平衡球車削工藝的改進(jìn)

鄭志成，張麗榮

(1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040;2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱150080)

1 前言

大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的平衡精度是水輪機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行的重要技術(shù)指標(biāo)，而轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)工具是對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)的重要工藝裝備，見圖1。

其工作原理是將轉(zhuǎn)輪懸置在平衡工具的平衡球上，通過調(diào)整使轉(zhuǎn)輪和平衡工具組合后的重心低于平衡球的球心并保證合理的距離，在保證一定靈敏度的條件下獲得平衡。沒有經(jīng)過配重的轉(zhuǎn)輪懸置在平衡工具上，轉(zhuǎn)輪的重心G并不再平衡球心O與球面頂點(diǎn)的連線OE上，而在直線OF的G'上，此時轉(zhuǎn)輪處于不平衡狀態(tài)，與水平線形成傾斜角度α，平衡球的接觸點(diǎn)不是E而是F。要使轉(zhuǎn)輪處于平衡狀態(tài)，則必須根據(jù)水平儀的度數(shù)在R處增加配重塊，使轉(zhuǎn)輪繞平衡球心旋轉(zhuǎn)α角，使平衡球的接觸點(diǎn)由F點(diǎn)回到E點(diǎn)，轉(zhuǎn)輪的重心G回到平衡球心O的垂直線OE上，達(dá)到穩(wěn)定平衡，見圖2。平衡方程為:

式中:m為轉(zhuǎn)輪和平衡工具重量總和;m1為所加平衡配重塊重量;R為配重塊位置到轉(zhuǎn)輪中心的距離;a為轉(zhuǎn)輪中心偏移水平距離;μ為平衡球與平衡鏡板的滾動摩擦系數(shù)。

由平衡方程我們可以看出，式中mμ是由于平衡球與平衡鏡板之間的滾動摩擦形成的力矩，理想狀態(tài)下該力矩為零，但在理論上該力矩是客觀存在的，并且在配重過程中被計入了偏重力矩，將作為不平衡質(zhì)量殘留在被試驗(yàn)的轉(zhuǎn)輪中。如果平衡球的表面粗糙度較差，會使?jié)L動摩擦系數(shù)μ增大，從而增加殘留的不平衡質(zhì)量，影響轉(zhuǎn)輪平衡精度。因此平衡球的表面質(zhì)量成為影響轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)精度的一個重要因素。

圖1 轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)工具示意圖

圖2 轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)原理圖

下面介紹一種通過改進(jìn)平衡球的車削工藝來提高轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)精度的工藝方法。

2 傳統(tǒng)加工方法存在的問題

眾所周知，在端面車削過程中，刀具越是接近工件的圓心，切削線速度就越低，在圓心處的切削線速度降低為零，因此，在靠近工件圓心的區(qū)域很難得到較好的表面粗糙度質(zhì)量。平衡球球面的車削，與端面的車削原理相同，也存在這樣的問題，靠近球面頂點(diǎn)處表面粗糙度質(zhì)量較差，只能達(dá)到Ra=3.2，經(jīng)過手工砂光后又會破壞球面的形狀。長期以來，這已經(jīng)成為我公司提高轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)精度的一個技術(shù)瓶頸，見圖3。

圖3 平衡球傳統(tǒng)加工方法存在的問題

3 加工工藝的改進(jìn)

為了突破這一技術(shù)瓶頸，提高水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的配重精度，筆者對轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)的原理和操作過程進(jìn)行了深入的研究。研究表明在轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)過程中，為了避免轉(zhuǎn)輪傾倒發(fā)生危險，只允許轉(zhuǎn)輪在較小的角度范圍內(nèi)擺動，平衡球的有效工作區(qū)域集中在以球面頂點(diǎn)為圓心，直徑僅為Φ15 mm的較小的圓形范圍內(nèi)，因此，如果在平衡球車削過程中能夠把工件的回轉(zhuǎn)中心移出這個區(qū)域，問題就可以得到解決。

經(jīng)過上述分析，對平衡球的車削工藝進(jìn)行了改進(jìn)。按照傳統(tǒng)的加工工藝，平衡球的球面車削是在數(shù)控車床上一次裝夾車削完成的的，見圖2。經(jīng)過工藝改進(jìn)后，將球面的加工分為兩個工步進(jìn)行。首先按照傳統(tǒng)的加工方法，對球面進(jìn)行粗車，留0.3～0.5 mm余量。再使用專用夾具，重新裝夾工件，使工件的軸線與機(jī)床主軸的軸線形成一個7°的夾角，對球面進(jìn)行精車，去除粗車時留下的余量，見圖4。為了得到較好的表面粗糙度質(zhì)量，精車時應(yīng)選擇合理的切削用量，經(jīng)過多次試切，結(jié)果表明，最佳的精車切削用量為:切削速度V=130～140 m/min，背吃刀量Ap=0.08 mm，進(jìn)給量F=0.06 mm/轉(zhuǎn)。通過采取這一工藝措施，在精車球面時工件的回轉(zhuǎn)中心從“A”點(diǎn)移動到了“B”點(diǎn)，平衡球的有效工作區(qū)域的車削線速度得到了明顯的提高，表面粗糙度由過去的Ra=3.2提高到了Ra=0.8，同時將表面粗糙度質(zhì)量最差的部分移出了有效工作區(qū)域。從而解決了轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)工具平衡球球面頂點(diǎn)處表面粗糙度差，影響轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)精度的技術(shù)難題。

圖4 改進(jìn)后的加工工藝

4 結(jié)語

本文介紹的工藝方法已經(jīng)在水津、蜀河、甘再、山圖迪斯等水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)工具上得到了成功的應(yīng)用，實(shí)踐表明，改進(jìn)后的工藝方法能夠有效提高平衡球的有效工作區(qū)域的表面質(zhì)量，技術(shù)效果明顯，使轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)精度得到了顯著的提高，從而使轉(zhuǎn)輪的配重更加精確，為減小水輪機(jī)運(yùn)行過程中的震動，提高水輪機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性起到了重要作用。希望本文能為水輪機(jī)制造同行提供參考和借鑒。