關(guān)于大型水輪機(jī)頂蓋底環(huán)軸孔加工系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

丁達(dá)兵

摘 要：本文針對傳統(tǒng)水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)軸孔加工過程中已產(chǎn)生誤差的問題，在現(xiàn)有數(shù)控龍門機(jī)基礎(chǔ)上，應(yīng)用最小二乘法原理，設(shè)計了一套新的加工系統(tǒng)。通過實(shí)際應(yīng)用，表明該系統(tǒng)能夠?qū)庸ち慵某叽缇群捅砻婀鉂嵍犬a(chǎn)生積極影響，值得推廣。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī);零部件加工制造;頂蓋底環(huán)軸孔;加工系統(tǒng);開發(fā)與應(yīng)用

引言

水輪發(fā)電機(jī)是我國水資源利用過程中十分重要的設(shè)備。這是一種垂直組裝的旋轉(zhuǎn)機(jī)器，配備可傾瓦軸頸軸承，以亞臨界速度運(yùn)行。水輪發(fā)電機(jī)型號不一，功率從 1 到 700 MW，速度在 60 到 1000 rpm 的范圍內(nèi)[1]。其中的大型水輪發(fā)電機(jī)是我國水資源利用進(jìn)入百萬級容量的必要設(shè)備。在大型水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中，頂蓋和底環(huán)的加工制造水平直接關(guān)系到這些機(jī)器的動態(tài)行為，極為關(guān)鍵。特別是頂蓋、底環(huán)的軸孔加工，需要精確到d0.1mm-d0.2mm，要求極高且工序復(fù)雜，傳統(tǒng)的加工制造技術(shù)已經(jīng)難以勝任，需要探索一套新的加工制造方法。

大型水輪機(jī)頂蓋底環(huán)軸孔加工系統(tǒng)設(shè)計

1.1大型水輪機(jī)頂蓋底環(huán)軸孔加工系統(tǒng)應(yīng)用原理

頂蓋、底環(huán)的軸孔加工最主要的部分是消除“誤差”，這也是應(yīng)用數(shù)控龍門銑加工軸孔的關(guān)鍵核心。為此，采用“最小二乘法”原理。這是一種用于確定最佳線性或非線性回歸的統(tǒng)計方法。該方法是由勒讓德（1805）、高斯（1806，1809）和阿德萊恩（1808）獨(dú)立發(fā)展起來的，有著豐富而長的歷史[2]。最小二乘法因其計算簡單和特殊的最優(yōu)性質(zhì)而被廣泛用于擬合回歸線的技術(shù)，它給出了最好的線性無生命線性回歸的情況下，最大似然估計的情況下，回歸高斯（正態(tài)）誤差。最小二乘法使用輸入-輸出測量對獲得給定系統(tǒng)的估計，并假設(shè)輸入和輸出對線性相關(guān)的模型。其優(yōu)點(diǎn)之一是可以在接收輸入-輸出對時實(shí)時使用。從這個意義上講，回歸直線是一個隨機(jī)變量期望的模型，給定一組特定的條件變量x和y。其中，y 被稱為“依賴”或“解釋”變量;x 被稱為“獨(dú)立”或“解釋”變量的向量。用 xas e （y i x）表示 y 的條件期望。這個條件期望的模型是一個函數(shù)，它取決于解釋變量 x 和一個參數(shù)向量，比如說 p，對于參數(shù) p * 的某個值提供了最佳擬合?；诖?，大型水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)軸孔間實(shí)測的弦距和表示為：

式（2）中，T——軸孔間弦距設(shè)計值;

Ti——軸孔間弦距實(shí)測值;

vi——各次數(shù)的測量誤差;

ti——各間隔軸孔弦距實(shí)測值。

基于上述最小二乘法以及組合測量技術(shù)對頂蓋、底環(huán)導(dǎo)葉軸孔關(guān)聯(lián)參數(shù)數(shù)據(jù)的處理應(yīng)用。本工藝方案利用頂蓋、底環(huán)的基準(zhǔn)圓半徑 Rj、導(dǎo)葉軸孔邊心距L，計算軸孔分度圓半徑 Rb;計算出頂蓋、底環(huán)各軸孔的弦差、半徑差、位置誤差;利用匹配的頂蓋、底環(huán)導(dǎo)葉軸孔，間弦距 T。軸孔分度角 W，如圖1 所示，滿足設(shè)計要求即可完成各軸孔的精加工。

1.2大型水輪機(jī)頂蓋底環(huán)軸孔加工系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)

