大中型离心泵叶轮全自动拆装装置的应用

陈 金

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃白银 730400）

0 引言

甘肃省景泰川电力提灌工程（以下简称“景电工程”）是跨省区、高扬程、多梯级、大流量的大II 形提溉项目，设计流量28.6 m3/s，加大流量33 m3/s，灌区面积97.67 万亩（6.51×108m2）。经过近几年的更新改造，目前已经达到41.35 m3/s，灌溉面积达120 万亩（8.00×108m2）。灌区设计泵站43 座，共安装机组266台套，总装机容量25.97 万千瓦。建成以来，灌区年产生直接经济效益3.2 亿元，同时也取得了显著的社会效益和生态环境效益，为当地社会经济快速发展奠定了基础。

景电工程每年运行时间长达260 d，水泵周期性大修只能在冬季停水期进行，天气冷、时间紧、任务重。叶轮是水泵最核心的部件，由于持续大功率运行，汽蚀和水流对叶轮的冲刷效应特别明显。通常情况下两个日历灌溉年就需要更换水泵叶轮，在遇到突发问题如叶轮突然损坏时需要及时更换叶轮。现有的保障工装由于年代久远、功能单一、机件老旧，已不能满足当前检修任务的需要，因此急需性能良好、工作可靠、自动化程度高的工装设备。

1 叶轮拆装存在的问题及应对措施

1.1 存在问题

1.1.1 水泵叶轮的拆装难度大

叶轮和叶轮轴由不锈钢材料制成，流量3.6 m3/s 的水泵叶轮直径约1.25 m、厚65 cm，单件重量超过1 t；叶轮轴最大直径18 cm、长2.4 m，单根重量也超过1 t，两件合在一起总重量达到2.4 t。由于重量和体积超大，加大了现场作业的难度。现场可以使用的主要工具只有1 台天车、1 具带100 t 千斤的支架以及数根加长用顶杆，由于操控过程条件有限，操作难度很大，同时也存在很大的安全隐患。

1.1.1.1 叶轮轴轴线与千斤轴轴线对准难度大

拆装叶轮时，首先将叶轮和轴整体吊放在支架上，并用支架挡板挡住叶轮，然后使用千斤顶将叶轮轴硬性顶出。顶出时要求叶轮轴、千斤顶、顶杆轴线同轴，但仅依靠1 台天车很难作到。同时，由于不同直径的叶轮轴使用同1 具支架，对心同轴工作更加困难。对心过程为：目视观察—低了—天车吊起—增加垫块—再观察—还低—再吊起—增加或更换垫块—再观察……。仅此一项工作往往需要至少半个工作日。由于千斤顶行程有限，在压出叶轮轴时通常需要在千斤顶顶杆端分步两次加装加长顶杆，这使得偏心现象成为一种常态。

1.1.1.2 叶轮拆卸成功率低

由于叶轮轴与千斤顶杆对心时不能完全对正，这时用千斤顶顶杆顶出，在压力作用下，叶轮轴端部与千斤顶顶杆端部接合处翘起、脱开就成为必然。这就需要重新对心，如此反复操作几次，叶轮轴与叶轮会越粘越紧，最后只能破坏性拆解——要么破坏叶轮、要么破坏叶轮轴。近年来这种情况就发生过3 次。一台1200S56 型双相不锈钢叶轮单价38 万元，叶轮轴单价17 万元，破坏任何一个都会带来巨大的经济损失。另外，千斤顶翘头一旦脱开，两个加长顶杆就会飞出，可能造成严重安全事故。

在叶轮轴顶出过程中，如果叶轮轴轴向受力线与轴线距离太大，就会造成叶轮轴孔周向受力不均。当受力不均的峰值超过材料的屈服强度时，就会引起叶轮拆装中孔内表面或轴上叶轮安装部位的外表面撕裂、或二者同时撕裂。一旦撕裂开始，二者装配面的接触阻力会急剧增大而且不可逆转，从而导致只有通过破坏其中一件才能将二者分开。结构上千斤顶只支持压力顶出、不能自动收回，收回时完全依靠人力、费时费力，且100 t 的最大压力偏小，在某些特殊工况下无法将叶轮轴压出。

