汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽襯專用滾剪設(shè)備設(shè)計(jì)

馮天福

（東方電氣股份有限公司，成都 611731）

東方電氣股份有限公司對汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽襯加工的原工藝為圓盤鋸加工。因?yàn)樵诩庸み^程中鋸齒與工件之間存在高速沖擊，而且槽襯為較脆的絕緣層壓板料，所以在加工過程中會產(chǎn)生較大粉塵和噪聲，而且加工精度也難以控制，從而導(dǎo)致加工效率較低。為此，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子槽襯專用加工設(shè)備來解決這些問題。

1 背景介紹

1.1 轉(zhuǎn)子槽襯加工要求

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽襯是厚度約為1.5 mm，長度為6～9 m 米的“L”形超長絕緣板料，如圖1 所示。槽襯毛坯由復(fù)合材料壓制而成，在A、B 尺寸方向存在余量毛邊，需根據(jù)圖紙要求去除毛邊以滿足尺寸公差要求。

圖1 槽襯尺寸圖

1.2 圓盤鋸加工方式

1.2.1 加工過程

首先，初步加工板料，加工時(shí)選擇圓盤鋸片裝卡牢固，然后在平臺上調(diào)整、壓緊擋板，開啟設(shè)備去除槽襯A、B 高度方向毛邊，并留20～30 mm 加工余量。其次，精加工A、B 高度，加工時(shí)先調(diào)整擋板位置至產(chǎn)品要求尺寸，然后開啟設(shè)備試切削10～20 mm，并測量試切削部分的尺寸，達(dá)到圖紙尺寸要求后開始加工整體槽襯。最后，對加工完成后的槽襯進(jìn)行打磨鉗修處理。加工示意圖如圖2 所示。

圖2 槽襯加工示意圖

1.2.2 主要缺點(diǎn)

第一，加工過程中圓盤鋸片會對產(chǎn)品產(chǎn)生高速沖擊，斷面毛刺多，且易造成斷面分層，同時(shí)，加工過程中產(chǎn)生的噪聲大、粉塵多，對職工身心健康影響很大。第二，加工尺寸不易控制，往往需多次校準(zhǔn)才能夠保證，調(diào)整過程麻煩，耗費(fèi)工時(shí)較長。第三，需要人工送料及引料，操作不便，勞動強(qiáng)度大。第四，加工后工件斷面毛刺多，需進(jìn)行手工打磨鉗修處理，加工精度一般，如圖3 所示。

圖3 加工斷面示意圖

2 轉(zhuǎn)子槽襯專用滾剪設(shè)備結(jié)構(gòu)

該專用設(shè)備主要由滾剪刀盤組、定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、電氣數(shù)顯裝置、支撐架體等組成，裝配結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 滾剪設(shè)備結(jié)構(gòu)

3 工作原理分析

3.1 滾剪機(jī)理

滾剪過程及槽襯變形過程如圖5 所示。加工時(shí)，槽襯工件通過兩圓盤滾刀之間時(shí)，刀片會給槽襯施一定的擠壓力，使槽襯與刀盤接觸區(qū)域產(chǎn)生變形，隨著切入深度增加，槽襯在接觸區(qū)域的變形量也隨之增加，槽襯工件將先后發(fā)生彈性變形及塑性變形，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度時(shí)（與槽襯工件材料參數(shù)有關(guān)，一般為厚度的1/4～3/4），受壓的部分就會從原板上斷裂。兩刀盤間在水平方向及豎直方向均要求有間隙量或者重疊量，該間隙量或者重疊量的大小將對滾剪加工過程產(chǎn)生重要影響。

圖5 剪切過程

3.2 滾剪過程力學(xué)分析

在滾剪加工過程中，槽襯會受到刀盤產(chǎn)生的擠壓力N及摩擦力F。壓力N在豎直方向的分力P1起到剪切作用，在水平方向的分力Q起到阻止槽襯進(jìn)入刀口的作用；摩擦力F在水平方向的分力R會起到對工件自動牽引進(jìn)料的作用，在豎直方向的分力P2會起到剪切槽襯工件的作用。P1及P2的合力形成了剪切力P。另外，滾刀組軸需要輸入相應(yīng)滾剪力矩M以驅(qū)動整個(gè)工作流程。滾剪加工過程中，槽襯受力分析示意圖如圖6 所示。

