一種通用直圍帶裝配工裝的設(shè)計

黃朝萬，李文濤，肖磊

（中國長江動力集團有限公司，武漢 430204）

0 引言

目前汽輪機主機廠主要使用圓墊環(huán)作為隔板圍帶加工及裝焊的工裝，其使用步驟為：1）準(zhǔn)備對應(yīng)圓墊環(huán)；2）測量確認圓墊環(huán)上的環(huán)槽；3）內(nèi)外圍帶嵌入對應(yīng)環(huán)槽內(nèi)；4）內(nèi)外圍帶上裝入靜葉；5）樣板檢查靜葉輻射線；6）檢查內(nèi)外圍帶間距；7）調(diào)整內(nèi)外圍帶，并復(fù)測內(nèi)外圍帶間距及靜葉輻射線；8）檢查靜葉之間節(jié)距、喉寬；9）調(diào)整靜葉節(jié)距、喉寬；10）氬弧焊點焊固定靜葉。

通過分析直圍帶裝配流程，我們歸納出隔板圍帶裝配工裝必備的兩條基本功能為：圍帶裝夾和圍帶裝夾位置調(diào)整。因此，我們將從圍帶裝夾機構(gòu)及圍帶調(diào)整機構(gòu)兩方面設(shè)計直圍帶通用裝配工裝。同時，為提高通用工裝裝配圍帶及靜葉的效率，設(shè)計了圍帶測量機構(gòu)及靜葉輻射線檢查機構(gòu)。

圖1 圓墊環(huán)裝配隔板圍帶示意圖

1 工裝設(shè)計

1.1 圍帶裝夾機構(gòu)設(shè)計

直圍帶是一種半圓形直筒。圍帶裝夾機構(gòu)是一個能夾住圍帶的“夾子”。為保證圍帶裝夾機構(gòu)可以裝夾不同直徑的直圍帶，設(shè)計了一個卡槽充當(dāng)“夾子”夾住圍帶，卡槽與圍帶接觸的一側(cè)設(shè)計成圓弧面點線接觸，通過螺釘將不同厚度的圍帶緊固在卡槽內(nèi)。

1.2 圍帶調(diào)整機構(gòu)設(shè)計

圍帶調(diào)整結(jié)構(gòu)主要用于移動及固定圍帶卡槽。通過對比各種固定及微調(diào)機構(gòu)，選擇“螺旋機構(gòu)”來完成圍帶卡槽的移動、固定和微調(diào)。螺旋機構(gòu)由螺桿、螺母和機架組成，它將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，它不僅具有較大減速比和力的增益，而且具有自鎖性[1]。即圍帶卡槽固定在螺桿滑塊上，轉(zhuǎn)動螺桿帶動滑塊和圍帶卡槽沿直線移動，從而滿足不同直徑的圍帶裝夾和微調(diào)。由于內(nèi)外圍帶同時裝配，因此圍帶調(diào)整機構(gòu)由兩組“螺桿、滑塊、圍帶卡槽”疊加組成。

圖2 圍帶卡槽示意圖

圖3 圍帶調(diào)整機構(gòu)示意圖

1.3 圍帶半徑測量機構(gòu)設(shè)計

由于卡槽固定圍帶是點線接觸，為保證圍帶裝配后的圓度，通用工裝將采用多組圍帶卡槽固定圍帶。為了迅速、準(zhǔn)確地將各組卡槽調(diào)整至裝配尺寸，需要設(shè)計一組半徑測量機構(gòu)，用于測量各卡槽半徑及圍帶各處半徑。由于直圍帶裝配工裝采用多組圍帶卡槽沿輻射線方向布置，圍帶卡槽隨圍帶直徑變動而沿輻射線移動，同時各圍帶高度各不相同，因而測量裝置必須滿足沿圓周方向、徑向和上下方向移動的要求。

因此，設(shè)計了一組搖臂測量機構(gòu)，它由3部分組成：立柱、搖臂、滑塊。搖臂可在立柱上圓周轉(zhuǎn)動和上下移動，滑塊可在搖臂上沿徑向移動。操作者在使用時，首先將劃針固定在搖臂滑塊上，通過測量和調(diào)整劃針到立柱的距離，即可使劃針處于不同半徑的節(jié)圓上，從而可測量和調(diào)整圍帶卡槽和圍帶的半徑。

圖4 圍帶測量調(diào)整機構(gòu)示意圖

1.4 靜葉輻射線檢查機構(gòu)設(shè)計

為保證靜葉沿輻射線安裝，靜葉安裝后需測量靜葉沿輻射線的偏轉(zhuǎn)量。靜葉輻射線偏轉(zhuǎn)量測量基本原理為：設(shè)計一個指向圓心的參照物，通過對比靜葉葉尖與參照物偏轉(zhuǎn)的距離或角度來檢查靜葉輻射線偏轉(zhuǎn)量。

根據(jù)靜葉輻射線偏轉(zhuǎn)量測量基本原理，參照圍帶直徑測量裝置，在測量搖臂上增加一個裝有尖鐵片的滑塊，鐵片指向圓心，此時鐵片即為指向圓心的參照物。操作者調(diào)整搖臂和滑塊使鐵片尖部靠近靜葉葉尖，比對葉尖與鐵片偏轉(zhuǎn)距離或角度，并調(diào)整圍帶或靜葉使靜葉葉尖與鐵片重合，從而達到檢查和調(diào)整靜葉輻射線的目的。

