天平式静平衡装置及其实现的水轮机转轮静平衡工艺

摘要

本发明公开了一种天平式静平衡装置及其实现的水轮机转轮静平衡工艺，天平式静平衡装置，包括从上至下依次设置的过渡盘、天平刀口盘和底座，过渡盘与天平刀口盘为同心设置且两者通过一竖直的转轴铰接，天平刀口盘的下表面设有凸棱，凸棱底端设有一条棱线，凸棱通过所述棱线与底座相接触，在凸棱的两侧各设一压力传感器。水轮机转轮静平衡工艺，是利用天平式静平衡装置，将水轮机转轮放置于定心环上，并通过转动天平刀口盘转至不同测量位置得到不同压力传感器读数计算得出水轮机转轮不平衡量大小和位置。本发明是克服现有技术的缺点，提供一种灵敏度高、结构简单、操作方便、成本低廉、适用范围广的天平式静平衡工装及水轮机转轮工艺。

说明书

技术领域

本发明属于机电一体化检测技术领域，具体涉及一种天平式静平衡装置及水轮机转轮静平衡工艺。 

背景技术

水轮机的转轮属于大型旋转部件，由于其内部结构复杂，在加工、装配和检修之后很难保证其质心正好在其旋转轴线上。静平衡工艺的目的就是找出其不平衡量的大小和位置，并通过添加或去除质量块的方法减小或消除不平衡量，从而实现水轮机的安全稳定运行。 

申请号为200810045399.X的中国专利“水电机组传动件底座球面静压装置”和申请号为201110262941.9的中国专利“水轮机转轮三点称重式静平衡装置及静平衡工艺”是两种目前较为先进的静平衡工艺。前者利用静压油膜改善了球面支撑处的摩擦和点面接触条件，使其能用于大吨位转轮的静平衡实验。但这种平衡工艺工装复杂、成本较高、平衡周期长。后者主要运用在三个大量程压力传感器称量转轮的重量，再根据静力平衡原理求出转轮配重的大小和位置。这种平衡工艺存在的不足在于：三个压力传感器须承受转轮的全部重量，当转轮吨位较大时，必须采用大量程传感器。而大量程传感器的灵敏度较低，制约了静平衡工艺精度的提高。另外，转轮的起吊过程很难保证转轮的旋转轴线能精确地落在三个压力传感器分布圆的圆心处。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种灵敏度高、结构简单、操作方便、成本低廉、适用范围广的天平式静平衡工装及水轮机转轮工艺。 

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种天平式静平衡装置，包括从上至下依次设置的过渡盘、天平刀口盘和底座，过渡盘与天平刀口盘为同心设置且两者通过一竖直的转轴铰接，天平刀口盘的下表面设有位于转轴正下方的凸棱，凸棱底端设有一条水平延伸的棱线，凸棱通过所述棱线与底座相接触，在凸棱的两侧各设一位于天平刀口盘与底座之间的压力传感器。 

所述过渡盘和天平刀口盘均为圆盘状，棱线为天平刀口盘的直径线，棱线两侧的凸棱形状对称，两压力传感器也在棱线两侧对称设置。 

所述底座的顶面为水平面，凸棱通过其棱线与底座顶面为线面接触。 

所述过渡盘的上、下表面分别设有向上内收、向下内收的圆台，所述圆台与过渡盘同心设置，天平刀口盘的上表面设有环形凸出部分，凸出部分的内环面设有与过渡盘下表面圆台锥面相适配的锥面；过渡盘上侧设有定心环，定心环的内侧面设有与过渡盘上表面圆台锥面相适配的锥面。 

所述过渡盘下表面的圆台侧面周圈均布设置四个销轴孔，天平刀口盘的凸出部分上对称设有两销轴孔，过渡盘圆台的销轴孔与天平刀口盘凸出部分的销轴孔位置相对应且两者通过两圆锥销连接。 

