齒差驅動式水泵葉片角度在役調節技術的原理研究與設計實現

黃中原， 陳 軍， 楊開好， 孫文博， 李辛沫， 耿愛農

（1.佛山市沙口水利樞紐站， 廣東 佛山 528200； 2.五邑大學智能制造學部， 廣東 江門529020；3.廣東河海泵業機械有限公司， 廣東 鶴山529724）

0 引言

水泵葉片角度調節裝置根據控制方式分為機械式調節裝置和液壓式調節裝置兩大類型， 它們各有優勢和劣勢， 其中機械式調節技術因具有結構簡單、 制造成本低廉、維護簡便等優點而得到廣泛應用，迄今仍是各大泵站青睞的主力機型[1]。 然而，現有機械式調節裝置亦存在一些共性缺陷，即裝置的整機體積相對較大、承力軸承壽命較短、抵御抬軸沖擊能力較弱，為解決傳統機械式葉片角度調節裝置的這些痛點問題， 眾多學者進行了大量富有成效的研究。

陳堅等[2]基于力學分析的方法對機械式全調節水泵的抬軸原因進行了詳細分析， 并據此提出改進機械調節裝置安全性的對策。 戴宏岸[3]為縮減調節裝置體積，設計出一款內置旋轉式葉片角度調節機構。 仇寶云等[4]經實地考查并借助統計分析方法，對大型低揚程水泵機組的主要失效模式進行了深度分析，得出包括抬軸破壞等在內的相應失效判別準則。 新莊正明（日本）等[5]提出過一種差動齒輪驅動型葉片角度調節技術的新概念， 設想利用水泵的主電機來作為調節葉片角度的動力源， 以此簡化調節裝置的復雜度。 繼承新莊正明的思路，本文對齒輪差動型葉片角度調節技術進行了研究[6]，另辟蹊徑地發展出中央離合器結合差動齒輪的布局方案， 系統地解決了裝置的功能實現以及可靠性問題， 從而使這個新穎的機型由設想向實用邁出了實質性的一步。本文貢獻在于：從原理研究和設計實現等方面入手， 對基于水泵主電機驅動的齒差型葉片角度調節技術進行探討， 通過技術創新使該新機型在空間占位、 工作運行和抵御抬軸破壞等方面均較傳統機型有明顯進步， 也因此證實了該機型在原理上是可行的，在技術上是有競爭力的。

1 新型調節裝置的結構與原理

1.1 新型調節裝置的布局特點

本文設計的齒差驅動型葉片角度調節裝置乃安裝在水泵主電機上方，與傳統裝置所不同的是：它直接接受主電機轉子的驅動， 同時主電機轉子又通過泵軸驅動水泵葉片產生轉動以完成供水工作， 其中主電機轉子及泵軸均呈中空狀結構， 調節裝置通過一根穿越主電機轉子及泵軸的操作拉桿來調控葉片的迎水攻角（如圖1）。 裝置的齒輪差速機構可依照水泵運行的需要而驅使操作拉桿產生向上、向下或者停駐等三種行為模式，并分別呼應著水泵增大葉片迎水攻角、 減少葉片迎水攻角和恒持葉片迎水攻角等三種運行工況， 亦即水泵在不停機的情形下亦能實時調節葉片的角度。

圖1 齒差驅動式葉片角度調節裝置布局示意圖

1.2 新型調節裝置的總體結構

裝置主要包括有底座、調節螺桿、調節螺母、主軸承、承力蓋、傳力齒輪、 提升齒輪、下降齒輪、 保持齒輪、副軸、主離合器和副離合器等核心部件。裝置的結構參數和技術指標如表1 所示。

表1 新型葉片角度調節裝置結構參數及技術指標

底座與水泵主電機轉子連接并接受其驅動、 兩者始終保持轉速及轉向一致，而由傳力齒輪、提升齒輪和副軸齒輪組成一個負責增大葉片迎水攻角的少齒差傳動機構，由傳力齒輪、 下降齒輪和副軸齒輪組成一個負責減小葉片迎水攻角的少齒差傳動機構，由傳力齒輪、保持齒輪和副軸齒輪組成一個負責恒持葉片攻角的恒速傳動機構， 上述齒輪傳動機構的嚙合作動順序由電控邏輯調控并通過主離合器和副離合器予以實施。 調節螺母與調節螺桿組成的運動副可將齒輪機構的轉動轉化為上下移動，并進而通過連接法蘭去驅動操作拉桿，最后借助球窩接頭轉換成葉片的擺轉動作，從而實現水泵葉片迎水攻角的調控，見圖2。

