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[摘 要]在机械自动化中，混流式水轮机是常见的一种大型设备，本文提出一种采用球面静压轴承的大型混流式水轮机转轮静平衡试验方法。能够直观地反应出转轮不平衡方位，通过简单计算即可准确地得到转轮的不平衡角度和不平衡重量，并可通过配重对整个试验过程进行验证，具有操作简单、直观、摩擦系数小、试验精度高、重复性好等优点，从而促进机械自动化效率的提高，更利于水电工程的竣工与日常运行。
[关键词]混流式水轮机；静压轴承；静平衡试验
中图分类号：TV734.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）04-0340-01
1 相关原理与概念
转轮作为水轮机的核心转动部件，其静平衡质量是影响水轮机运行平稳性的重要因素之一。为满足大型以及巨型转轮的静平衡要求，本文介绍一种采用球面静压轴承方式进行转轮静平衡试验的原理及方法。
目前，200t以上级别超大型混流式水轮机转轮的静平衡，国内以球面轴承平衡法为主，国外采用压力传感器、测杆应变片测试、平面液压推力头三种方法。80年代末，哈电公司以岩滩水轮机转轮为应用对象，结合水轮机转轮的设计目标和依据，在国内独家提出了采用1m直径的大型球面轴承静压平衡200t以上级别的超大型混流式水轮机转轮的工艺方法。
混流机转轮是采用高压油顶起球面静压轴承的方式进行静平衡试验，再加配重块的方式达到转轮的静平衡。测量装置主要由静平衡底座、平衡支架板、平衡球、平衡支座、油路转换装置及供油装置组成。
静压轴承是整个装置最重要部分之一，它应保证球轴承各腔的工作压力均匀，平衡时浮起均匀、稳定。因此要保证球轴承副的形位精度，工作时无异物溅入轴承副内。在油源正常工作的前提下，其安全系数远高于非静压轴承。设计时，在保留原有高精度球轴承副的基础上彻底更新了液压源。根据流体力学的计算，每腔工作压力5～6MPa，按1B2的比例建立固定压差，即单个工作腔的腔压控制在56MPa，液压源的输出压控制在1012MPa。固定压差的承载体为液压比例阀。这样，在平衡过程中发生何种重量、倾斜的变化，受总控制系统操纵的比例阀都会自动启动进行补偿，保证4腔工作油压、油膜厚度在经历极为短暂的瞬间后建立新的平衡。即保证4腔工作油压、油膜厚度恒定在设定值的范围之内，从而建立稳定的静压系统。这种静压系统是保障数日静平衡工作的根基。
控制系统是整套装置的神经中枢。装置研制的目标之一即是控制部分集成化、计算机化。控制的项目有：电子水平仪的倾斜位移转化成电子脉冲数据的采集计算；两套管路流量、压力数据的采集计算；球轴承副各工作腔腔压数据的采集计算；灵敏度数据的采集计算；挂重位置数量和残余不平衡力矩的计算。操作界面为视窗界面。程序采用C语言编制。
管路全部采用不锈钢材质的热轧管。采用简单可靠的大尺寸环管（直径11m）分流方式，从环管分流后从径向呈辐射状爬升至进出油端。4个液压油缸的油管路亦采用不锈钢的热轧无缝钢管，分流方式与主机轴承相同。根据液压反馈原理自行设计制造了液压油缸同步升降的控制系统。由高精度的比例阀来控制液压油缸同步，使同步精度达到0147mm。并且设计制造了4个大型螺旋千斤顶，便于装置不工作时转轮的稳定支撑。
2 试验方法
2.1 底座水平的调整
由于主机的锥形支撑座及两种千斤顶的底平面的有效面积不足，在486t（包括转轮、托轴、联接法兰）正压力的作用下，其压强超过平台的单位面积承载额定值。如没有过渡性平台来增大接触面积，在平衡过程中将产生基础的下沉。为此，设计制造了5块小型平台，其中4块用来支撑油缸、千斤顶，一块用来支撑锥形支撑座。平台为铸钢材质的箱形结构。
将底座、油路转换器及平衡座连接为一体。为消除底座放置不平衡对转轮静平衡产生影响，须对底座的放置严格控制水平。底座就位后通过垫片调整水平，并用框式水平仪侧量其水平度，控制水平在0.02mm以内。
2.2 平衡支架板及平衡球的安装
平衡支架板在静平衡试验中起到吊装转轮及支撑转轮的作用，也参与到转轮的静平衡试验中，因此要尽可能地消除支架板对转轮静平衡试验的影响。首先要对平衡支架板做静平衡配重，使平衡支架板在外圆处的不平衡重量小于0.5kg，再将平衡球与平衡支架板连接起来。
平衡支架板最终与转轮连接时要注意支架板的定位凸台与转轮定位孔之间的间隙均匀确保支架板轴线与转轮轴线同轴.
