關于大型水輪機頂蓋底環軸孔加工系統開發與應用

丁達兵

摘 要：本文針對傳統水輪機頂蓋、底環軸孔加工過程中已產生誤差的問題，在現有數控龍門機基礎上，應用最小二乘法原理，設計了一套新的加工系統。通過實際應用，表明該系統能夠對加工零件的尺寸精度和表面光潔度產生積極影響，值得推廣。

關鍵詞：水輪發電機;零部件加工制造;頂蓋底環軸孔;加工系統;開發與應用

引言

水輪發電機是我國水資源利用過程中十分重要的設備。這是一種垂直組裝的旋轉機器，配備可傾瓦軸頸軸承，以亞臨界速度運行。水輪發電機型號不一，功率從 1 到 700 MW，速度在 60 到 1000 rpm 的范圍內[1]。其中的大型水輪發電機是我國水資源利用進入百萬級容量的必要設備。在大型水輪發電機結構中，頂蓋和底環的加工制造水平直接關系到這些機器的動態行為，極為關鍵。特別是頂蓋、底環的軸孔加工，需要精確到d0.1mm-d0.2mm，要求極高且工序復雜，傳統的加工制造技術已經難以勝任，需要探索一套新的加工制造方法。

大型水輪機頂蓋底環軸孔加工系統設計

1.1大型水輪機頂蓋底環軸孔加工系統應用原理

頂蓋、底環的軸孔加工最主要的部分是消除“誤差”，這也是應用數控龍門銑加工軸孔的關鍵核心。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計方法。該方法是由勒讓德（1805）、高斯（1806，1809）和阿德萊恩（1808）獨立發展起來的，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性質而被廣泛用于擬合回歸線的技術，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）誤差。最小二乘法使用輸入-輸出測量對獲得給定系統的估計，并假設輸入和輸出對線性相關的模型。其優點之一是可以在接收輸入-輸出對時實時使用。從這個意義上講，回歸直線是一個隨機變量期望的模型，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，它取決于解釋變量 x 和一個參數向量，比如說 p，對于參數 p * 的某個值提供了最佳擬合?；诖?，大型水輪機頂蓋、底環軸孔間實測的弦距和表示為：

式（2）中，T——軸孔間弦距設計值;

Ti——軸孔間弦距實測值;

vi——各次數的測量誤差;

ti——各間隔軸孔弦距實測值。

基于上述最小二乘法以及組合測量技術對頂蓋、底環導葉軸孔關聯參數數據的處理應用。本工藝方案利用頂蓋、底環的基準圓半徑 Rj、導葉軸孔邊心距L，計算軸孔分度圓半徑 Rb;計算出頂蓋、底環各軸孔的弦差、半徑差、位置誤差;利用匹配的頂蓋、底環導葉軸孔，間弦距 T。軸孔分度角 W，如圖1 所示，滿足設計要求即可完成各軸孔的精加工。

1.2大型水輪機頂蓋底環軸孔加工系統設計實現

依據大型水輪機頂蓋、底環軸孔的設計要求、實際參數和加工系統的原理，所設計的系統采取了模塊化的設計和實現方法，按照大型水輪機頂蓋、底環軸孔的加工所需，將系統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“標準件參數模塊”“加工件參數模塊”和“程序管理模塊”，輸出層的“標準件節圓半徑模塊”“標準件弦長模塊”“標準件節圓修正模塊”“加工件節圓半徑模塊”“加工件節圓修正模塊”“自動生成代碼模塊”“程序仿真驗證模塊”。

系統設計完成后，通過C#實現系統的開發和實現。為了適應各種各樣的范例，通用c # 以幫助建立通用數控機床的接口模型。它允許定義一些應用參數，例如數控機床的型號/品牌，以及機器參數和頻率。主要目的是定義運行時的函數參數，也就是說，當需要獲取不同的數據，或者需要在不同的頻率獲取不同的數據時，不需要為特定的機器重新編譯服務器應用程序。在這種實現方式下，系統完成后，使用球桿精度測試進行性能分析，以確定機器零件的運動對加工零件的尺寸精度和表面光潔度的影響。

大型水輪機頂蓋、底環軸孔加工的傳統方法包括使用直線電機和滾珠絲杠驅動來獲得工作臺運動。在這項工作中對傳統數控機床加以改進，應用最小二乘法消除實際加工中的誤差，以此增強型數控龍門機的加工水平，使得數控龍門機能夠更好的進行水輪機頂蓋、底環軸孔加工。轉動所需的工作臺的高角速度會導致工作臺軸承支架發熱和底座熱變形。如果在車削后立即進行銑削或鉆孔，則應校正機床軸的運動，以消除由于偏轉而產生的加工誤差。

結果表明，所開發系統的直線度從 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量的產品，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是進給速度和切削速度。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） 參數作為參考創建了一個實驗模型，用于車削過程中的最小表面粗糙度，輔助完成軸孔加工。

為了進一步驗證系統的實際應用效果，運用該系統進行某大型水輪發電機的頂蓋、底環軸孔加工。加工過程十分簡單：在系統中輸入需要加工的頂蓋軸孔半徑和弦長的測量值，進而得到誤差修正后的頂蓋軸孔的節圓半徑，將其輸入得到底環的軸孔參數，此時啟動數控機床，加工完成。結果顯示，加工后同軸度最大值為0.166 mm，滿足設計制造要求。

結束語：

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，詳細介紹了一種大型水輪機頂蓋底環軸孔加工系統的設計和實現方法，以及選擇合適的速度和機床進給量。經過實證分析，該系統確實能夠提升水輪機頂蓋、底環軸孔加工水平。

參考文獻：

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

[2]喬杰，吳家奎，謝賢斌. 大型水輪機頂蓋底環軸孔加工系統開發與應用[J]. 東方電氣評論，2019，33（1）：45-48.