圖5 靜葉輻射線檢查機構(gòu)示意圖

1.5 底座設(shè)計

由于圍帶裝夾機構(gòu)、圍帶調(diào)整機構(gòu)、圍帶直徑測量機構(gòu)、輻射線檢查機構(gòu)裝配在底座上，同時需滿足以下幾點要求：1）圍帶調(diào)整機構(gòu)能在底座上沿徑向運動；2）圍帶調(diào)整機構(gòu)能在底座上沿周向布置；3）圍帶直徑測量機構(gòu)和輻射線檢查機構(gòu)能在底座上沿周向旋轉(zhuǎn)。

因此底座設(shè)計成半圓盤，在半圓盤上沿周向布置徑向槽以安裝圍帶裝夾機構(gòu)和圍帶調(diào)整機構(gòu)，半圓盤圓心上設(shè)計軸孔以安裝圍帶直徑測量機構(gòu)和輻射線檢查機構(gòu)。

圖6 工裝底座及各功能結(jié)構(gòu)示意圖

1.6 優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化設(shè)計是將優(yōu)化原理和計算技術(shù)應(yīng)用于工程設(shè)計領(lǐng)域的一種科學(xué)設(shè)計方法，它可從眾多的設(shè)計方案中選出最優(yōu)設(shè)計方案，從而大大提高設(shè)計效率和質(zhì)量[2]。利用優(yōu)化設(shè)計思想和計算方法，并仔細分析直圍帶裝配過程后，我們對原始的設(shè)計方案進行了以下優(yōu)化：

1）一般工裝的公差為產(chǎn)品工藝要求的1/5～1/3，工件尺寸為自由公差時，工裝的基準(zhǔn)尺寸公差應(yīng)為±0.1，角度公差為5＇[3]。因此，我們對工裝的加工和裝配公差進行了優(yōu)化調(diào)整，提高工裝精度和使用便利性。

2）梯形螺紋是最常用的傳動螺紋，工藝性能好，牙根強度高，對中性好[4]。為保證螺桿的使用壽命，我們將原設(shè)計的M30螺桿優(yōu)化成Tr30。

3）為了把潤滑導(dǎo)入整個摩擦面間，軸瓦或者軸頸上需要開設(shè)油孔或油槽[5]。因此，我們在螺桿兩端的軸頸上增加了環(huán)形油槽，保證螺桿軸頸充分潤滑，減小摩擦阻力，延長螺桿軸頸壽命。

4）由于裝夾點會對圍帶局部有影響，所以將圍帶裝夾點之間的角度由30°調(diào)整到31°，使中分面處兩裝夾點角度大于180°，為186°。

5）由于圍帶裝夾點的數(shù)量太多會顯著影響裝配效率，在不影響裝夾精度的情況下，將裝夾點的數(shù)量優(yōu)化到7組。

6）由于測量劃針到立柱距離需使用較大的卡尺，為便于使用小卡尺測量，在搖臂上增加了一個凸塊過渡測量。

7）由于圍帶固定及調(diào)整時需要使用壓板輔助固定，因此在底座上增加了壓板固定螺桿的螺孔。

圖7 底座示意圖

圖8 直圍帶通用裝配工裝示意圖

2 工裝裝配及測試

2.1 工裝裝配

按總裝圖將圍帶裝夾機構(gòu)、圍帶調(diào)整機構(gòu)、圍帶直徑測量機構(gòu)、輻射線檢查機構(gòu)裝配在底座上，如圖9所示。

圖9 工裝實物圖

2.2 工裝測試

為驗證夾具的裝配精度及效率，我們在隔板J1631.025003上進行圍帶裝配工藝試驗。圍帶裝配過程主要分為：滑塊卡槽調(diào)整、直圍帶裝夾、葉片裝配、葉柵點焊。

1）滑塊卡槽調(diào)整。通過卡尺測量，調(diào)整劃針至內(nèi)外圍帶汽道側(cè)半徑。以劃針為標(biāo)準(zhǔn)，使用扳手轉(zhuǎn)動螺桿移動圍帶卡槽，使圍帶卡槽貼合內(nèi)外圍帶汽道側(cè)，即將卡槽調(diào)整完畢。

2）直圍帶裝夾。將內(nèi)外圍帶裝入卡槽中，并使用螺釘將圍帶固定在卡槽上；轉(zhuǎn)動劃針，比對劃針與圍帶間距，并微調(diào)螺桿，使間距小于1 mm。

3）葉片裝配。按直圍帶標(biāo)準(zhǔn)裝配流程裝入3片葉片及全部葉片；使用卡尺和螺桿測量和調(diào)整圍帶喉高；使用輻射線裝置檢查和調(diào)整葉片輻射線；使用測量規(guī)和卡尺測量葉片喉寬和節(jié)距。通過測量葉柵喉高、喉寬來計算葉柵通流面積，調(diào)整葉柵及葉片使之滿足葉柵裝配要求。

目前已在隔板J1631.025003上進行圍帶裝配工藝試驗，內(nèi)外圍帶半徑偏差為±1 mm，上半葉柵喉高平均偏差為+0.02 mm、喉寬平均偏差為-0.04 mm，出口面積偏差為-0.33%，下半葉柵喉高平均偏差為+0.02 mm、喉寬平均偏差為-0.07 mm，出口面積偏差為-0.63%，達到了喉高偏差為±0.25 mm、喉寬偏差為±0.25 mm、出口面積偏差為±2%的設(shè)計要求及項目目標(biāo)。

圖10 圍帶裝配

圖11 靜葉裝配

3 結(jié)語

這種直圍帶裝配工裝滿足直圍帶葉柵裝配工藝要求，可降低工裝生產(chǎn)、存儲成本，減少隔板生產(chǎn)等待工裝的周期，達到了通用工裝的設(shè)計要求，可代替圓墊環(huán)進行直圍帶裝配及加工。