汽輪機預扭葉片裝配試驗平臺設計與開發

秦大朋， 于忠海， 辛紹杰， 王啟明， 田宇晟， 謝金龍， 王佳茂

(上海電機學院 機械學院，上海201306)

0 引言

百萬千瓦超超臨界汽輪機中廣泛采用了T型葉根的預扭動葉片裝配，動葉片的裝配需要工人手工揮錘通過工具完成。依靠填隙條在葉根槽內塑性變形脹緊葉片，要求葉根之間與圍帶之間的間隙以及葉片扭轉量均在預定公差內[1-2]。

目前，在國內、外的汽輪機動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葉片根部（在一定的公差范圍內）。人工揮錘擊打安裝葉片存在兩個問題：一是勞動強度大，效率較低；二是容易發生工傷事故。國內、外人工揮錘擊打裝配葉片問題已經成為一直困擾生產廠家動葉片裝配的技術難題[3-5]。急需探索、尋找一套能夠解決裝配問題的設備。實現對汽輪機葉片的裝配工作。

2 結構設計

2.1 電動十字滑臺設計

1 總體方案設計

本文基于SolidWorks虛擬樣機技術[6]，設計了一套汽輪機預扭葉片裝配試驗平臺，并通過零部件選型與加工，制造出實體樣機進行裝配試驗。

汽輪機預扭葉片裝配試驗平臺主要包括裝配平臺框架、電動十字滑臺、力平衡系統、轉子試件承載架等4部分，通過框架支撐整個平臺，通過十字滑臺選擇裝配工位，通過力平衡系統抵消沖擊裝配工具的重力，通過轉子試件承載架承載試驗汽輪機轉子，各部分配合使用，從而

圖1 電動十字滑臺

汽輪機動葉片裝配在轉子葉輪的葉根槽內，一根汽輪機轉子上需要安裝多級不同的葉片，每一級葉片裝配時的工位均不同，因此裝配平臺需要滿足移動要求，在每裝配好一級葉片后，能夠根據需要準確地將沖擊裝配工具移動至下一級動葉片裝配工位，進行裝配工作。

為實現上述功能，本文在平臺框架上方設計了一套十字滑臺裝置，如圖1所示，在橫向設置了兩條導軌，導軌上部覆蓋有橫向移動板，二者之間通過移動滑塊進行連接，滑塊可帶動板在導軌上移動[7-8]。橫向移動板的動力供給，依靠設置在框架一側的步進電動機帶動絲杠旋轉，通過絲杠螺母副的傳動予以實現[9]。同理，在橫向移動板上方也設置有2條導軌，導軌上覆蓋有1塊縱向移動板，導軌與板之間設有移動滑塊進行連接，縱向移動板的移動，依靠設置在橫向移動板端部的步進電動機驅動，通過絲杠螺母副傳動，實現移動。基于上述設計，平臺在XY平面內可以準確定位到任意工位。

2.2 力平衡系統設計

汽輪機動葉片裝配的兩個錘擊步驟中，對填隙條和葉根的擊打都要一定的擊打力，因此裝配平臺采用了一套沖擊裝配工具，裝配工具質量較重，若直接手持使用，將造成與車間現行辦法一樣的耗費體力問題和降低效率問題。

因此，本文在平臺設計上，使用了塔式平衡器來彌補缺陷。塔式平衡器是一種吊掛重量較大的生產操作設備的輔助工具，它供生產線上從事持續性、重復性工作的人員使用，用于懸掛、集中、搬運及移開工具，它易于操作氣動、電氣及液壓工具，同時帶有保險裝置，可避免懸掛對象墜落并且可以手動鎖止被懸掛物的裝置[10]。平衡器與縱向移動板底部的U型鉤連接，沖擊裝配工具與塔式平衡器底部連接，調節平衡器的重量調節旋鈕，使得沖擊裝配工具的重量被平衡，操作人員在通過十字滑臺將工位調整確定后，可以不費力地將沖擊裝配工具上下移動，完成每一片葉片的裝配。

圖2 力平衡系統

2.3 轉子試件承載架設計

對于待裝配的轉子，要求承載架具有足夠的強度，能夠有效支撐轉子，并且對裝配中的轉子有一定的鎖緊與固定作用，同時不能對已裝好的葉片產生干涉。

因此，在承載架的結構設計上，本文采用了封閉式的框架設計，同時設計有V型支撐鐵[11-12]，在將轉子試件安裝到承載架上后，在上部設計有Ω型鎖緊裝置，能夠有效鎖緊轉子，防止其在裝配過程中發生轉動。

2.4 裝配平臺框架設計

考慮到承載架的工作高度、平衡系統及工具長度以及車間高度，本文將裝配實驗平臺框架尺寸設計為長1500 mm、寬1000 mm、高3600 mm，從保證了整個平臺的正常工作，不產生干涉現象。

圖3 轉子試件承載架

圖4 裝配平臺框架

3 關鍵部件有限元分析

裝配試驗平臺中，導軌及橫向縱向移動板的剛度要求較高，若在工作中產生較大的形變，則會影響十字滑臺的移動和裝配工位選擇，從而無法實現葉片裝配。其中，對橫向移動板的剛度要求最高。

綜合考慮重量等因素，橫向移動板采用2024鋁合金材料，并基于SoildWorks Simulation進行有限元分析，沖擊裝配工具約20 kg，因此在橫向移動板中部施加200 N的力，劃分網格[13-15]后，進行求解，所得應變云圖與位移云圖如圖5、圖6所示。

圖5 應變云圖

圖6 位移云圖

根據仿真結果，材料的應變與位移量符合要求，遠遠小于額定值，在裝配工作中，能夠保持良好的剛度。

4 選型與制造

1)裝配平臺框架制造。裝配平臺的框架使用了鋁型材，以角鋁進行連接。工業鋁型材具有質量輕、成型優、強度高、耐腐蝕、壽命長、可再生、污染少、維護費低等眾多優點，在眾多材料中脫穎而出，應用十分廣泛。

2）電動十字滑臺制造。十字滑臺的橫向移動板和縱向移動板使用2024鋁合金加工而成，步進電動機選用42BYGH34，轉矩0.28 N·m，直線導軌及滑塊均選擇上銀產品。裝配及調試效果良好。

3）力平衡系統制造。平衡器選擇雍馳產品，在實際調試中，可以根據沖擊裝配工具的重量，通過旋鈕進行調整。

4）轉子試件承載架制造。轉子試件承載架的4根立柱使用方鋼制造，四周使用角鋼圍成封閉結構，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。現場使用效果良好。

5 結語

汽輪機預扭葉片裝配試驗平臺，有效地解決了人力錘擊裝配效率低、體力耗費大、工傷頻發等問題，通過電動十字滑臺、力平衡系統、框架及承載架的配合，實現了預扭葉片的省力、高效裝配，提高了操作安全系數，并經現場試驗驗證了所設計試驗平臺的有效性，對于行業發展具有一定的意義。

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