汽輪機(jī)預(yù)扭葉片裝配試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)

秦大朋， 于忠海， 辛紹杰， 王啟明， 田宇晟， 謝金龍， 王佳茂

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海201306)

0 引言

百萬(wàn)千瓦超超臨界汽輪機(jī)中廣泛采用了T型葉根的預(yù)扭動(dòng)葉片裝配，動(dòng)葉片的裝配需要工人手工揮錘通過(guò)工具完成。依靠填隙條在葉根槽內(nèi)塑性變形脹緊葉片，要求葉根之間與圍帶之間的間隙以及葉片扭轉(zhuǎn)量均在預(yù)定公差內(nèi)[1-2]。

目前，在國(guó)內(nèi)、外的汽輪機(jī)動(dòng)葉片裝配中都是人工揮錘擊打填隙條或鋼條脹緊葉片，并使葉片根部貼合到前一個(gè)葉片根部（在一定的公差范圍內(nèi)）。人工揮錘擊打安裝葉片存在兩個(gè)問(wèn)題：一是勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率較低；二是容易發(fā)生工傷事故。國(guó)內(nèi)、外人工揮錘擊打裝配葉片問(wèn)題已經(jīng)成為一直困擾生產(chǎn)廠家動(dòng)葉片裝配的技術(shù)難題[3-5]。急需探索、尋找一套能夠解決裝配問(wèn)題的設(shè)備。實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)葉片的裝配工作。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 電動(dòng)十字滑臺(tái)設(shè)計(jì)

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文基于SolidWorks虛擬樣機(jī)技術(shù)[6]，設(shè)計(jì)了一套汽輪機(jī)預(yù)扭葉片裝配試驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò)零部件選型與加工，制造出實(shí)體樣機(jī)進(jìn)行裝配試驗(yàn)。

汽輪機(jī)預(yù)扭葉片裝配試驗(yàn)平臺(tái)主要包括裝配平臺(tái)框架、電動(dòng)十字滑臺(tái)、力平衡系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子試件承載架等4部分，通過(guò)框架支撐整個(gè)平臺(tái)，通過(guò)十字滑臺(tái)選擇裝配工位，通過(guò)力平衡系統(tǒng)抵消沖擊裝配工具的重力，通過(guò)轉(zhuǎn)子試件承載架承載試驗(yàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，各部分配合使用，從而

圖1 電動(dòng)十字滑臺(tái)

汽輪機(jī)動(dòng)葉片裝配在轉(zhuǎn)子葉輪的葉根槽內(nèi)，一根汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上需要安裝多級(jí)不同的葉片，每一級(jí)葉片裝配時(shí)的工位均不同，因此裝配平臺(tái)需要滿足移動(dòng)要求，在每裝配好一級(jí)葉片后，能夠根據(jù)需要準(zhǔn)確地將沖擊裝配工具移動(dòng)至下一級(jí)動(dòng)葉片裝配工位，進(jìn)行裝配工作。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，本文在平臺(tái)框架上方設(shè)計(jì)了一套十字滑臺(tái)裝置，如圖1所示，在橫向設(shè)置了兩條導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上部覆蓋有橫向移動(dòng)板，二者之間通過(guò)移動(dòng)滑塊進(jìn)行連接，滑塊可帶動(dòng)板在導(dǎo)軌上移動(dòng)[7-8]。橫向移動(dòng)板的動(dòng)力供給，依靠設(shè)置在框架一側(cè)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，通過(guò)絲杠螺母副的傳動(dòng)予以實(shí)現(xiàn)[9]。同理，在橫向移動(dòng)板上方也設(shè)置有2條導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上覆蓋有1塊縱向移動(dòng)板，導(dǎo)軌與板之間設(shè)有移動(dòng)滑塊進(jìn)行連接，縱向移動(dòng)板的移動(dòng)，依靠設(shè)置在橫向移動(dòng)板端部的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)絲杠螺母副傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。基于上述設(shè)計(jì)，平臺(tái)在XY平面內(nèi)可以準(zhǔn)確定位到任意工位。

2.2 力平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)動(dòng)葉片裝配的兩個(gè)錘擊步驟中，對(duì)填隙條和葉根的擊打都要一定的擊打力，因此裝配平臺(tái)采用了一套沖擊裝配工具，裝配工具質(zhì)量較重，若直接手持使用，將造成與車間現(xiàn)行辦法一樣的耗費(fèi)體力問(wèn)題和降低效率問(wèn)題。