2.3 系统油压的确定
为保证试验的顺利进行，必须选定合理的油压，油压太低，转轮不能完全浮起；油压太高，压力油温升太快，压力油膜会不稳定。
2.4 系统灵敏度试验
将转轮等分标示后，在下环下平面0°、90°位置各放一只百分表，待转轮静止后置零，记录数据X0、Y0。然后在下环某一位置放置一标准重量为W的砝码，待转轮静止后记录百分表读书X1、Y1及砝码放置半径R0。
2.5 转轮第一次静平衡试验
去除标准砝码，使两只百分表重新回零（理论百分表指示在加砝码前的初始位置），待转轮完全静止后记录0°、90°位置两只百分表读数X0、Y0；然后缓慢旋转转轮180°，使原0°百分表指示转轮180°位置，使原90°位置百分表指示转轮270°位置，记录两只百分表读数X'、Y'，并初步计算出转轮因不平衡引起的绝对倾斜量Xc'、不平衡重量W'、不平衡角度Zu。
2.6 转轮第二次静平衡试验
为确保以上试验计算过程的准确性，在转轮图纸要求配重半径处，放置一塊重量为W1（配重块W1与最终焊接后焊材质量总和近似于Wu）、角度为Zu的配重块，重复以上灵敏度试验及第一次静平衡试验过程，再通过计算验证整个试验计算过程的准确性。
2.7 转轮第三次静平衡试验
通过第二次静平衡试验，验证整个试验过程准确无误后，最终将配重块W1焊接在配重位置，铲磨后进行最终的靜平衡试验，重复以上灵敏度试验及第一次静平衡试验过程，通过计算得出最终的残余不平衡重量。
2.8 泄水锥与转轮的同轴度
由于静平衡工装结构原因，泄水锥未参与到转轮的整个静平衡试验过程中，为确保泄水锥安装对转轮的静平衡产生较小的影响，需严格控制泄水锥与转轮轴线的同轴度。在焊接泄水锥时，分别在泄水锥外圆X、Y方向固定两只百分表，监控整个焊接过程中的变形情况，最终测量出泄水锥与转轮轴线的同轴度Φt。
3 结语
在转轮静平衡试验中，静压轴承是普遍的一种应用方法。这种方法能够比较直接地反应出转轮的方位与平衡性的具体情况，也能够通过简单的计算可以准确地计算出整个转轮的不平衡角度以及不平衡重量，可以通过配重的方式再对整个试验过程进行验证，其方便的操作提高了静平衡试验的效率。在转轮浮起的情况下一人就可轻松地旋转转轮180°，说明其摩擦系数很小，可确保静平衡试验的高精度。因此，该方法具有方便操作、直观、摩擦系数小、试验精度高、重复性好等优点，值得推广。该方法不仅适用于大、巨型转轮，也适用于中型转轮的静平衡试验。对水轮机的转轮进行静平衡的试验，有助于水电设备的正常运行，维护了公司的声誉与利益。
参考文献
[1] 邓佑林，刘钟.泸定电站混流式水轮机设计[J].东方电气评论，2014，（01）：31-36.
