單波紋彈簧油箱制造工藝研究

榮雪

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

0 引言

推力軸承是水輪發(fā)電機(jī)最為關(guān)鍵的部件之一,是應(yīng)用液體潤(rùn)滑承載原理的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。它承受立式水輪發(fā)電機(jī)的全部軸向負(fù)荷，它對(duì)機(jī)組運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性以及安裝維護(hù)的方便性至關(guān)重要,而推力軸承支撐結(jié)構(gòu)的好壞又直接影響到推力軸承的性能。

1 現(xiàn)狀分析

推力軸承的支撐結(jié)構(gòu)大體可分為剛性支撐和彈性支撐,目前,在中小型水輪發(fā)電機(jī)組中,我們通常采用剛性支撐,但剛性支撐在安裝、檢修時(shí)各瓦面不易調(diào)到同一水平,各瓦受力不易調(diào)勻,調(diào)整工作量較大,運(yùn)行時(shí)不能均衡各瓦的負(fù)荷。為使軸瓦受力均勻,運(yùn)行時(shí)各軸瓦負(fù)荷均衡,采用彈性支撐結(jié)構(gòu)。目前,國(guó)內(nèi)外各制造廠采用了不同的方式,主要有彈簧油箱支撐、彈簧支撐、彈性梁支撐、彈性墊支撐、活塞支撐、彈性圓盤支撐等,彈簧油箱支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)用最為廣泛。

彈簧油箱支撐結(jié)構(gòu)是將推力軸承的負(fù)荷由推力頭、鏡板、推力瓦傳遞給彈簧油箱,彈簧油箱內(nèi)充滿透平油,相互連通的彈簧油箱形成了一個(gè)充滿油的密閉連通系統(tǒng)。這種液壓支撐結(jié)構(gòu),根據(jù)連通器原理,當(dāng)推力負(fù)荷作用于彈簧油箱時(shí),通過(guò)油箱中油的重新分配,推力瓦面的高低隨鏡板而有變化,這就是液壓推力軸承的自動(dòng)調(diào)平作用。但每個(gè)油箱中由于液壓增加所擔(dān)負(fù)的負(fù)荷,則由于連通器內(nèi)油壓處處相等而對(duì)每個(gè)油箱都是相同的。當(dāng)然油箱的鋼外殼——彈簧油箱厚殼體也要承擔(dān)一部分軸向推力負(fù)荷,這部分載荷還因各油箱變形大小不一而各不相同,但它們不到油箱總載荷的3,所以負(fù)荷基本上均勻地分布在每塊推力瓦上。為減小由于溫度變化而引起油箱附加應(yīng)力,在油箱內(nèi)放有支鐵,以減小充油量。另外當(dāng)油箱出現(xiàn)漏油事故時(shí),支鐵可以承受負(fù)荷,不致造成支撐結(jié)構(gòu)破壞的危險(xiǎn)。這種結(jié)構(gòu)在大、中型水輪發(fā)電機(jī)組中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在抽水蓄能機(jī)組上也已成功應(yīng)用，如溧陽(yáng)抽水蓄能機(jī)組、深圳抽水蓄能機(jī)組，目前已通過(guò)模擬百萬(wàn)機(jī)組的推力負(fù)荷試驗(yàn)，即將在百萬(wàn)巨型機(jī)組上應(yīng)用。

彈簧油箱支撐分為單波紋彈簧油箱支撐和多波紋彈簧油箱支撐，其結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在彈簧油箱。單波紋彈簧油箱的波紋僅為1層，多波紋彈簧油箱的波紋一般為3層。彈簧油箱支撐結(jié)構(gòu)由單波紋（多波紋）彈簧油箱、底盤、連通管組成，統(tǒng)稱為彈簧油箱底盤。單波紋彈簧油箱底盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

每個(gè)彈簧油箱分別通過(guò)螺栓與底盤固定為一體，油箱與油箱間通過(guò)連通管將內(nèi)部空間連通，連通管與各油箱間采用焊接形式密封、固定。裝配時(shí)，通過(guò)真空泵將油箱和連通管內(nèi)部的空氣排出，利用專用的充油裝置將油箱和連通管間充滿透平油，且需保證油箱內(nèi)部的油量帶有足夠的壓力，滿足機(jī)組運(yùn)行時(shí)需承受各部件的重力和水推力的總負(fù)荷。

圖1 單波紋彈簧油箱底盤

2 技術(shù)難點(diǎn)

目前多波紋彈簧油箱底盤的制造技術(shù)已成熟和完善，單波紋彈簧油箱底盤由于結(jié)構(gòu)原因制造技術(shù)還需進(jìn)一步提高。單波紋彈簧油箱底盤的主要制造工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 主要制造工藝流程