所述定心环的上表面内外间隔设有两圈环形凸起，外圈环形凸起装配有调整螺钉，并且调整螺钉横向向内穿出外圈环形凸起。 

所述定心环与过渡盘为可拆卸连接。 

过渡盘伸出天平刀口盘外围的下侧设有千斤顶。 

底座下侧设有基座，底座与基座之间设有调节楔块。 

水轮机转轮静平衡工艺，包括如下步骤：（1）先设置上述的天平式静平衡装置，将水轮机转轮的环形座放置于定心环的两环形凸起之间，并通过调节调整螺钉使水轮机转轮与定心环、过渡盘和天平刀口盘同心设置；水轮机转轮以及天平式静平衡装置安装定位好后，第一次记录两压力传感器的读数，（2）然后在天平刀口盘相对过渡盘转动180°的位置时，第二次记录两压力传感器读数，（3）继续在天平刀口盘相对过渡盘转动90°的位置时，第三次记录两压力传感器读数，（4）继续在天平刀口盘相对过渡盘转动180°的位置时，第四次记录两压力传感器读数，（5）利用第一次至第四次记录的两压力传感器的读数，计算水轮机转轮不平衡量的大小和位置。 

 本发明所述的天平式静平衡装置及其实现的水轮机转轮静平衡工艺，采用的天平刀口盘与底座的接触结构属于线面接触，而传统静平衡工艺采用的钢球镜板式结构属于点面接触，线面接触的承重能力强、接触面积小，使该能适用于大吨位转轮的静平衡实验。相比专利200810045399.X采用的静压油膜改善传统的钢球镜板式静平衡工艺的方法，该天平式静平衡装置的成本更低，采用两个小量程传感器相比专利201110262941.9采用三个大量程传感器的方法，该静平衡工艺的灵敏度和精度更高。该平衡工艺采用机械定位方式，保证测量计算的坐标原点始终位于转轮的旋转轴上，确保了测量计算的有效性。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是过渡盘的结构示意视图；

图3是天平刀口盘的结构示意图。

具体实施方式

实施例1： 

由图1、图2和图3所示的一种天平式静平衡装置，包括从上至下依次设置的定心环19、过渡盘4、天平刀口盘10、底座7和基座11。

定心环19、过渡盘4与天平刀口盘10三者为同心水平设置，即三者的垂直中心线重合。所述定心环19为圆环状，过渡盘4和天平刀口盘10均为圆盘状。 

所述过渡盘4的上、下表面分别设有向上内收、向下内收的圆台，圆台的中心线与过渡盘4中心线重合，圆台与过渡盘4同心设置。由于定心环19设置于过渡盘4的上侧，所以定心环19的内环面设有与过渡盘4上表面圆台锥面相适配的锥面，这样，过渡盘4与定心环19通过圆锥面紧密配合；天平刀口盘10的上表面设有环形凸出部分20，凸出部分20的内侧面为与过渡盘4下表面圆台锥面相适配的锥面，这样，过渡盘4与天平刀口盘10也通过圆锥面紧密配合。过渡盘4和天平刀口盘10通过一竖直的转轴17铰接，转轴17固设于天平刀口盘10上表面并与天平刀口盘10为一体式结构。过渡盘4设有用于穿插转轴17的中心孔，中心孔为贯穿过渡盘4及其上、下表面的圆台的阶梯孔，转轴17插入中心孔内并与过渡盘4之间设置向心推力轴承16，向心推力轴承16上侧的转轴17上装配有定位螺母18，向心推力轴承16以及定位螺母18均位于阶梯孔的上侧扩口内。转轴17的轴线与定心环19、过渡盘4和天平刀口盘10三者的垂直中心线重合，并且转轴17的轴线为天平刀口盘10的回转中心线。 

天平刀口盘10的下表面设有位于转轴17正下方的凸棱9，凸棱9底端设有一条水平延伸的棱线8，凸棱9截面为倒置的等腰三角形，棱线8由该等腰三角形倒置的顶角形成，棱线8为天平刀口盘10的直径线，棱线8两侧的凸棱9形状对称。 

凸棱9通过所述棱线8与底座7相接触，所述底座7的顶面为水平面，凸棱9通过其棱线8与底座7顶面为线面接触。在凸棱9的两侧各设一位于天平刀口盘10与底座7之间的压力传感器13，并且两压力传感器13也在棱线8两侧对称设置，压力传感器13固设于天平刀口盘10下表面，两压力传感器13为同型号的小量程压力传感器。 

