水輪機現場修復專用機床的有限元分析與結構改進

向光輝，薛建彬，封 尚

(南京航空航天大學 機電學院，南京 210016)

0 引言

目前，我國的水電能源開發利用正處于飛速發展的階段。水電作為清潔能源，對緩解我國電力供應緊張、環保、以及節能減排都具有重大意義。我國河流的泥沙含量大，許多大型電站的發電設備(設施)如水輪機、轉輪室等的空蝕、磨損破壞非常嚴重。由于大型水電站的交通運輸不便，采用大型通用機床修復這些大型部件，不僅經濟上昂貴，而且也縮短了機組的發電時間，造成了嚴重的經濟損失［1］。而目前，水電站由于檢修時間和現場環境的限制，對水電站的轉輪、底環、座環等大型結構部件的修復，都還是停留在整體置換，或者人工堆焊打磨的階段［2］，所以提出了智能化程度高的現場修復理念。這種理念，不僅可以克服局部修補精度不高的問題，而且還可以節省大量的人力資源，通過與專業機床廠家的聯合研發，設計制作現場修復的專用數控機床，已經成為必要。

水輪機現場檢修的專用數控機床，要求的組合程度高，而且結構復雜。現場修復環境惡劣，是沒有像普通機床那樣堅實的地基基礎，只能根據水輪機現有的結構，因地制宜的對機床進行定位和安裝，那么強度和剛度、振動頻率等機械性的分析就尤為重要能關系到機床的加工精度、加工效率和工件表面粗糙度，關系到機床的安全可靠性及使用壽命。本文以水輪機現場檢修專用機床加工水輪機轉輪底環止漏環為例，使用美國參數技術公司開發的CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件Pro/Engineer，建立專用機床的三維模型，得到專用機床的三維模型圖，然后基于ANSYSWORKBENCH 有限元分析，進行水輪機現場檢修專用數控機床靜力學分析，分析得到了的床身變形、等效應力;進行專用機床床身結構的模態分析，得到專用機床的前六階固有頻率和振型，得出了水輪機現場檢修專用數控機床設計中的薄弱環節。針對水輪機現場檢修專用數控機床中的薄弱環節，對專用機床局部結構優化，再對優化后的結構進行靜力學和動態性能分析，驗證了機床的機械性能得到了進一步的提高。

1 機床的工作原理和機械結構

為了滿足水電站大型機組的中環，和轉輪上冠、轉輪下環、止漏環環帶、頂蓋止漏環、底環止漏環等多部位修復加工，專用數控機床，對轉輪修復加工，采取以轉輪做基座的支撐定位方式，見圖1;頂蓋、底環、座環等部件修復，機床采用懸掛支撐回轉方式［3］。

整機主要由回轉中心體、固定機架、回轉臂、精密數控刀架和電氣控制系統組成，通過配置不同的回轉臂和支撐方式組合，可以一機多用，實現對多種規格水輪機多個部位進行精密車削加工。機床主傳動(回轉中心體旋轉)采用伺服電機驅動，由數控系統控制;刀架的橫向和縱向進給均由數控系統控制，可實現精密車削機加工。在加工水輪機轉輪底環止漏環時的結構如圖2 所示。

圖1 水輪機轉輪修復加工結構圖

圖2 水輪機轉輪底環止漏環時的結構圖

2 機床靜力分析

水路及現場檢修專用機床結構復雜，利用Pro/ENGINEER 軟件建立機床的實體結構模型，本文主要是以機床修復水輪機轉輪底環止漏環時的結構為例做分析，具體結構如圖2 所示，把模型在Pro/ENGINEER轉換成igs(* igs)文件格式，導入到ANSYSWORKBENCH 中。該機床的幾何拓撲模型大而復雜，所以選用三維實體單元作為計算單元，采用四面體為網格剖分單元形狀［4］。通過ANSYSWORKBENCH 對模型進行網絡劃分，單元的材料為structure steel，材料密度為7.85E6，彈性模量設定為2.1E5MPa，泊松比為0.3。床身單元總數121559，共228047 個節點。機床有限元網格模型如圖3 所示。

工程中的實際結構都會受到外部載荷的作用。有限元模型是對實際結構的反應，利用有限元進行分析的一個重要步驟是檢驗結構在一定的載荷下的反應，在機床滿負荷運轉的極限加工情況下做分析，本機床中在支撐臂的四個端面和下側分別加上固定約束，在根據機床主軸的轉速范圍為:0～5r/min，按照最大轉速來計算，給機床0.52rad/s 的旋轉，根據切削過程中最大的進給量為0.6mm/r，最大切削深度為2mm，切向切削力為Fc，Fc≈4000N，方向與線速度方向相反，徑向切削力Fp，垂直指向刀尖，Fp≈2000N，軸向切削力Ff，Ff≈2000N，與機床進給的方向相反。機床所加載荷如圖4 所示。

圖3 機床有限元網格模型圖

圖4 機床所加載荷圖

在ANSYS Workbench 有限元軟件中直接加載計算，模型進行計算后處理，得到床身的整體應力變形圖(如圖5 所示)和最大應力分布圖(如圖6 所示)，以及各部件的最大變形(如表1 所示)。

圖5 整體機床變形圖

圖6 最大應力分布圖

表1 機床各部件變形量

根據以上數據，可看出整機的最大變形量為0.3199mm，而主要的變形主要集中在數控刀架上，刀架組件的變形量就達到了0.268mm，而數控刀架的變形就達到了0.227mm，由此數控刀架和刀架組件的結構急需改進。連接臂和回轉臂的變形也很明顯，可以進一步加強變成最大處，來提高機床的整體剛性。