1.1.1.3 叶轮装配难度大

与叶轮拆卸过程一样，叶轮装配时首先需要将叶轮轴孔与叶轮轴中线对正，由于重量操作非常困难。通常是在地面将叶轮轴穿过叶轮轴孔，再将二者整体吊放在装配支架上，使用天吊通过目测法使用垫块将叶轮轴与千斤顶顶杆轴对齐，再使用天车通过目测法将叶轮中孔轴线与叶轮轴轴线对齐，最后使用千斤顶压入。这一过程中存在的问题与拆卸时是相同的，而且装配时需要两次轴线对齐，再加上加长顶杆的使用，多数工况都处于对不齐的状态，这样千斤顶压入叶轮轴时难度非常大。经常出现压入叶轮轴时由于多条轴线不共线所引起的叶轮轴轴肩损坏，由于叶轮轴孔与叶轮轴是公差配合安装，稍许损坏就导致叶轮轴无法压入，有时甚至会损坏叶轮轴轴端，导致轴承无法正常装入，甚至会使叶轮轴变形、挠度超标，使叶轮变形失去动平衡。无论是哪种问题都有可能导致之前所做的全部工作推倒重来，严重的会导致叶轮或叶轮轴报废。最好的结果是设备能用，但其可靠性大大降低、使用寿命大大缩短。

1.1.1.4 叶轮拆装时叶轮轴损失大

在叶轮拆卸过程中还会造成叶轮轴的叶轮安装部位和叶轮轴上调整紧固叶轮位置的螺纹容易造成拉伤，拉伤部位需要采用激光熔覆技术修复，修复难度大、成本高。

1.1.2 设备维修速度慢

确保灌区用水是灌溉工程的核心工作，但由于水泵故障时不能及时维修而导致供水量下降的情况时有发生。一旦某台水泵出现问题，其他各泵站供水流量不能匹配，运行中的水泵也要被迫停止，这样全系统供水量就减小了，进而影响到灌区的适时适量灌溉。供水量一旦减小，会导致农业减产，严重时会诱发区域农户返贫。因而保持各水泵的正常工作和出现问题之后的快速维修，是各泵站全面工作中的重中之重。大中型泵站配备1 个检修班组，每班4 人，除了正常的日常巡检设备、巡修地工作外，一旦发现故障就立即组织维修力量进行维修。受限于维修保障装备的技术条件，正常情况下一个检修班组通常平均需要一周（7 d）的时间才能完成一台水泵叶轮更换及水泵组装恢复，局部农业减产不可避免。

1.1.3 维修保障设备落后

维修保障设备是一线维修保障人员完成维修保障工作的依靠。在工程建成初期，为了保障水泵叶轮的更换工作，为每个泵站均配置了叶轮更换装备，即天车、一台带100 t 千斤顶的支架、数根加长顶杆，这是维修保障班组仅可使用的保障设备。面对重量大、体积大、不同型的水泵叶轮，任务推进速度非常缓慢。经过几十年的长时间使用，跑冒滴漏和结构变形问题十分严重，有时对维修保障设备本身的维修就占用了保障班组的大量时间，维修保障难度高，工作安全性更是面临着巨大挑战。

1.2 应对措施

面对巨大的钢质结构件和老旧的维修保障设备，有些问题无法在现场解决，但为了尽可能完成即定的灌溉任务，保障班组想尽可能的手段和措施。

（1）加大巡检力度。对可能出现的问题尽早发现，及时解决。对43 所泵站进行划片管理，定期进行检查巡视，与泵站值守人员联合值班，尽可能提前发现问题。

（2）注重维修保障设备的维修。常用耗材和零部件每年都划拔专项经费，能够保证库存充足，但是设备维修保障由于具有突发性和临时性，维修过程支出巨大、动辄数万元，保障经费经常不足。主要依靠内部力量临时修理，虽然付出了巨大努力，但由于维修能力有限，维修后设备的可靠性不高。