所述过渡盘4下表面的圆台侧面周圈均布设置四个销轴孔21，天平刀口盘10的凸出部分20上对称设有两销轴孔22，同时过渡盘4的四个销轴孔21也为环绕转轴17均布设置，相邻两销轴孔22环绕转轴17轴线的夹角为90°；天平刀口盘10的两销轴孔22也为环绕转轴17轴线对称设置。过渡盘4圆台的销轴孔与天平刀口盘10凸出部分20的销轴孔位置相对应且过渡盘4圆台和天平刀口盘10通过两横置的圆锥销14连接。天平刀口盘10可相对过渡盘4转动，当转动至所需测量位置后，将两圆锥销14打入天平刀口盘10的两销轴孔22和相匹配的过渡盘4的两销轴孔22，以固定天平刀口盘10与过渡盘4的相对位置、起到精确定位的作用，测量后拔出两圆锥销14继续转动天平刀口盘10至另一所需测量位置，再次打入两圆锥销14定位，由于过渡盘4设置有四个销轴孔21、天平刀口盘10设置两个，所以本例中天平刀口盘10可转动角度为90°或180°。当然，本发明不拘泥于上述形式，天平刀口盘10可转动任意所需角度，并且天平刀口盘10与过渡盘4的销轴孔的位置和数量可根据需要自定。 

所述定心环19与过渡盘4通过螺栓5连接，定心环19的上表面内外间隔设有两圈环形凸起15，外圈环形凸起15周圈均布装配有四个调整螺钉3，并且调整螺钉3横向向内穿出外圈环形凸起15，水轮机转轮1的环形止口可放置于两圈环形凸起15之间，所述螺栓5将水轮机转轮1、定心环19与过渡盘4固定在一起，调整螺钉3的端部与水轮机转轮1的断面相抵，以此来调整转轮1的中心线使之与定心环19、过渡盘4、天平刀口盘10同心。过渡盘4伸出天平刀口盘10外围的下侧设有液压千斤顶6，液压千斤顶6环绕过渡盘4周圈均布设置有四个，计算机同步控制四个液压千斤顶6的缓慢上升和下降速度，避免了转轮1发生倾翻和凸棱9棱角遭受冲击破坏。在水轮机转轮1装配在定心环19上后，液压千斤顶6可向上顶起天平刀口盘10，继而抬高水轮机转轮1、定心环19、过渡盘4以及天平刀口盘10并完全承重，使凸棱9离开底座7，在去掉天平刀口盘10的两圆锥销14后，可使天平刀口盘10相对过渡盘4转动一定角度后，重新将水轮机转轮1、定心环19、过渡盘4以及天平刀口盘10放置于底座7上，这时底座7完全承重，再次通过两压力传感器13记录压力值。基座11位于底座7下侧，底座7与基座11之间设有调节楔块12,用于将底座7调平，使底座7的顶面达到实验所需的水平度。 

实施例2： 

水轮机转轮1静平衡工艺，包括如下步骤：（1）先设置如实施例1所述的天平式静平衡装置，将水轮机转轮1的环形座放置于定心环19的两环形凸起15之间，并通过调节调整螺钉3使水轮机转轮1与定心环19、过渡盘4和天平刀口盘10同心设置，水轮机转轮1以及天平式静平衡装置安装定位好后，第一次记录两压力传感器13的读数，其具体操作过程如下：1.清理现场，将底座7放置在基座11上并调平，以底座7为中心在同一圆周上均匀安放四个液压千斤顶6。2.将装有压力传感器13的天平刀口盘10与过渡盘4同心配合，并用圆锥销14定位，将过渡盘4与天平刀口盘10组合件的凸棱9朝下放置在底座7上，检查两传感器的读数是否相同，若不相同则需在过渡盘4处增加配重使二者读数相同。90°变换天平刀口盘10与过渡盘4的配合位置并再次增加配重使两传感器读数相同。3.将转轮1止口端面朝上放置，在转轮1的环形止口处安装定心环19，调整定心环19的四个调整螺杆使定心环19与转轮1同心。将测试调整合格的过渡盘4与天平刀口盘10的组合件安装在定心环19上，再用螺栓5将过渡盘4和定心环19一同固定在转轮1的止口端面上。4.翻转已安装有天平刀口盘10、过渡盘4和定心环19的转轮1，使其止口端面朝下。5.用吊车吊装转轮1底座7上方、天平刀口盘10距离底座7上方约10cm位置，启动液压千斤顶6，使液压千斤顶6向上伸出并支撑于过渡盘4下侧，使得转轮1以及天平刀口盘10、过渡盘4和定心环19完全承重在液压千斤顶6上。6.利用液压千斤顶6使转轮1缓慢下落至底座7上，使天平刀口盘10凸棱9的棱线8与底座7上表面线面接触，使底座7完全承受转轮1的重量，待两传感器的读数稳定时，分别记录其读数F_x1、F_x2。F_x1、F_x2即为两压力传感器13第一次记录的读数。

