大直徑雙輻板滑輪制造工藝研究

陸永亞，李航宇，金龍

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司， 杭州 310030; 2.杭州國電機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司， 杭州 310030)

0 引言

應(yīng)用于鋼絲繩卷揚(yáng)式升船機(jī)中的平衡滑輪組主要用于支撐和改變鋼絲繩的方向，其懸掛的重力平衡重組平衡帶水船廂及其附屬結(jié)構(gòu)的部分重量。本文以思林水電站升船機(jī)滑輪為研究對象，滑輪名義直徑為4 000 mm，屬于大直徑滑輪(滑輪直徑2 000 mm以上)。

滑輪按制造工藝分為鑄造滑輪、鍛造滑輪、焊接滑輪、軋制滑輪和雙輻板滑輪[1]。雙輻板滑輪結(jié)合了焊接滑輪和軋制滑輪的工藝特點(diǎn)，應(yīng)用于大直徑滑輪制造，具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高、制造周期短、鋼絲繩使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。

1 雙輻板滑輪的結(jié)構(gòu)形式[4]

將2塊圓形鋼板坯料的外邊緣向外壓制成帶有1/2繩槽輪緣的輪輻，2塊輻板的側(cè)壁靠近外邊緣處均設(shè)有若干呈圓周均勻分布的鉚釘孔，通過鉚釘將2塊輻板鉚接固定，而后焊接形成輪體；輪體近中部位置設(shè)有均勻分布的吊裝孔，通過無縫鋼管與輪體焊接形成密閉腔；輪體中部開孔與輪轂焊接固定，輪體兩側(cè)均勻分布若干筋板，筋板為U形結(jié)構(gòu)。U形筋板結(jié)構(gòu)和雙輻板滑輪結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

2 雙輻板滑輪制造的工藝路線

本文所研究的大直徑雙輻板滑輪[5]是通過焊接將滑輪的兩輻板之間、輻板與輪轂之間焊接后機(jī)械加工而成的，具有繩槽加工余量小、材料利用率高及加工質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，但因生產(chǎn)工序較多，只有工序間的工藝要求得到精確的保證，才能生產(chǎn)出合格的滑輪。

2.1 下料

滑輪采用板厚為13 mm的Q345B鋼板下料，拼焊至? 4 120 mm，鋼板下料前需經(jīng)材料理化分析和超聲波探傷且合格。板材下料采用氣切割，焊接完成后對焊縫進(jìn)行打磨和探傷檢測，焊縫合格后加工所需的孔。

圖1 U形筋板結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of U-shaped plate

圖2 雙輻板滑輪結(jié)構(gòu)

Fig.2 Structure of double-spoke pulley

2.2 滑輪輻板錐度成型

在水壓機(jī)的基座上固定有滑輪輪輻板錐度成型模具(模具角度為3°)，將下好料的輻板在基座上找準(zhǔn)定位中心，然后通過輪輻板中心和邊緣將輪輻板放在基座上固定好，輪輻中心通過輪輻板錐度成型壓制模具固定，輪輻邊緣通過螺栓連接固定。水壓機(jī)上的動(dòng)力機(jī)構(gòu)液壓缸均勻施加載荷于輪輻板上，輻板在壓制模具的作用下錐度成型，輻板錐度與成形模具一致，滑輪腹板錐度成型如圖3所示。

圖3 滑輪輻板錐度成型

Fig.3 Forming of pulley taper

2.3 繩槽成型

在壓力機(jī)的基座上固定有滑輪輪輻板1/2繩槽成型模具，將錐度成型好的輻板裝夾固定在基座上，輪輻中心通過基座上的定位裝置固定，輪輻邊緣通過螺栓連接固定。壓力機(jī)上的動(dòng)力機(jī)構(gòu)液壓缸施載于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的輪輻邊緣上，輻板在液壓缸的作用下繩槽成型，輻板繩槽與成型模具一致形成1/2U形繩槽，滑輪輻板繩槽成型如圖4所示。