圖2 齒差驅動型葉片角度調節裝置總體裝配圖

本裝置的底座與水泵主電機的轉子連接并與主電機同步、同向、同速運轉，它將主電機的動力傳遞給上蓋之后再傳遞給齒差調節機構，亦即借助水泵主電機作為調節裝置的唯一動力來源， 從而省卻了傳統機械式葉片角度調節裝置所必須配備的專門調節電機。 如此設計的好處是可以縮減調節裝置的體積（體現在高度方向較傳統機械調節裝置縮減了大約25%），同時也為后續優化調節裝置的承力布局提供了有利條件，見圖3。

圖3 新型葉片角度調節裝置齒差傳動機構軸測圖

1.3 新型調節裝置的工作原理

新型調節裝置的工作原理是： 新型裝置通過底座連接到水泵主電機轉子而獲得轉動的動力（參見圖1），底座又通過安裝在其上的傳力齒輪來驅動四根環繞電機轉子軸線布置的副軸產生轉動， 副軸接著利用與它聯動的諸傳動齒輪再將運動及動力傳遞給布局在中央的主離合器或者副離合器（參見圖3），同時控制器根據水泵的運行需要發出指令而使主離合器和副離合器做出三種排他性工況的“三選一”作動，即主離合器與副離合器同時分離、主離合器嚙合而副離合器分離、 主離合器分離而副離合器嚙合， 由此即可依照實際工況對水泵葉片迎水攻角施行實時在役調控，其中：

圖4 新型調節裝置部分零部件實物圖

（1）當主離合器與副離合器同時處于分離狀態的工況時， 裝置呼應的是水泵葉片被維持在原迎水角度恒定的狀態， 此時空套在副軸上的鎖止齒輪通過安裝在副軸上的常嚙電磁閥而與該副軸保持在常態連接的狀態， 于是鎖止齒輪驅動保持齒輪， 繼而通過保持齒輪來驅動接力桿， 再由接力桿帶動調節螺母產生出與底座完全一致的同步轉動， 注意到葉片乃受到水泵電機轉子的驅動而轉動， 即調節螺桿實質上與調節螺母在此工況下仍然保持轉速完全一致， 換言之此時葉片的迎水攻角可以恒持在原先工況的角度而不變。需要指出的是，在此工況下由于主離合器和副離合器均處在分離的狀況， 所以這時裝置的提升齒輪和下降齒輪它們均處在空荷轉動的狀態。

（2）當控制器選擇主離合器嚙合而副離合器分離的工況時， 此時安裝在副軸上的電磁閥受到觸發而促使鎖止齒輪與副軸脫開而呈空轉狀態， 于是鎖止齒輪與保持齒輪處于空轉嚙合的情形； 同時由于副離合器亦處在分離的狀態，致使下降齒輪也處在空轉的情形；這時提升齒輪因主離合器處在嚙合的工況而將副軸的轉動及動力傳遞給接力桿而使得調節螺母得以轉動。 注意到傳力齒輪副與提升齒輪副它們乃組成少齒差機構， 于是調節螺母的轉速與底座的轉速出現微小差異， 在此差速作用下使得調節螺母相對于調節螺桿存在差速轉動， 從而促使調節螺桿生產出向上的軸向移動， 最終通過操作拉桿的提升而使得葉片迎水攻角向著增大的方向做出變化。

（3）當控制器選擇主離合器分離而副離合器嚙合的工況時，與上述（2）工況相似，這時下降齒輪因副離合器處在嚙合的工況而得以將副軸的轉動及動力傳遞給接力桿，從而使得調節螺母產生轉動，由于傳力齒輪副與下降齒輪副亦為少齒差機構，與（2）同理，其最終結果是使得裝置的葉片迎水攻角向著減少的方向做出變化。