因單波紋彈簧油箱波紋內(nèi)徑R30.2 mm，壁厚僅為2.8 mm，為保證波紋強(qiáng)度，增加了過(guò)渡型線(如圖3)，加工時(shí)保證僅為2.8 mm的壁厚和過(guò)渡型線的尺寸及表面粗糙度是加工的最大難點(diǎn)。

圖3 單波紋彈簧油箱

彈簧油箱間通過(guò)底盤及連通管裝配成一體。裝配時(shí)，先將油箱用螺栓與底盤固定，之后采用焊接的方式將連通管與各油箱間固定。由于機(jī)組空間結(jié)構(gòu)原因，底盤一般設(shè)計(jì)較薄，在焊接連通管時(shí)，為滿足每個(gè)焊縫的密封要求，焊縫的焊接量均較大，因此導(dǎo)致底盤因焊接應(yīng)力呈“盤”形變形，使彈簧油箱與底盤平面的垂直度嚴(yán)重超差。

彈簧油箱底盤中任何一件彈簧油箱，加工時(shí)出現(xiàn)壁厚不均勻、壁厚不滿足圖樣要求、內(nèi)外表面出現(xiàn)接刀或型線尺寸不滿足設(shè)計(jì)要求等，都將影響油箱整體的承載能力。連通管焊接時(shí)，焊縫密封不好，或焊接后油箱與底盤變形量過(guò)大等。任何一項(xiàng)缺陷都將影響整個(gè)推力軸承的承載能力和機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 改進(jìn)方案

為提高彈簧油箱整體制造質(zhì)量，主要對(duì)以下兩方面采取措施：

1）提高彈簧油箱及底盤單件的加工質(zhì)量[1]：a.分析該彈簧油箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為保證油箱加工后壁厚均勻且滿足設(shè)計(jì)要求、內(nèi)外表面型線尺寸滿足設(shè)計(jì)要求且均順滑過(guò)渡無(wú)接刀，選用數(shù)控臥車編程加工(見(jiàn)圖4)，保證波紋型線尺寸精確及壁厚均勻。為配合彈簧油箱在數(shù)控臥車加工，提制專用工裝、專用刀桿、專用刀具，利于保證油箱尤其是波紋的加工質(zhì)量一致；為使彈簧油箱與底盤的螺栓把合孔位置一致，提制專用鉆模，用鉆模定位分別加工彈簧油箱和底盤把合孔，保證把合孔位置精準(zhǔn)，提高彈簧油箱與底盤的裝配質(zhì)量。b.由于底盤較薄，且直徑較大，極易變形，按結(jié)構(gòu)要求底盤上與每個(gè)彈簧油箱配合的孔，必須保證其與底盤平面的垂直度小于0.5 mm，考慮若按傳統(tǒng)加工方法，即平面及圓面在立車加工，大孔在鏜床加工,小孔在鉆床加工的方法，無(wú)法保證底盤的加工質(zhì)量，因底盤較薄且外徑尺寸相對(duì)較大，一次加工后的起吊、轉(zhuǎn)運(yùn)必將導(dǎo)致底盤變形，轉(zhuǎn)下工序加工時(shí)已無(wú)法找到原基準(zhǔn)點(diǎn)，無(wú)法保證孔與平面的垂直度要求，因此采用數(shù)控立式車鏜床一次成型的加工方法，即利用車削功能先加工上下平面及內(nèi)外圓，加工合格后利用鏜削功能，鏜與油箱配合的孔，鏜削時(shí)需要注意每個(gè)孔中心的位置角度，每鏜削完一個(gè)孔，夾盤需轉(zhuǎn)

相應(yīng)角度鏜相鄰孔，保證加工基準(zhǔn)一致，避免了工件轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的起吊變形及更換設(shè)備導(dǎo)致的找正誤差。

2）彈簧油箱與連通管焊接時(shí)，采用以下措施減少焊接變形量：a.制作專用工具，對(duì)底盤進(jìn)行反變形固定并增加底盤的抗變形強(qiáng)度[2]，總結(jié)以往彈簧油箱焊接后的變形量，確定對(duì)底盤的反變形量，有效控制底盤焊接后的收縮量；b.焊接過(guò)程中，選擇合適的焊接電流[3]、焊接速度及焊接順序，焊接順序的選擇原則為連續(xù)焊縫間斷焊接與對(duì)稱焊接方式。通過(guò)以上兩種控制變形的方法，檢查焊接后每個(gè)彈簧油箱上平面，靠近內(nèi)圓和外圓的相對(duì)高度差，結(jié)果明顯好于未采取控制措施的彈簧油箱的焊接質(zhì)量。以某電站的一件彈簧油箱底盤為例，底盤上共裝有10只彈簧油箱，通過(guò)采用焊接控制變形法和未采用控制變形法焊接后的彈簧油箱垂直度比較，明顯得出該種控制法可行的結(jié)論，見(jiàn)表1。