圖6 槽襯受力分析示意圖

3.3 受力計(jì)算

結(jié)合圖6（a）可以計(jì)算出所需剪切力P'為：

式中：K1為刀刃側(cè)向間隙影響系數(shù)，取值為1.2～1.4；K2為刀刃磨鈍影響系數(shù)取值為1.1～1.3；τ為被剪槽襯材料的剪切抗力；SABCD為四邊形ABCD的面積；α為送料角；h為槽襯厚度；ε為發(fā)生斷裂時(shí)，槽襯工件的相對切入深度，該參數(shù)與材料相對延伸率有關(guān)。

分析可見，剪切力與槽襯送料角、槽襯厚度、刀具性能、刀盤組安裝相對位置及槽襯材料性能參數(shù)均有關(guān)。在實(shí)際工作過程中，由于刀盤重合量x及槽襯厚度h相對于刀盤直徑2r來說很小，故α實(shí)際變化量很小，因此所需剪切力P'會隨槽襯厚度h增加而增大。

剪切過程中，槽襯所受摩擦力F為：

式中：μ為刀盤與槽襯之間的摩擦力因素。

理論剪切力P為：

分析可見，能否實(shí)現(xiàn)自動牽引送料只與送料角α有關(guān)。由于α＜90°，故送料角α應(yīng)隨刀盤半徑r增大而減小，隨工件厚度h 及上下刀盤豎直方向重疊量x增大而增大。而刀盤與槽襯間的摩擦力因素μ及相對切入深度ε只由材料性能決定，為固定值，因此在槽襯厚度h一定的情況下，可采取增大刀盤半徑及減小刀盤間豎直方向重疊量的方法來保證自動牽引送料成功。

4 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 刀盤間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)及調(diào)整方式

由上述分析可知，刀盤間豎直方向必須有間隙量或者重疊量，此間隙量或者重疊量需要滿足槽襯工件剪切時(shí)相對切入深度的要求，從而使槽襯毛邊料從工件上斷裂；另外，刀盤在豎直方向的相對位置關(guān)系量x也會影響到滾剪能否自動進(jìn)料。由于槽襯為自制材料，無法準(zhǔn)確確定其性能參數(shù)μ及ε，因此需要保證刀盤在豎直方向的間隙能夠調(diào)整，以便在裝配過程中隨時(shí)調(diào)試x值，使其滿足加工要求。

刀盤水平側(cè)向間隙會對滾剪質(zhì)量產(chǎn)生影響。結(jié)合槽襯板材的厚度和強(qiáng)度，若側(cè)向間隙過大，剪切時(shí)槽襯會產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象，且槽襯斷面毛刺較多；若側(cè)向間隙過小，又會導(dǎo)致設(shè)備超載、刀刃磨損快等問題。因此，刀盤間隙的調(diào)整對該專用滾剪設(shè)備非常重要，間隙的大小將直接影響刀盤的使用壽命、剪切質(zhì)量及設(shè)備運(yùn)行情況等。槽襯專用滾剪設(shè)備剪切部分的結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 槽襯專用滾剪設(shè)備剪切部分的結(jié)構(gòu)

豎直方向重疊量調(diào)整方式：第一，改變兩滾刀盤的直徑可以直接調(diào)整兩刀盤在豎直方向的重疊量或間隙量；第二，在上下軸支架之間增加調(diào)整墊片，通過調(diào)整墊片厚度能夠調(diào)整上下軸的間距，從而調(diào)整滾刀盤的重疊量或間隙量；第三，拉開或者縮小上下軸的間距會對齒輪的傳動造成影響，但由于槽襯厚度很薄，在刀盤豎直方向調(diào)整量需求不大，故采用負(fù)變位齒輪，配湊偏小的中心距，以滿足少量的軸距調(diào)整要求。第四，除在上下支架之間加調(diào)整墊片之外，還可以在下軸承座下加調(diào)整墊片，也可以起到調(diào)整軸距的作用。水平方向側(cè)向間隙量調(diào)整方式：修磨上滾刀刀柄盤或下滾刀刀柄盤能夠起到調(diào)整一對滾刀側(cè)向間隙的效果。

