一種通用直圍帶裝配工裝的設計

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作為隔板圍帶加工及裝焊的工裝，其使用步驟為：1）準備對應圓墊環；2）測量確認圓墊環上的環槽；3）內外圍帶嵌入對應環槽內；4）內外圍帶上裝入靜葉；5）樣板檢查靜葉輻射線；6）檢查內外圍帶間距；7）調整內外圍帶，并復測內外圍帶間距及靜葉輻射線；8）檢查靜葉之間節距、喉寬；9）調整靜葉節距、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整。因此，我們將從圍帶裝夾機構及圍帶調整機構兩方面設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，設計了圍帶測量機構及靜葉輻射線檢查機構。

圖1 圓墊環裝配隔板圍帶示意圖

1 工裝設計

1.1 圍帶裝夾機構設計

直圍帶是一種半圓形直筒。圍帶裝夾機構是一個能夾住圍帶的“夾子”。為保證圍帶裝夾機構可以裝夾不同直徑的直圍帶，設計了一個卡槽充當“夾子”夾住圍帶，卡槽與圍帶接觸的一側設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。

1.2 圍帶調整機構設計

圍帶調整結構主要用于移動及固定圍帶卡槽。通過對比各種固定及微調機構，選擇“螺旋機構”來完成圍帶卡槽的移動、固定和微調。螺旋機構由螺桿、螺母和機架組成，它將旋轉運動轉換為直線運動，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。由于內外圍帶同時裝配，因此圍帶調整機構由兩組“螺桿、滑塊、圍帶卡槽”疊加組成。

圖2 圍帶卡槽示意圖

圖3 圍帶調整機構示意圖

1.3 圍帶半徑測量機構設計

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、準確地將各組卡槽調整至裝配尺寸，需要設計一組半徑測量機構，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，設計了一組搖臂測量機構，它由3部分組成：立柱、搖臂、滑塊。搖臂可在立柱上圓周轉動和上下移動，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，通過測量和調整劃針到立柱的距離，即可使劃針處于不同半徑的節圓上，從而可測量和調整圍帶卡槽和圍帶的半徑。

圖4 圍帶測量調整機構示意圖

1.4 靜葉輻射線檢查機構設計

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量。靜葉輻射線偏轉量測量基本原理為：設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的距離或角度來檢查靜葉輻射線偏轉量。

根據靜葉輻射線偏轉量測量基本原理，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距離或角度，并調整圍帶或靜葉使靜葉葉尖與鐵片重合，從而達到檢查和調整靜葉輻射線的目的。

圖5 靜葉輻射線檢查機構示意圖

1.5 底座設計

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

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

圖6 工裝底座及各功能結構示意圖

1.6 優化設計

優化設計是將優化原理和計算技術應用于工程設計領域的一種科學設計方法，它可從眾多的設計方案中選出最優設計方案，從而大大提高設計效率和質量[2]。利用優化設計思想和計算方法，并仔細分析直圍帶裝配過程后，我們對原始的設計方案進行了以下優化：

1）一般工裝的公差為產品工藝要求的1/5～1/3，工件尺寸為自由公差時，工裝的基準尺寸公差應為±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化調整，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，我們將原設計的M30螺桿優化成Tr30。

3）為了把潤滑導入整個摩擦面間，軸瓦或者軸頸上需要開設油孔或油槽[5]。因此，我們在螺桿兩端的軸頸上增加了環形油槽，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，將裝夾點的數量優化到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、圍帶調整機構、圍帶直徑測量機構、輻射線檢查機構裝配在底座上，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：滑塊卡槽調整、直圍帶裝夾、葉片裝配、葉柵點焊。

1）滑塊卡槽調整。通過卡尺測量，調整劃針至內外圍帶汽道側半徑。以劃針為標準，使用扳手轉動螺桿移動圍帶卡槽，使圍帶卡槽貼合內外圍帶汽道側，即將卡槽調整完畢。

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

3）葉片裝配。按直圍帶標準裝配流程裝入3片葉片及全部葉片；使用卡尺和螺桿測量和調整圍帶喉高；使用輻射線裝置檢查和調整葉片輻射線；使用測量規和卡尺測量葉片喉寬和節距。通過測量葉柵喉高、喉寬來計算葉柵通流面積，調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%的設計要求及項目目標。

圖10 圍帶裝配

圖11 靜葉裝配

3 結語

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、存儲成本，減少隔板生產等待工裝的周期，達到了通用工裝的設計要求，可代替圓墊環進行直圍帶裝配及加工。