（2）利用液压千斤顶6向上伸出顶起过渡盘4，使棱线8上升至底座7上方，拔出两个起定位作用的圆锥销14，将天平刀口盘10旋转180°后再打入两圆锥销14定位，利用液压千斤顶6使转轮1缓慢下落至底座7上，使天平刀口盘10凸棱9的棱线8与底座7上表面线面接触，使底座7完全承受转轮1以及天平刀口盘10、过渡盘4和定心环19的重量，实现在天平刀口盘10相对过渡盘4转动180°的位置时，并第二次记录两压力传感器13读数，读数记为F_x1′、F_x2′。 

（3）继续在天平刀口盘10相对过渡盘4转动90°的位置时，第三次记录两压力传感器13读数：F_y1、F_y2，其操作与步骤（2）相似：再次利用液压千斤顶6向上伸出顶起过渡盘4，使棱线8上升至底座7上方，拔出两个起定位作用的圆锥销14，将天平刀口盘10接着旋转90°后再打入两圆锥销14定位，利用液压千斤顶6使转轮1缓慢下落至底座7上，使天平刀口盘10凸棱9的棱线8与底座7上表面线面接触，使底座7完全承受转轮1以及天平刀口盘10、过渡盘4和定心环19的重量，接着记录两压力传感器13读数F_y1、F_y2。 

（4）继续在天平刀口盘10相对过渡盘4转动180°的位置时，第四次记录两压力传感器13读数：F_y1′、F_y2′，其操作与步骤（2）相似：再次利用液压千斤顶6向上伸出顶起过渡盘4，使棱线8上升至底座7上方，拔出两个起定位作用的圆锥销14，将天平刀口盘10接着旋转180°后再打入两圆锥销14定位，利用液压千斤顶6使转轮1缓慢下落至底座7上，使天平刀口盘10凸棱9的棱线8与底座7上表面线面接触，使底座7完全承受转轮1以及天平刀口盘10、过渡盘4和定心环19的重量，接着记录两压力传感器13读数F_y1′、F_y2′。 

（5）利用第一次至第四次记录的两压力传感器13的读数，计算水轮机转轮1不平衡量的大小和位置。以天平刀口盘10的旋转中心为原点，设F_x1和F_y1所在的位置分别为x轴和y轴的正方向。若压力传感器13到刀口所在直线的距离为R，则不平衡重力值F与偏心距r的乘积Fr的大小和偏心相位角β的计算如下： 

下面以某转轮为例进行具体说明：

已知：某转轮重量M约为220t，转轮最高转速为250r/min；

根据GB/T9239.1-2006，该转轮的平衡等级取G6.3，求得：

许用不平衡量U_der==52.94kg.m

压力传感器13到刀口所在直线的距离R=2m；

 

读数F_x1F_x2F_x1′F_x2′F_y1F_y2F_y1′F_y2′单位（N）699.641700.36674.241686.31609.931790.07599.561801.43

代入求得Fr=3118.5 N.m=318.2kg.m

β=0.7106rad=40.71°

实际m*e=220t*1.562mm=343.64kg.m

     β=0.6947rad=39.80°

在上冠内侧直径2890mm，角度220.71°处增加配重220.2kg后，剩余不平衡量U=343.64kg.m-318.2kg.m=25.44kg.m＜U_der。