為了進一步清晰闡述新型調節裝置的工作過程，圖5 給出了它的機構原理圖，其中底座、承力蓋以及傳力齒輪與電機轉子同步，而接力桿與調節螺母同步，調節螺桿則始終與水泵葉片轉速保持一致（此調節螺桿轉速n1始終等于主電機轉子轉速n0）。 在圖5 中，各齒輪的齒數分別為：傳力齒輪Z1=76、提升齒輪Z2=75、下降齒輪Z3=77、保持齒輪Z4=76、鎖止齒輪Z5=76，而裝在副軸上分別與這些齒輪組成嚙合副的各個副軸齒輪 （包括與保持齒輪作嚙合運動的鎖止齒輪）它們的齒數均被設計為Z0=25。 如圖5 所示，上述各個齒輪副組成了典型的少齒差機構（傳力齒輪Z1與提升齒輪Z2齒數相差1 個齒、 傳力齒輪Z1與下降齒輪Z3齒數相差1 個齒）， 其中各個齒輪嚙合副它們的速比分別為：

很顯然， 當水泵處在第一種運行工況亦即主離合器與副離合器處在同時分離的工況時， 此時的齒輪機構其最終輸出速比是i4＝1， 它意味著調節螺桿的轉速n1與調節螺母的轉速n2此時是完全同步運轉的，這時葉片的迎水攻角將保持原來角度不變； 當水泵處在第二種運行工況亦即主離合器嚙合而副離合器分離的工況時， 此時的齒輪機構其最終輸出速比是i2＞1， 它意味著調節螺母轉速n2將略微大于調節螺桿轉速n1，這時葉片的迎水攻角將朝著增大的方向進行調節； 當水泵處在第三種運行工況亦即主離合器分離而副離合器嚙合的工況時， 此時的齒輪機構其最終的輸出速比是i3＜1， 這時調節螺母轉速n2將略微小過調節螺桿轉速n1， 葉片的迎水攻角將朝著減少的方向進行調節。需要指出的是，裝置經由傳動機構獲得首輪減速后，還需經過調節螺母/調節螺桿副再進行一次末級減速，唯如此方能使操作拉桿獲得足夠大的調節力并達成適宜的調節速度，見圖5。

圖5 調節裝置機構原理圖

2 新型調節裝置提高可靠性的布局設計

2.1 新型裝置抵御抬軸破壞的布局措施

眾所周知，大型水泵在某些特殊工況下（一般是在調大葉片角度的初期進程， 尤其是水泵開始啟動的最初階段）， 有時會發生水泵葉片沿其軸線向上突然竄起的現象，此謂“抬軸沖擊”[2]。 該抬軸沖擊產生的載荷有一路經由泵軸向上直接作用到主電機轉子上并被轉子強大的重力所壓制， 但其另有一路則沿著操作拉桿向上直抵主電機上部的各個附屬調節裝置并對它們產生強烈的沖擊。傳統機械式葉片角度調節裝置由于布置在主電機上的附屬調節裝置乃專門的葉片角度調節電機及其變速機構、承載葉片拉桿的主推力軸承及其冷卻裝置等等，也因此，該路抬軸沖擊載荷必經由這些附屬調節裝置才能傳遞到泵站的基座上，由于這路抬軸沖擊力它穿越的路徑長、環節復雜、零部件多，以至于這些承力部件所組成的系統其整體剛度較差， 正是這種無奈布局造成了傳統機械式葉片角度調節裝置抵御抬軸破壞的能力較弱之緣由， 所以當發生抬軸沖擊時， 傳統裝置調節電機及其變速箱被掀翻破壞的所謂“炸機”事故并不鮮見。

如上所述， 傳統機械式葉片調節裝置的布局方式難以抵御操作拉桿的上竄抬軸沖擊載荷。鑒于此，本新型裝置另辟蹊徑地通過縮短沖擊載荷的傳遞路徑并優化其承接方式， 策略性地化解了這個棘手的難題。 具體措施如下：在調節螺母上布設有一個承力軸肩，在該承力軸肩下方布置有主軸承以承擔操作拉桿的各項正常載荷 （這些載荷為向下作用的各種力的合力， 為水泵工作時的常態載荷）、同時在該承力軸肩上方另外布設專門承力蓋以承接操作拉桿向上的抬軸載荷，見圖6。當發生抬軸沖擊時，操作拉桿向上的沖擊載荷會經由調節螺桿/調節螺母副而迅速地傳遞至調節螺母的承力軸肩， 并通過該承力軸肩又傳遞到承力蓋上， 最終經由底座作用到水泵主電機的轉子上， 于是可以利用電機轉子的巨大重力壓制這個沖擊載荷。 顯然，與傳統機械式調節裝置不同，本裝置抬軸沖擊載荷其傳遞的路徑非常短且受力方式非常合理，一方面它的承力結構布局剛性高， 另一方面它不經過減速機構來承接，特別地它充分利用了電機轉子的巨大重力來對付和化解這個沖擊載荷， 故新型調節裝置的抬軸抵御能力可明顯提高。