依據(jù)大型水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)軸孔的設(shè)計要求、實(shí)際參數(shù)和加工系統(tǒng)的原理，所設(shè)計的系統(tǒng)采取了模塊化的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法，按照大型水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)軸孔的加工所需，將系統(tǒng)分作三層十二個模塊。其中，三層分別是“顯示層”“邏輯層”和“輸出層”;十一個模塊分別是顯示層的“主界面模塊”，邏輯層的“標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)模塊”“加工件參數(shù)模塊”和“程序管理模塊”，輸出層的“標(biāo)準(zhǔn)件節(jié)圓半徑模塊”“標(biāo)準(zhǔn)件弦長模塊”“標(biāo)準(zhǔn)件節(jié)圓修正模塊”“加工件節(jié)圓半徑模塊”“加工件節(jié)圓修正模塊”“自動生成代碼模塊”“程序仿真驗(yàn)證模塊”。

系統(tǒng)設(shè)計完成后，通過C#實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)。為了適應(yīng)各種各樣的范例，通用c # 以幫助建立通用數(shù)控機(jī)床的接口模型。它允許定義一些應(yīng)用參數(shù)，例如數(shù)控機(jī)床的型號/品牌，以及機(jī)器參數(shù)和頻率。主要目的是定義運(yùn)行時的函數(shù)參數(shù)，也就是說，當(dāng)需要獲取不同的數(shù)據(jù)，或者需要在不同的頻率獲取不同的數(shù)據(jù)時，不需要為特定的機(jī)器重新編譯服務(wù)器應(yīng)用程序。在這種實(shí)現(xiàn)方式下，系統(tǒng)完成后，使用球桿精度測試進(jìn)行性能分析，以確定機(jī)器零件的運(yùn)動對加工零件的尺寸精度和表面光潔度的影響。

大型水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)軸孔加工的傳統(tǒng)方法包括使用直線電機(jī)和滾珠絲杠驅(qū)動來獲得工作臺運(yùn)動。在這項(xiàng)工作中對傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床加以改進(jìn)，應(yīng)用最小二乘法消除實(shí)際加工中的誤差，以此增強(qiáng)型數(shù)控龍門機(jī)的加工水平，使得數(shù)控龍門機(jī)能夠更好的進(jìn)行水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)軸孔加工。轉(zhuǎn)動所需的工作臺的高角速度會導(dǎo)致工作臺軸承支架發(fā)熱和底座熱變形。如果在車削后立即進(jìn)行銑削或鉆孔，則應(yīng)校正機(jī)床軸的運(yùn)動，以消除由于偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的加工誤差。

結(jié)果表明，所開發(fā)系統(tǒng)的直線度從 176.3 微米減少到 114.6 微米，這是由于刀具和工作臺移動的總距離減少而發(fā)生的。此外，圓形度從667.0μm減少到338.7。此外，為了在加工過程中獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，表面粗糙度的最小化非常重要。對表面粗糙度最有效的參數(shù)是進(jìn)給速度和切削速度。隨著切削速度的增加，可以降低表面粗糙度。在研究中，通過采用 3 級切削速度（110、160、210 m/min）、進(jìn)給速度（0.025、0.050、0.075 mm/rev）和拐角半徑（0.4，0.8， 1.2 mm） 參數(shù)作為參考創(chuàng)建了一個實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停糜谲囅鬟^程中的最小表面粗糙度，輔助完成軸孔加工。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行某大型水輪發(fā)電機(jī)的頂蓋、底環(huán)軸孔加工。加工過程十分簡單：在系統(tǒng)中輸入需要加工的頂蓋軸孔半徑和弦長的測量值，進(jìn)而得到誤差修正后的頂蓋軸孔的節(jié)圓半徑，將其輸入得到底環(huán)的軸孔參數(shù)，此時啟動數(shù)控機(jī)床，加工完成。結(jié)果顯示，加工后同軸度最大值為0.166 mm，滿足設(shè)計制造要求。

結(jié)束語：

綜上所述，在車削、鏜削、銑削、鉆削等多種工藝中，本文著重銑削加工工藝，詳細(xì)介紹了一種大型水輪機(jī)頂蓋底環(huán)軸孔加工系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法，以及選擇合適的速度和機(jī)床進(jìn)給量。經(jīng)過實(shí)證分析，該系統(tǒng)確實(shí)能夠提升水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)軸孔加工水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉琦.水輪機(jī)大部件的加工工藝[J].電機(jī)技術(shù)，2017（02）：44-47.

[2]喬杰，吳家奎，謝賢斌. 大型水輪機(jī)頂蓋底環(huán)軸孔加工系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J]. 東方電氣評論，2019，33（1）：45-48.