因?yàn)樵趯?shí)際使用過程中，槽襯工件厚度變化很小，所以在一次調(diào)整完成后，就能夠適應(yīng)長期槽襯滾剪加工要求，刀盤在各方向相對位置關(guān)系量的調(diào)整也只需在設(shè)備安裝調(diào)試過程中一次調(diào)整完成即可，不需頻繁調(diào)整。因此經(jīng)過以上調(diào)整環(huán)節(jié)已可以滿足該加工條件對設(shè)備的要求，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡潔，無需另設(shè)專門的間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。

4.2 導(dǎo)向輪組間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)

除滾剪加工執(zhí)行機(jī)構(gòu)之外，槽襯工件定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)也是該設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一。定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)將影響槽襯通過滾剪刀口的穩(wěn)定性，從而影響加工后工件斷面的直線度，這一直線度將反映為工件尺寸A、B 的公差。而尺寸A、B 的公差正是該專用設(shè)備需要滿足的關(guān)鍵控制要求。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

為使槽襯能夠穩(wěn)定定位導(dǎo)向，槽襯工件需要在導(dǎo)向輪中盡量夾緊。然而，由于槽襯為細(xì)長工件，剛性較差，如果被過分夾緊不利于槽襯通過導(dǎo)向通道。雖然配有導(dǎo)向輪，槽襯工件與導(dǎo)向輪之間為滾動摩擦，但過分夾緊仍會影響自動牽引送料的效果，甚至有可能引起槽襯卡阻及彎曲變形等。因此，在該專用設(shè)備安裝調(diào)試過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況將導(dǎo)向輪之間的間隙量調(diào)整到合適的值。另外，因?yàn)樵谒椒较蚣柏Q直方向均布置有導(dǎo)向輪組，所以需要在導(dǎo)向塊的水平及豎直方向設(shè)計(jì)調(diào)整環(huán)節(jié)，以滿足安裝調(diào)試要求。導(dǎo)向塊調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)如圖9 所示。

圖9 導(dǎo)向塊調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)

4 應(yīng)用效果

該汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽襯專用滾剪設(shè)備能夠通過磁柵尺準(zhǔn)確測量加工過程中的加工尺寸，并且能夠通過電氣數(shù)顯等方式直觀準(zhǔn)確地反映加工過程中的尺寸控制情況。通過導(dǎo)向裝置，能夠使槽襯平穩(wěn)準(zhǔn)確地通過滾剪刀口，保證了加工精度，降低了工件送料過程的摩擦力。除此之外，在該圓盤滾剪設(shè)備加工過程中，圓盤滾刀能夠?qū)Σ垡r進(jìn)行連續(xù)剪切，不存在沖擊，從而消除了噪聲和粉塵，改善了工作環(huán)境，且斷面無毛刺，加工效果較好，加工后的槽襯工件斷面如圖10所示。

圖10 槽襯加工斷面

從圖10 可以看出，通過滾剪專用設(shè)備加工后，斷面精度良好，從而免除了打磨工序，極大地提高了加工效率，而且通過該設(shè)備能夠自動牽引送料，免除了操作人員手動送料的工作，減輕了勞動強(qiáng)度，提升了裝置的可操作性。

5 結(jié)語

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽襯專用滾剪設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用，成功解決了原槽襯加工過程中存在的各種問題，在提升加工精度及效率、改善可操作性及車間工作環(huán)境等方面均取得了良好的應(yīng)用效果，為優(yōu)化汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽襯加工工藝起到了很好的推動作用，也為今后汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽襯高產(chǎn)量、高質(zhì)量的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。