大直徑雙輻板滑輪制造工藝研究

陸永亞，李航宇，金龍

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司， 杭州 310030; 2.杭州國電機械設(shè)計研究院有限公司， 杭州 310030)

0 引言

應(yīng)用于鋼絲繩卷揚式升船機中的平衡滑輪組主要用于支撐和改變鋼絲繩的方向，其懸掛的重力平衡重組平衡帶水船廂及其附屬結(jié)構(gòu)的部分重量。本文以思林水電站升船機滑輪為研究對象，滑輪名義直徑為4 000 mm，屬于大直徑滑輪(滑輪直徑2 000 mm以上)。

滑輪按制造工藝分為鑄造滑輪、鍛造滑輪、焊接滑輪、軋制滑輪和雙輻板滑輪[1]。雙輻板滑輪結(jié)合了焊接滑輪和軋制滑輪的工藝特點，應(yīng)用于大直徑滑輪制造，具有質(zhì)量小、強度高、制造周期短、鋼絲繩使用壽命長等優(yōu)點[2-3]。

1 雙輻板滑輪的結(jié)構(gòu)形式[4]

將2塊圓形鋼板坯料的外邊緣向外壓制成帶有1/2繩槽輪緣的輪輻，2塊輻板的側(cè)壁靠近外邊緣處均設(shè)有若干呈圓周均勻分布的鉚釘孔，通過鉚釘將2塊輻板鉚接固定，而后焊接形成輪體；輪體近中部位置設(shè)有均勻分布的吊裝孔，通過無縫鋼管與輪體焊接形成密閉腔；輪體中部開孔與輪轂焊接固定，輪體兩側(cè)均勻分布若干筋板，筋板為U形結(jié)構(gòu)。U形筋板結(jié)構(gòu)和雙輻板滑輪結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

2 雙輻板滑輪制造的工藝路線

本文所研究的大直徑雙輻板滑輪[5]是通過焊接將滑輪的兩輻板之間、輻板與輪轂之間焊接后機械加工而成的，具有繩槽加工余量小、材料利用率高及加工質(zhì)量高等優(yōu)點，但因生產(chǎn)工序較多，只有工序間的工藝要求得到精確的保證，才能生產(chǎn)出合格的滑輪。

2.1 下料

滑輪采用板厚為13 mm的Q345B鋼板下料，拼焊至? 4 120 mm，鋼板下料前需經(jīng)材料理化分析和超聲波探傷且合格。板材下料采用氣切割，焊接完成后對焊縫進行打磨和探傷檢測，焊縫合格后加工所需的孔。

圖1 U形筋板結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of U-shaped plate

圖2 雙輻板滑輪結(jié)構(gòu)

Fig.2 Structure of double-spoke pulley

2.2 滑輪輻板錐度成型

在水壓機的基座上固定有滑輪輪輻板錐度成型模具(模具角度為3°)，將下好料的輻板在基座上找準(zhǔn)定位中心，然后通過輪輻板中心和邊緣將輪輻板放在基座上固定好，輪輻中心通過輪輻板錐度成型壓制模具固定，輪輻邊緣通過螺栓連接固定。水壓機上的動力機構(gòu)液壓缸均勻施加載荷于輪輻板上，輻板在壓制模具的作用下錐度成型，輻板錐度與成形模具一致，滑輪腹板錐度成型如圖3所示。

圖3 滑輪輻板錐度成型

Fig.3 Forming of pulley taper

2.3 繩槽成型

在壓力機的基座上固定有滑輪輪輻板1/2繩槽成型模具，將錐度成型好的輻板裝夾固定在基座上，輪輻中心通過基座上的定位裝置固定，輪輻邊緣通過螺栓連接固定。壓力機上的動力機構(gòu)液壓缸施載于勻速轉(zhuǎn)動的輪輻邊緣上，輻板在液壓缸的作用下繩槽成型，輻板繩槽與成型模具一致形成1/2U形繩槽，滑輪輻板繩槽成型如圖4所示。

圖4 滑輪輻板繩槽成型

Fig.4 Forming of pulley taper rope groove

2.4 滑輪成型

2.5 去殘余應(yīng)力

去除焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，一般有自然時效、熱處理方式及振動時效等方法。自然時效法對工件尺寸穩(wěn)定性好，方法簡單易行，但生產(chǎn)周期長，不易管理；熱處理法易引起大直徑雙輻板滑輪的輪輻板因受熱不均產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致滑輪整體變形；振動時效法采用超聲波振動設(shè)備去除焊接應(yīng)力，時間短，效果顯著，通過該方法處理的滑輪，經(jīng)應(yīng)力測試檢驗，能有效去除焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

2.6 焊縫探傷

探傷主要是檢測滑輪焊縫有無缺陷，其中包括滑輪輻板與輪轂之間、輻板與輻板之間、筋板與輪體之間的焊縫等。首先對焊縫表面質(zhì)量及幾何尺寸進行100%目測檢查，然后進行100%的磁粉探傷(MT)檢測和超聲波衍射時差法(TOFD)檢測。