圖6 水泵抬軸沖擊力傳播路徑

2.2 提高主推力軸承工作壽命的措施

在傳統的機械調節裝置當中， 承接操作拉桿軸向負荷的主推力軸承的壽命普遍不高， 許多泵站的主推力軸承壽命甚至只有短短的數百小時[7]，遠遠達不到其設計壽命，頻繁的維修常常招致用戶的詬病，是至今仍未解決的痛點問題。 究其原因主要是主推力軸承在水泵的整個泵水工作期間它都一直處在帶荷運轉的狀態下承載轉動，一方面是傳統機械調節裝置的操作拉桿長達數米乃至十幾米，由于安裝精度和受力變形等因素的影響（尤其是定位銅套發生些許磨損的情況下）， 常常致使主推力軸承呈現為偏擺受力的狀況，此時主推力軸承的滾動體并非全員全局參與工作，換句話說這些滾動體受到各個擊破的概率顯著增加； 另一方面主推力軸承長期處在帶載運轉的狀況，由此會導致主推力軸承的溫升過高，這也是傳統機械調節裝置必須配備專門的冷卻潤滑系統的緣故。 上述不利因素的疊合是影響核心部件主推力軸承壽命短的關鍵原因。

在新型調節裝置中， 調節螺桿和底座它們均與主電機轉子相連接而同步運轉， 因此在水泵工作的絕大部分時間期間內主推力軸承都是處在靜止受力的狀態， 僅在需要改變葉片攻角過程的短短幾分鐘內存在有緩慢相對轉動，也因此，新裝置的主軸承其絕大多數工作時間都是在相對靜止狀態下完成的，由此帶來的好處是：一方面，這樣的使用環境對主推力軸承的運行十分有利， 它使軸承的工作溫升很低 （無需冷卻裝置并且可以使用潤滑油脂作為潤滑工質），從而為提高主推力軸承的工作可靠性提供了一個有利環境；另一方面，相對靜止布局的主推力軸承有利于提高它的剛性，從而可以幫扶并分擔定位銅套的負荷而減少其非正常磨損的概率，同時相對靜止布局的主推力軸承還有利于消除軸承的游隙（這一點在前期安裝期間即可實現且對水泵運轉與否不太敏感）， 這樣在水泵的整個運轉工作期間主推力軸承的各個滾動體它們皆可以做到均衡承載，換句話說本新型裝置對安裝精度的要求也大為降低。 故相比于傳統機械調節裝置來說，本新型裝置的主軸承其工作將更加可靠其壽命也將更長。

3 結束語

齒差驅動式水泵葉片角度在役調節技術利用少齒差機構達成大速比傳動的原理，可以實現并滿足大型水泵實時調控葉片迎水攻角的需求，能夠適應各種復雜的水文環境和應對不同的水泵運轉工況，有利于水泵的經濟運行與安全運行。基于該技術的新型調節裝置其在原理及結構方面均具有鮮明的特色：首先，它調節葉片角度的動力完全源自于水泵的主電機，籍此摒棄了傳統機械式調節裝置所必不可少的專門調節電機，也因此簡化了調節裝置的復雜度；其次，新型調節裝置通過巧妙的機構設計，借助三組齒輪機構和兩個中央離合器，并結合恰當的電控邏輯，實現了葉片角度增大、 減少和恒持這三種必須的水泵運行工況；然后，通過合理的承力布局有效縮短了水泵抬軸沖擊載荷的傳遞路徑并對它予以有效化解，籍此大大提高了調節裝置抵御抬軸沖擊破壞的能力；再者，本新型裝置的主推力軸承它在大部分的工作時間里事實上都是處在靜載承力的狀況，并且它對操作節拉桿偏擺變形所造成的不利影響不太敏感，故新型裝置主推力軸承的可靠性及壽命得以大幅提高。