（3）利用叶轮全自动拆装装置替换老旧落后的拆装装置。

2 叶轮全自动拆装装置

2.1 装置简介

叶轮全自动拆装装置是基于先进控制单元和自动控制逻辑设计，实现全自动叶轮拆卸和装配，以及半自动叶轮拆卸和安装两种操作形式。

（1）拆卸叶轮时，将叶轮轴和叶轮整体正确吊装于拆装机工位，操作人员可实现一键拆卸。

（2）安装叶轮时，将叶轮轴穿入叶轮中孔后吊放于拆装机安装工位，叶轮轴和叶轮安装位对正后，操作人员可分步实现对叶轮轴和叶轮的套装。通过在关键部位布设相应传感器，实时感知各部件的工作状态，并在触摸屏显示，方便操作人员对设备状态监控。

2.2 装置特性

（1）基于控制器的全程智能自动化控制和自锁纠错，减少工作过程中的人为因素，提高拆装成功率和工作效率。

4.2.2 教学重点 定理Heine归结定理与证明，利用Heine归结定理证明函数极限不存在的两种方法。

（2）水电站水泵由于防腐的要求，传动轴和叶轮采用不锈钢材料，由于材料的特殊粘结特性，在拆卸的过程中由于相对运动，容易产生粘结，要求传动轴和叶轮中心线在相对运动中始终保持同轴，该设备在设计中充分体现了这一特性。

（3）具有手动控制和自动控制两种工作模式，扩大设备的使用范围和操作安全性。

（4）针对水电站水泵轴长度叶轮直径较大、结构重量大，采用卧式结构，提高了设备的稳定性和操作安全性。

（5）自动化程度高、操作简单，减少操作人员的工作强度并保证操作过程安全性。

2.3 装置构成

叶轮拆装机主要由底座、床头箱、工作台、承力导向杆、支撑箱、对准机构、锁紧器、对心套、千斤顶、操控台等部分组成（图1）。

图1 叶轮拆装台结构

（1）底座上设有各部件的安装位置、负责将其他零部件组合安装在一起，同时安装有工作台前后限位传感器和工作台位置传感器，确保工作台前后移动时不超出工作位置。

（2）支撑箱的作用是负责支撑承力导向杆的左端。

（3）承受力的导向杆共两根，分别安装在床头箱和支撑箱上，工作台前后移动时通过承力导向杆导向，在叶轮拆装过程中承担主要拉力。

图2 工作台结构

（5）右承力箱，负责支撑承力导向杆的右端，其上安装有400 t 千斤顶、液压接头、液压电磁阀、千斤顶杆位移传感器。千斤顶所产生的推力将卡装在工作台上的叶轮轴向后推出；两个液压接头连接外部液压源，为千斤顶提供工作压力；液压电磁阀由操纵台控制系统控制，是千斤顶顶杆伸缩的液压开关；位移传感器实时感知千斤顶杆伸出长度。

（6）配套有多个型号对心套，可根据需要安装在工作台上，以适应不同直径叶轮轴的装卸需求。

（7）锁紧器由一对锁片和电动推杆构成。一对锁片由根部扇齿互相啮合，电动推杆推拉其中一个锁片，另外一个锁片对称张合，从而完成对工作台的上锁或松开。

（8）对准机构和工作台一体安装，左右各布有一个手轮，摇动手轮可改变对准轮的开合度。其有两个作用：一是在拆卸叶轮时，通过改变对准轮的开合度、适应不同直径叶轮，可作为叶轮的脱开叶轮轴时的承力机构；二是在装载叶轮时，通过改变对准轮的开合度、适应不同直径叶轮，可将叶轮顶起，使得叶轮中心轴孔与对心套及千斤顶顶杆同轴（图3）。