[2] 杨勇.转轮立式静平衡工具设计与分析[J].上海大中型电机，2011，（02）：42-44+65.
[关键词]混流式水轮机；静压轴承；静平衡试验
中图分类号：TV734.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）04-0340-01
1 相关原理与概念
转轮作为水轮机的核心转动部件，其静平衡质量是影响水轮机运行平稳性的重要因素之一。为满足大型以及巨型转轮的静平衡要求，本文介绍一种采用球面静压轴承方式进行转轮静平衡试验的原理及方法。
目前，200t以上级别超大型混流式水轮机转轮的静平衡，国内以球面轴承平衡法为主，国外采用压力传感器、测杆应变片测试、平面液压推力头三种方法。80年代末，哈电公司以岩滩水轮机转轮为应用对象，结合水轮机转轮的设计目标和依据，在国内独家提出了采用1m直径的大型球面轴承静压平衡200t以上级别的超大型混流式水轮机转轮的工艺方法。
混流机转轮是采用高压油顶起球面静压轴承的方式进行静平衡试验，再加配重块的方式达到转轮的静平衡。测量装置主要由静平衡底座、平衡支架板、平衡球、平衡支座、油路转换装置及供油装置组成。
静压轴承是整个装置最重要部分之一，它应保证球轴承各腔的工作压力均匀，平衡时浮起均匀、稳定。因此要保证球轴承副的形位精度，工作时无异物溅入轴承副内。在油源正常工作的前提下，其安全系数远高于非静压轴承。设计时，在保留原有高精度球轴承副的基础上彻底更新了液压源。根据流体力学的计算，每腔工作压力5～6MPa，按1B2的比例建立固定压差，即单个工作腔的腔压控制在56MPa，液压源的输出压控制在1012MPa。固定压差的承载体为液压比例阀。这样，在平衡过程中发生何种重量、倾斜的变化，受总控制系统操纵的比例阀都会自动启动进行补偿，保证4腔工作油压、油膜厚度在经历极为短暂的瞬间后建立新的平衡。即保证4腔工作油压、油膜厚度恒定在设定值的范围之内，从而建立稳定的静压系统。这种静压系统是保障数日静平衡工作的根基。
控制系统是整套装置的神经中枢。装置研制的目标之一即是控制部分集成化、计算机化。控制的项目有：电子水平仪的倾斜位移转化成电子脉冲数据的采集计算；两套管路流量、压力数据的采集计算；球轴承副各工作腔腔压数据的采集计算；灵敏度数据的采集计算；挂重位置数量和残余不平衡力矩的计算。操作界面为视窗界面。程序采用C语言编制。
管路全部采用不锈钢材质的热轧管。采用简单可靠的大尺寸环管（直径11m）分流方式，从环管分流后从径向呈辐射状爬升至进出油端。4个液压油缸的油管路亦采用不锈钢的热轧无缝钢管，分流方式与主机轴承相同。根据液压反馈原理自行设计制造了液压油缸同步升降的控制系统。由高精度的比例阀来控制液压油缸同步，使同步精度达到0147mm。并且设计制造了4个大型螺旋千斤顶，便于装置不工作时转轮的稳定支撑。
2 试验方法
2.1 底座水平的调整
由于主机的锥形支撑座及两种千斤顶的底平面的有效面积不足，在486t（包括转轮、托轴、联接法兰）正压力的作用下，其压强超过平台的单位面积承载额定值。如没有过渡性平台来增大接触面积，在平衡过程中将产生基础的下沉。为此，设计制造了5块小型平台，其中4块用来支撑油缸、千斤顶，一块用来支撑锥形支撑座。平台为铸钢材质的箱形结构。
将底座、油路转换器及平衡座连接为一体。为消除底座放置不平衡对转轮静平衡产生影响，须对底座的放置严格控制水平。底座就位后通过垫片调整水平，并用框式水平仪侧量其水平度，控制水平在0.02mm以内。
2.2 平衡支架板及平衡球的安装
平衡支架板在静平衡试验中起到吊装转轮及支撑转轮的作用，也参与到转轮的静平衡试验中，因此要尽可能地消除支架板对转轮静平衡试验的影响。首先要对平衡支架板做静平衡配重，使平衡支架板在外圆处的不平衡重量小于0.5kg，再将平衡球与平衡支架板连接起来。
平衡支架板最终与转轮连接时要注意支架板的定位凸台与转轮定位孔之间的间隙均匀确保支架板轴线与转轮轴线同轴.