2.7 滑輪機加工

圖5 滑輪繩槽加工

Fig.5 Processing of pulley rope groove

3 滑輪制造的關(guān)鍵工藝

3.1 繩槽軋制

滑輪輻板繩槽成型時，基座的轉(zhuǎn)速、壓力機下壓速度或每周壓制量，對繩槽的成型都有重要影響?；霓D(zhuǎn)速與液壓缸的壓下速度均有不同擋速可調(diào)節(jié)。繩槽壓制初始階段，基座轉(zhuǎn)速和液壓缸下壓速度均較高，輪輻輪緣變形較快。隨著金屬變形的加劇，變形速度應(yīng)逐漸減小，即基座轉(zhuǎn)速與液壓缸下壓速度亦逐漸降低。基座轉(zhuǎn)速與液壓缸下壓速度，和輪緣變形量的配合是保證繩槽成型質(zhì)量的關(guān)鍵工藝。

3.2 繩槽焊接

大直徑雙輻板滑輪的繩槽焊縫需進行多道焊接，焊接量大且焊接完成后變形量大，滑輪輪緣繩槽角度及其對稱度控制難度較高。為此，采用專業(yè)設(shè)備實現(xiàn)滑輪以1/60 r/min的速度勻速轉(zhuǎn)動，用專業(yè)焊機對滑輪繩槽進行自動施焊，每道焊接完成后，檢查焊縫是否符合焊接質(zhì)量要求。采用該方法，能有效保證繩槽的焊接質(zhì)量和焊接后輻板變形量。

3.3 滑輪機加工

焊接后的滑輪需進行機加工，滑輪繩槽底徑? 3 942 mm的尺寸控制是滑輪加工的關(guān)鍵。為此，將該滑輪的加工安排在特制的數(shù)控重型臥式車床上?；喸谠摍C床上只需1次裝夾即可完成輪轂內(nèi)孔和繩槽加工，保證了繩槽的同軸度要求。采用特殊裝夾方式的機床設(shè)備，確保順利完成該滑輪的加工制造，達到設(shè)計要求，提高生產(chǎn)效率。

3.4 滑輪去殘余應(yīng)力

為保證所加工制造的滑輪焊后無整體變形；保證繩槽部位精加工尺寸精度；加載試驗后所有焊縫不產(chǎn)生裂紋及整體永久變形，需要在滑輪焊接成型后，進行有效的去殘余應(yīng)力處理。

采用振動時效的方法去除應(yīng)力，其振動時效原理如下：給工件施加一個與其固有諧振頻率接近的周期激振力進行亞共振，當(dāng)工件的能量積累超過材料的屈服極限σs時，工件內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生蠕變，使造成殘余應(yīng)力的歪曲晶格一定程度恢復(fù)平衡狀態(tài)，殘余應(yīng)力得以降低和均化。

為檢測振動時效效果，對振動時效后的滑輪進行殘余應(yīng)力測試。應(yīng)力測試采用磁應(yīng)變法，測試層深為1.25 mm，測點選在輻板與輪轂焊縫處、輻板在繩槽處連接的焊縫處、輻板與筋板的焊縫處、輻板與加強管焊縫處，測試點分布如圖6所示。

圖6 殘余應(yīng)力測試測點布置

Fig.6 Measuring points arrangement of residual stress

殘余應(yīng)力測試結(jié)果見表1。表中：σx為測點垂直焊縫方向應(yīng)力；σy為測點平行焊縫方向應(yīng)力；τxy為測點剪切應(yīng)力；σ1為測點最大主應(yīng)力；σ2為測點最小主應(yīng)力；θ為測點最大主方向角；σi為測點的應(yīng)力強度。

從表1可以看出，22個測點中#6，#16，#17，#14測點應(yīng)力稍大，除#16外其他3個測點由于剪應(yīng)力較大造成表面應(yīng)力強度較高，從焊接結(jié)構(gòu)類型及焊縫類型分析，是由于沖擊原因所致。

從整體應(yīng)力大小可知，其總體平均應(yīng)力在140 MPa左右，小于1/2σs。由于Q345B材料塑性較好，4個應(yīng)力測點強度稍高的區(qū)域不影響該滑輪結(jié)構(gòu)的靜載強度。

從殘余應(yīng)力的測試結(jié)果可以看到，采用振動時效法可有效消除滑輪焊接后的應(yīng)力。

表1 殘余應(yīng)力測試結(jié)果Tab.1 Residual stress test results

4 結(jié)論

本文介紹了大直徑雙輻板滑輪的制造工藝路線，針對制造工藝中繩槽軋制、繩槽焊接、焊后去應(yīng)力及滑輪機加工等影響滑輪性能的關(guān)鍵制造工藝進行分析、研究，所采用的工藝可有效控制滑輪成型質(zhì)量，采用振動時效法可有效去除滑輪焊后應(yīng)力。