操控台完成对叶轮拆装机的操作控制，设计有手动和自动两种工作模式：手动模式时，操作人员可单独完成比如千斤顶顶杆的伸出和缩回、以及工作台的前后移动和上锁解锁；自动模式时，系统按照预定工作流程自动完成千斤顶顶杆的反复伸缩和工作台的分步送进和上锁解锁。

2.4 工作原理

2.4.1 拆卸叶轮

拆卸叶轮时，首先按下操控台上的手动按钮，使操控台处于手动工作模式，再按下千斤顶收回按钮完全收回千斤顶顶杆；换装与叶轮轴匹配的工作台垫块，使用天车将叶轮及叶轮轴吊装于工作台上，调整工作台对准装置，使叶轮轴水平并与千斤顶轴线同轴；按下操作台前进/后退按扭，使操作台处于承力导向杆的适当位置，并确保工作台锁紧器上锁（图4）。

图4 叶轮轴拆卸原理

按下操控台上的自动按钮，使操控台处于自动工作模式。按下启动按钮，叶轮拆装机开始自动拆卸叶轮工作，在此过程中工作台会不断实现自动上锁、解锁、自动向前送进，千斤顶顶杆会反复收缩，直至将叶轮轴顶出。

2.4.2 安装叶轮

安装叶轮时，首先将叶轮轴穿入叶轮中孔的适当位置，使用天车将其吊放于工作台的叶轮安装工位。调整工作台对准装置，使叶轮中轴对准工作台卡位中心，同时使叶轮轴线与千斤顶轴线对准。按下操控台上的手动按钮，使操控台处于手动工作模式。使用“边对准边顶进”的策略，不断摇动对准机构手轮，待叶轮轴与叶轮中孔完全对正后，点动按下操作台上千斤顶顶进按钮，并根据需要不断对叶轮轴与叶轮中孔，采取对正措施，直至叶轮和轴完全压进、装入。在此过程中，需要数次手动操作操控台的相关按钮，使工作台重复“解锁—前进—上锁”的动作，需要数次手动操作操控台的相关按钮，使千斤顶重复“顶进—收回”的动作。

控制系统的工作原理如图5 所示。

图5 控制系统信号原理

3 效益分析

3.1 经济效益

一台1200S56 型双相不锈钢叶轮单价38 万元，叶轮轴单价17 万元，破坏任何一个都会带来巨大的经济损失。但是只要对当前维修保障设备进行适当的技术升级或改造，这种损失是可以避免的。实际上，在水泵叶轮的拆装过程中，一旦叶轮和轴受到损坏就需要转运至专业工厂进行激光熔覆补损和再次机械加工才能修复，由于维修时间很长，这会导致水泵停工而引起的局部农业减产，对灌区造成巨大的经济损失，甚至会造成区域农户返贫，阻碍当地幸福乡村的建设工作。因此，对水泵维修保障设备进行技术升级，将非常有益于灌区经济的发展。

3.2 社会效益

根据前期在各灌区所开展的“提高各泵站水泵叶轮维修工作效率”专题调研情况来看，景电工程所面临的问题与“兴电工程”“靖会工程”等数十个灌溉工程是一样的。为提升水泵叶轮维修保障工作效率，景电工程率先提出“智能全自动水泵叶轮拆装机”研制生产项目，对解决黄河上游数十个灌区各泵站水泵叶轮更换工作具有重要借鉴意义，该项目将具有极大推广前景和推广价值，对灌区土地的保收丰产工作意义重大。

4 总结

使用叶轮全自动拆装装置，不仅能简化叶轮拆装工作流程，实现“一键拆装”，减少检修人数数量、缩短叶轮拆装时间、提高检修工作效率，还可以降低拆装过程中轴和叶轮的损伤率，消除顶杆飞出的安全隐患，保障现场设备和人员的安全，为灌区农作物的适时适量灌溉提供有力支撑。