸為φ540 mm，偏原螺紋孔22.5°位置鉆深40 mm螺紋孔，用于固定橡膠軸承。此方案在導(dǎo)葉體上止口法蘭面上鉆8 只通孔和8 只螺栓孔，法蘭面強(qiáng)度有所下降，通過(guò)與導(dǎo)葉體螺栓連接的加裝法蘭面固定橡膠軸承，對(duì)連接栓螺的防松要求較高。運(yùn)行中，一旦連接螺栓松動(dòng)，導(dǎo)葉體與橡膠軸承的緊配合就會(huì)遭到破壞。

3.4 焊接固定導(dǎo)葉體連接螺栓

在農(nóng)業(yè)大用水期間或泵站進(jìn)行排澇時(shí)，水泵發(fā)生故障后必須盡快恢復(fù)運(yùn)行，不允許對(duì)水泵進(jìn)行解體大修，可以采取將連接螺栓焊接固定的方法進(jìn)行搶修。此搶修不需將機(jī)組解體，只需將導(dǎo)水錐、水箱和橡膠軸承拆卸后，將導(dǎo)葉體上止口法蘭面清理干凈。用磁電鉆或手電鉆將法蘭面上的8 只盲孔（用于連接固定橡膠軸承的螺栓孔）打通，并自上而下用M20絲錐手動(dòng)攻絲成通孔。將8只全螺紋六角頭螺栓分別從導(dǎo)葉體法蘭面自下而上旋轉(zhuǎn)直至螺栓根部，并用板手加力固定。用與橡膠軸承法蘭面相同尺寸的模具檢查連接螺栓位置，必要時(shí)可在螺栓處旋上螺母后用錘子進(jìn)行校正。如導(dǎo)葉體上止口法蘭面螺栓孔損壞嚴(yán)重，成橢圓形或比原尺寸增大很多，還可用電焊將六角頭螺栓與導(dǎo)葉體上止口法蘭面固定后再校正位置。連接螺栓位置校正完成后，安裝橡膠軸承，并檢查調(diào)整軸承間隙。橡膠軸承單邊間隙規(guī)范要求大于0.08 mm，總間隙小于0.4 mm，可適當(dāng)放大總間隙，不大于0.6 mm。最后按順序安裝水箱和導(dǎo)水錐，提上游工作門倒轉(zhuǎn)檢查無(wú)異常后試運(yùn)行。

3.5 采用錐形止口

前面幾種維修方法均是恢復(fù)導(dǎo)葉體與橡膠軸承原來(lái)的配合結(jié)構(gòu)。為增加承載力，延長(zhǎng)使用壽命，提高運(yùn)行可靠性，可以在導(dǎo)葉體下止口與橡膠軸承的配合上采用錐形止口緊密配合。

導(dǎo)葉體下止口處圓孔自上而下由圓孔和錐形孔（錐度1∶10）組成，橡膠軸承與導(dǎo)葉體下止口配合處外圓柱面同樣加工成錐形（錐度相同）。導(dǎo)葉體上止口與橡膠軸承維持原設(shè)計(jì)間隙配合不變。導(dǎo)葉體上止口法蘭面與橡膠軸承上端面法蘭由8-M20螺栓連接固定，為確保下止口錐度緊密配合，導(dǎo)葉體上止口法蘭面與橡膠軸承間留0.5 mm 左右間隙。為克服上止口橡膠軸承的徑向力，與8-M20螺栓孔錯(cuò)開(kāi)布置4-16 錐銷（錐度1∶50），錐銷上部有分半式壓住錐銷上的彈簧，確保錐銷與錐孔即使遭到劇烈振動(dòng)也能緊密配合。橡膠軸承所承受的徑向力和周向力，通過(guò)導(dǎo)葉體下止口和錐銷2 個(gè)部位傳導(dǎo)至導(dǎo)葉體上，保證徑向力受力的平衡性。彈簧可有效減小劇烈振動(dòng)引起的沖擊破壞，也可預(yù)防螺栓松動(dòng)。

4 維修方案分析比較

分半軸承體間墊青稞紙后，導(dǎo)葉體與橡膠軸配合間隙沿圓周方向并不一致，在青稞紙垂直面方向形成緊配受力較好，青稞紙所在平面方向間隙較大，受力未得到改善。因此，只能用在當(dāng)導(dǎo)葉體與橡膠軸上止口配合間隙不太大時(shí)使用，一般多用在周期性機(jī)組大修。

車止口鑲內(nèi)襯、上止口法蘭面加裝新法蘭和焊接固定連接螺栓3種方法均可用于導(dǎo)葉體上下止口損壞嚴(yán)重情況下。車止口鑲內(nèi)襯，由于止口底部留有5 mm的臺(tái)階，承受不了太大的壓力，導(dǎo)葉體與橡膠軸承之間的配合間隙不宜過(guò)小，否則安裝時(shí)用力過(guò)大會(huì)損壞留有的臺(tái)階。運(yùn)行過(guò)程中，在沖擊力作用下，留有的臺(tái)階也極易損壞，引起導(dǎo)葉體上止口所鑲的內(nèi)襯脫落，故實(shí)踐中車止口鑲內(nèi)襯的方法效果較差。沙集站1#主水泵和2#主水泵在機(jī)組大修時(shí)采用車止口鑲內(nèi)襯方案，1#主水泵運(yùn)行2 a 后內(nèi)襯脫落，2#主水泵運(yùn)行2.5 a后內(nèi)襯脫落。上止口法蘭面加裝新法蘭方案的關(guān)鍵是加裝的新法蘭與導(dǎo)葉體連接螺栓的防松，一旦螺栓松動(dòng)就有可能造成葉片蹭殼，同時(shí)上止口法蘭面上打16 只孔，法蘭面強(qiáng)度降低，存在安全隱患。2014 年，沙集站2#機(jī)大修時(shí)，采用此方案維修，運(yùn)行5 a（1 個(gè)大修周期）后機(jī)組大修前，導(dǎo)葉體與橡膠軸承配合已發(fā)生松動(dòng)。焊接固定連接螺栓主要用于搶修，施工難度較大，焊接螺栓后調(diào)整橡膠軸承與水泵主軸之間間隙困難。

采用錐形止口要求重新鑄造加工導(dǎo)葉體和橡膠軸承，費(fèi)用高，可在水泵改造時(shí)采用。此方案安裝方便，導(dǎo)葉體受力平衡，增加了承載力，延長(zhǎng)使用壽命，提高運(yùn)行可靠性。

上述維修方案分析對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 維修方案對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

彎管式混流泵運(yùn)行中有葉片氣蝕、主軸頸磨損和水導(dǎo)軸承損壞等常見(jiàn)故障，導(dǎo)葉體損壞并不常見(jiàn)，但因維修困難，危害較大，必須引起高度重視。本文以沙集泵站為例，分析比較導(dǎo)葉體維修5 種方案，得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)分析導(dǎo)葉體損壞原因，得出控制導(dǎo)葉體上下止口與橡膠軸承之間的配合間隙是保證長(zhǎng)期運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

（2）分半軸承體間墊青稞紙方法簡(jiǎn)單，導(dǎo)葉體止口受力未得到完全改善，適合在導(dǎo)葉體與橡膠軸承配合間隙不太大情況下使用。

（3）鑲內(nèi)襯和加裝法蘭方案實(shí)踐中證明均存在缺陷，焊接螺栓適用于搶修。

（4）錐形止口受力平衡，承載力大，運(yùn)行可靠性高，但費(fèi)用也高，可在水泵改造時(shí)采用。