2.3 系统油压的确定
为保证试验的顺利进行，必须选定合理的油压，油压太低，转轮不能完全浮起；油压太高，压力油温升太快，压力油膜会不稳定。
2.4 系统灵敏度试验
将转轮等分标示后，在下环下平面0°、90°位置各放一只百分表，待转轮静止后置零，记录数据X0、Y0。然后在下环某一位置放置一标准重量为W的砝码，待转轮静止后记录百分表读书X1、Y1及砝码放置半径R0。
2.5 转轮第一次静平衡试验
去除标准砝码，使两只百分表重新回零（理论百分表指示在加砝码前的初始位置），待转轮完全静止后记录0°、90°位置两只百分表读数X0、Y0；然后缓慢旋转转轮180°，使原0°百分表指示转轮180°位置，使原90°位置百分表指示转轮270°位置，记录两只百分表读数X'、Y'，并初步计算出转轮因不平衡引起的绝对倾斜量Xc'、不平衡重量W'、不平衡角度Zu。
2.6 转轮第二次静平衡试验
为确保以上试验计算过程的准确性，在转轮图纸要求配重半径处，放置一塊重量为W1（配重块W1与最终焊接后焊材质量总和近似于Wu）、角度为Zu的配重块，重复以上灵敏度试验及第一次静平衡试验过程，再通过计算验证整个试验计算过程的准确性。
2.7 转轮第三次静平衡试验
通过第二次静平衡试验，验证整个试验过程准确无误后，最终将配重块W1焊接在配重位置，铲磨后进行最终的靜平衡试验，重复以上灵敏度试验及第一次静平衡试验过程，通过计算得出最终的残余不平衡重量。
2.8 泄水锥与转轮的同轴度
由于静平衡工装结构原因，泄水锥未参与到转轮的整个静平衡试验过程中，为确保泄水锥安装对转轮的静平衡产生较小的影响，需严格控制泄水锥与转轮轴线的同轴度。在焊接泄水锥时，分别在泄水锥外圆X、Y方向固定两只百分表，监控整个焊接过程中的变形情况，最终测量出泄水锥与转轮轴线的同轴度Φt。
3 结语
在转轮静平衡试验中，静压轴承是普遍的一种应用方法。这种方法能够比较直接地反应出转轮的方位与平衡性的具体情况，也能够通过简单的计算可以准确地计算出整个转轮的不平衡角度以及不平衡重量，可以通过配重的方式再对整个试验过程进行验证，其方便的操作提高了静平衡试验的效率。在转轮浮起的情况下一人就可轻松地旋转转轮180°，说明其摩擦系数很小，可确保静平衡试验的高精度。因此，该方法具有方便操作、直观、摩擦系数小、试验精度高、重复性好等优点，值得推广。该方法不仅适用于大、巨型转轮，也适用于中型转轮的静平衡试验。对水轮机的转轮进行静平衡的试验，有助于水电设备的正常运行，维护了公司的声誉与利益。
参考文献
[1] 邓佑林，刘钟.泸定电站混流式水轮机设计[J].东方电气评论，2014，（01）：31-36.
[2] 杨勇.转轮立式静平衡工具设计与分析[J].上海大中型电机，2011，（02）：42-44+65.