該機床的整體結構等效應力如圖五所示，等效應力的最大值在上、下鍵的部位，最大等效應力為30.685MPa，這個應力水平是在高強度鋼的許用應力以下的;另外機器大部分區域的等效應力水平都比較低。從圖中我們可以看出應力集中的地方主要是在數控刀架的刀尖處，數控刀架的結構需要改善。

3 模態分析

因為機床的靜剛度只能反應它受切削力和工件與機床部件的重力等作用，并把這些力作為靜力考慮時機床抵抗變形的能力。但是，機床是一個彈性系統，在受到交變的激振力(即動態力)作用下將產生振動［5］。當機床工作時產生的振幅超出了允許的范圍時，將導致加工表面光潔度的惡化，加速刀具的磨損，影響加工精度，降低生產效率，嚴重時，將使機床不能正常工作這樣，就需要研究機床的動態特性問題［6］。根據振動理論，多自由度系統以某個固有頻率振動時所呈現出的振動形態稱為模態，此時系統各點位移存在一定的比例關系，稱固有振型。不論何種阻尼情況，機械結構上各點對外力的響應都可以表示成由固有頻率、阻尼比和振型等模態參數組成的各階振型模態的疊加。模態分析的核心內容是確定描述結構系統動態特性的參數［7］。ANSYS 的動力學分析流程一般由四個主要步驟組成:建立模型、設置分析類型和選項、加載和求解、查看結果。模態分析結果包含固有頻率、振型以及相對的單元應力結果［8］。依照上一節所述步驟，運用ANSYSWORKBENCH 軟件計算立柱結構的模態，結果如表2 所示。

第一階模態形式是床身兩側的上下擺動，第二階模態是床身在繞Y軸轉動，前二階模態形式相對比較簡單，自第三階模態開始，隨著頻率升高、節點增多，床身結構的模態比較復雜，振型集合了不同部分或者整體結構的彎曲、扭轉等。而薄弱的環節在第二階和第六階，最大的變形處都在刀尖處，可見刀架的結構有待優化，需要增加刀架的厚度和筋板的布局［9］。

表2 機床固有頻率、振幅及振型描述:

4 結構優化

4.1 結構優化

根據對機床的靜力學的分析和模態分析，綜合以上因素，在原來的基礎上做了三處的改進:

(1)對于機床的結構，機床回轉臂通過連接臂連接刀架的結構顯得有些多余，可直接加長回轉臂而取消掉連接臂，依然能滿足實際加工，而且很明顯機床的質心并沒有在旋轉軸上，于是要調節機床的重量使得機床的質心盡量靠近選擇軸，來提高機床的質量［10］。

(2)通過靜力分析和模態分析，我們可以看到最薄弱的環節刀架組件，把整個刀架加寬，從原來的500mm 的寬度加到600mm，壁厚也從原來的6mm 增加到8mm。而且在XZ平面的扭矩也很大，也是需要在刀架組件中增加一些斜筋。

(3)對于變形最大的數控刀架的結構，又上面的分析可得，主要的變形在刀架的最前端，主要是受切削力在Z軸方向產生的變形，所以整個數控刀架的壁厚要增加，也要進一步讓布筋更加合理化，重點是加厚刀架前端變形最大處［11］。

4.2 改進后的機床的靜力分析比較

對改進后的機床進行建模，劃分四面體網格，施加同樣的載荷進行分析，在有限元軟件中直接加載計算，模型進行計算后處理，在加工條件下比較兩種結構的優劣，如表3 所示。在加工中機床各個部分在改進前后靜態特性比較，如表4 所示，從表中可以看出，改進后的結構，總體變形和各個方向的變形有了較為明顯的改善，并且應力集中也有明顯的改善，靜態性能有了顯著提高，改進后整機的靜變形與結構整體變形上看，結構剛度分布較合理在實際應用中采用改進后的結構。

表3 兩種不同結構形式下機床的靜態特性比較

表4 兩種不同結構形式下機床各個部件的靜態特性比

4.3 模態分析比較

對改進后的結構再做模態分析，得出改進后機床的固有頻率和振動情況，再對整機修改前后六階模態頻率和整形對比如表5 所示;振型圖如圖7 所示。析，通過比較得出整個機床的靜動態特性都有了明顯提高，并且目前已經制造出水輪機現場修復專用機床，滿足實際工作所需要的剛度和強度，實現了水輪機現場修復，提高我國水輪機現場修復的智能化和精度，同時減少了不必要零件的更換，節約了資源。水輪機現場修復專用機床，希望能進一步在滿足機床剛度、強度的提前下，盡量減輕機床本身的重量，從而進一步節約資源，方便運輸和安裝，使得機床更加輕便。

圖7 一到六階模態振型圖

表5 模型修改前、后整機前六階模態頻率及振型對比表

根據上面的分析，我們可以看出前三階的頻率有小幅度提高，第三到六階的頻率有較為明顯的提高，第二階和第六階的薄弱環節也有一定的改善，整體來看整個機床的動態性能有提高，但是在前三階的固有頻率相隔的并不是很大，機床模態頻率可以進一步提高使之各階頻率均勻分布。

5 結束語

設計了一臺具有高強度和剛度的現場修復專用機床，通過對床身進行三維實體建模與有限元分

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