圖4 數(shù)控臥車加工彈簧油箱

表1 彈簧油箱垂直度比較 mm

4 方案實(shí)施效果

為了檢驗(yàn)彈簧油箱單件的加工質(zhì)量及彈簧油箱底盤的整體焊接效果，需經(jīng)過(guò)多個(gè)環(huán)節(jié)的驗(yàn)證。首先在立式車床檢查彈簧油箱與底盤的垂直度；之后用鹵素檢漏試驗(yàn)檢查彈簧油箱間連通管的焊縫質(zhì)量；最后通過(guò)油壓試驗(yàn)驗(yàn)證彈簧油箱底盤是否能滿足機(jī)組運(yùn)行時(shí)所承受的推力負(fù)荷。

1)垂直度檢查。彈簧油箱整體焊接后，在立式車床上利用百分表抽測(cè)彈簧油箱上端面傾斜度，通過(guò)對(duì)比，經(jīng)過(guò)焊接方案的改進(jìn)，彈簧油箱的垂直度均有明顯的改善，見(jiàn)表1。

2)鹵素檢漏試驗(yàn)。為了檢驗(yàn)彈簧油箱間連通管的焊接質(zhì)量，先向彈簧油箱底盤充入氟利昂[4]，然后充入壓縮空氣（或氮?dú)猓┑揭欢▔毫χ担?0 min后，用鹵素檢漏儀檢查無(wú)任何漏點(diǎn)，證明油箱及油箱間連通管各處焊縫密封良好。

3)耐壓試驗(yàn)。彈簧油箱底盤經(jīng)過(guò)鹵素檢漏試驗(yàn)合格后，做充油耐壓試驗(yàn)。耐壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)彈簧油箱底盤是否滿足機(jī)組運(yùn)行時(shí)的承載力的最終試驗(yàn)，其原理為：利用專用工具和電動(dòng)試壓泵對(duì)彈簧油箱底盤進(jìn)行加壓和保壓，在彈簧油箱端面架百分表監(jiān)測(cè)彈簧油箱的下沉量不超出設(shè)計(jì)計(jì)算值，同時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫處無(wú)漏油現(xiàn)象即為合格。耐壓試驗(yàn)前，先將彈簧油箱抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到要求后開(kāi)始充油。耐壓試驗(yàn)分打初壓和耐壓兩個(gè)階段，打初壓試驗(yàn)是補(bǔ)充彈簧油箱內(nèi)的透平油，使其內(nèi)部壓力達(dá)到一定值，此時(shí)，彈簧油箱會(huì)隨著內(nèi)部壓力的升高而升高，利用百分表監(jiān)測(cè)彈簧油箱上平面升高量滿足圖樣的打初壓要求。由于每臺(tái)機(jī)組的推力軸承總負(fù)荷不同，因此，在做耐壓試驗(yàn)前，利用專用公式計(jì)算出單個(gè)油泵的總壓力，試驗(yàn)過(guò)程中分階段提高油泵壓力，檢查彈簧油箱底盤及管路無(wú)滲漏，隨著油泵壓力升至規(guī)定試驗(yàn)值，彈簧油箱最大壓縮量均不超過(guò)圖樣規(guī)定。

經(jīng)過(guò)提高彈簧油箱及底盤單件的加工質(zhì)量，改進(jìn)焊接方法，有效提高了彈簧油箱底盤的制造質(zhì)量，通過(guò)試驗(yàn)證明彈簧油箱完全滿足設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

彈簧油箱單件加工過(guò)程中，利用數(shù)控設(shè)備，通過(guò)提制專用加工工具，改進(jìn)加工工藝，提高加工精度等方法改善了單件的加工質(zhì)量。在彈簧油箱底盤的焊接過(guò)程中，通過(guò)采用更合理的焊接方法及成熟的矯形工藝[5]，明顯改善了彈簧油箱底盤的焊接變形問(wèn)題，使彈簧油箱底盤的整體制造質(zhì)量顯著提高。

通過(guò)對(duì)加工及焊接工藝的優(yōu)化，顯著提高單波紋彈性支撐結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量，為單波紋彈簧油箱支撐結(jié)構(gòu)在中、小型機(jī)組上的廣泛應(yīng)用積累了大量制造經(jīng)驗(yàn)。抽水蓄能機(jī)組作為最好的調(diào)峰機(jī)組，其發(fā)展?jié)摿薮螅袌?chǎng)需求廣泛，隨著單波紋彈簧油箱在抽水蓄能機(jī)組上的成功應(yīng)用，將為提高我國(guó)抽水蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)、制造能力提供有益的幫助，同時(shí)，為彈性支承結(jié)構(gòu)在百萬(wàn)機(jī)組的應(yīng)用積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。