因此，本文在平臺(tái)設(shè)計(jì)上，使用了塔式平衡器來(lái)彌補(bǔ)缺陷。塔式平衡器是一種吊掛重量較大的生產(chǎn)操作設(shè)備的輔助工具，它供生產(chǎn)線上從事持續(xù)性、重復(fù)性工作的人員使用，用于懸掛、集中、搬運(yùn)及移開工具，它易于操作氣動(dòng)、電氣及液壓工具，同時(shí)帶有保險(xiǎn)裝置，可避免懸掛對(duì)象墜落并且可以手動(dòng)鎖止被懸掛物的裝置[10]。平衡器與縱向移動(dòng)板底部的U型鉤連接，沖擊裝配工具與塔式平衡器底部連接，調(diào)節(jié)平衡器的重量調(diào)節(jié)旋鈕，使得沖擊裝配工具的重量被平衡，操作人員在通過(guò)十字滑臺(tái)將工位調(diào)整確定后，可以不費(fèi)力地將沖擊裝配工具上下移動(dòng)，完成每一片葉片的裝配。

圖2 力平衡系統(tǒng)

2.3 轉(zhuǎn)子試件承載架設(shè)計(jì)

對(duì)于待裝配的轉(zhuǎn)子，要求承載架具有足夠的強(qiáng)度，能夠有效支撐轉(zhuǎn)子，并且對(duì)裝配中的轉(zhuǎn)子有一定的鎖緊與固定作用，同時(shí)不能對(duì)已裝好的葉片產(chǎn)生干涉。

因此，在承載架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，本文采用了封閉式的框架設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)有V型支撐鐵[11-12]，在將轉(zhuǎn)子試件安裝到承載架上后，在上部設(shè)計(jì)有Ω型鎖緊裝置，能夠有效鎖緊轉(zhuǎn)子，防止其在裝配過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.4 裝配平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

考慮到承載架的工作高度、平衡系統(tǒng)及工具長(zhǎng)度以及車間高度，本文將裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)1500 mm、寬1000 mm、高3600 mm，從保證了整個(gè)平臺(tái)的正常工作，不產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

圖3 轉(zhuǎn)子試件承載架

圖4 裝配平臺(tái)框架

3 關(guān)鍵部件有限元分析

裝配試驗(yàn)平臺(tái)中，導(dǎo)軌及橫向縱向移動(dòng)板的剛度要求較高，若在工作中產(chǎn)生較大的形變，則會(huì)影響十字滑臺(tái)的移動(dòng)和裝配工位選擇，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)葉片裝配。其中，對(duì)橫向移動(dòng)板的剛度要求最高。

綜合考慮重量等因素，橫向移動(dòng)板采用2024鋁合金材料，并基于SoildWorks Simulation進(jìn)行有限元分析，沖擊裝配工具約20 kg，因此在橫向移動(dòng)板中部施加200 N的力，劃分網(wǎng)格[13-15]后，進(jìn)行求解，所得應(yīng)變?cè)茍D與位移云圖如圖5、圖6所示。

圖5 應(yīng)變?cè)茍D

圖6 位移云圖

根據(jù)仿真結(jié)果，材料的應(yīng)變與位移量符合要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定值，在裝配工作中，能夠保持良好的剛度。

4 選型與制造

1)裝配平臺(tái)框架制造。裝配平臺(tái)的框架使用了鋁型材，以角鋁進(jìn)行連接。工業(yè)鋁型材具有質(zhì)量輕、成型優(yōu)、強(qiáng)度高、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、可再生、污染少、維護(hù)費(fèi)低等眾多優(yōu)點(diǎn)，在眾多材料中脫穎而出，應(yīng)用十分廣泛。

2）電動(dòng)十字滑臺(tái)制造。十字滑臺(tái)的橫向移動(dòng)板和縱向移動(dòng)板使用2024鋁合金加工而成，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選用42BYGH34，轉(zhuǎn)矩0.28 N·m，直線導(dǎo)軌及滑塊均選擇上銀產(chǎn)品。裝配及調(diào)試效果良好。

3）力平衡系統(tǒng)制造。平衡器選擇雍馳產(chǎn)品，在實(shí)際調(diào)試中，可以根據(jù)沖擊裝配工具的重量，通過(guò)旋鈕進(jìn)行調(diào)整。

4）轉(zhuǎn)子試件承載架制造。轉(zhuǎn)子試件承載架的4根立柱使用方鋼制造，四周使用角鋼圍成封閉結(jié)構(gòu)，使用焊接連接。上部V型支撐鐵和Ω鎖緊裝置使用45鋼制造。現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)預(yù)扭葉片裝配試驗(yàn)平臺(tái)，有效地解決了人力錘擊裝配效率低、體力耗費(fèi)大、工傷頻發(fā)等問(wèn)題，通過(guò)電動(dòng)十字滑臺(tái)、力平衡系統(tǒng)、框架及承載架的配合，實(shí)現(xiàn)了預(yù)扭葉片的省力、高效裝配，提高了操作安全系數(shù)，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)的有效性，對(duì)于行業(yè)發(fā)展具有一定的意義。

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