圖4 滑輪輻板繩槽成型

Fig.4 Forming of pulley taper rope groove

2.4 滑輪成型

2.5 去殘余應(yīng)力

去除焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，一般有自然時(shí)效、熱處理方式及振動(dòng)時(shí)效等方法。自然時(shí)效法對工件尺寸穩(wěn)定性好，方法簡單易行，但生產(chǎn)周期長，不易管理；熱處理法易引起大直徑雙輻板滑輪的輪輻板因受熱不均產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致滑輪整體變形；振動(dòng)時(shí)效法采用超聲波振動(dòng)設(shè)備去除焊接應(yīng)力，時(shí)間短，效果顯著，通過該方法處理的滑輪，經(jīng)應(yīng)力測試檢驗(yàn)，能有效去除焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

2.6 焊縫探傷

探傷主要是檢測滑輪焊縫有無缺陷，其中包括滑輪輻板與輪轂之間、輻板與輻板之間、筋板與輪體之間的焊縫等。首先對焊縫表面質(zhì)量及幾何尺寸進(jìn)行100%目測檢查，然后進(jìn)行100%的磁粉探傷(MT)檢測和超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)檢測。

2.7 滑輪機(jī)加工

圖5 滑輪繩槽加工

Fig.5 Processing of pulley rope groove

3 滑輪制造的關(guān)鍵工藝

3.1 繩槽軋制

滑輪輻板繩槽成型時(shí)，基座的轉(zhuǎn)速、壓力機(jī)下壓速度或每周壓制量，對繩槽的成型都有重要影響。基座的轉(zhuǎn)速與液壓缸的壓下速度均有不同擋速可調(diào)節(jié)。繩槽壓制初始階段，基座轉(zhuǎn)速和液壓缸下壓速度均較高，輪輻輪緣變形較快。隨著金屬變形的加劇，變形速度應(yīng)逐漸減小，即基座轉(zhuǎn)速與液壓缸下壓速度亦逐漸降低。基座轉(zhuǎn)速與液壓缸下壓速度，和輪緣變形量的配合是保證繩槽成型質(zhì)量的關(guān)鍵工藝。

3.2 繩槽焊接

大直徑雙輻板滑輪的繩槽焊縫需進(jìn)行多道焊接，焊接量大且焊接完成后變形量大，滑輪輪緣繩槽角度及其對稱度控制難度較高。為此，采用專業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)滑輪以1/60 r/min的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，用專業(yè)焊機(jī)對滑輪繩槽進(jìn)行自動(dòng)施焊，每道焊接完成后，檢查焊縫是否符合焊接質(zhì)量要求。采用該方法，能有效保證繩槽的焊接質(zhì)量和焊接后輻板變形量。

3.3 滑輪機(jī)加工

焊接后的滑輪需進(jìn)行機(jī)加工，滑輪繩槽底徑? 3 942 mm的尺寸控制是滑輪加工的關(guān)鍵。為此，將該滑輪的加工安排在特制的數(shù)控重型臥式車床上。滑輪在該機(jī)床上只需1次裝夾即可完成輪轂內(nèi)孔和繩槽加工，保證了繩槽的同軸度要求。采用特殊裝夾方式的機(jī)床設(shè)備，確保順利完成該滑輪的加工制造，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，提高生產(chǎn)效率。

3.4 滑輪去殘余應(yīng)力

為保證所加工制造的滑輪焊后無整體變形；保證繩槽部位精加工尺寸精度；加載試驗(yàn)后所有焊縫不產(chǎn)生裂紋及整體永久變形，需要在滑輪焊接成型后，進(jìn)行有效的去殘余應(yīng)力處理。

采用振動(dòng)時(shí)效的方法去除應(yīng)力，其振動(dòng)時(shí)效原理如下：給工件施加一個(gè)與其固有諧振頻率接近的周期激振力進(jìn)行亞共振，當(dāng)工件的能量積累超過材料的屈服極限σs時(shí)，工件內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生蠕變，使造成殘余應(yīng)力的歪曲晶格一定程度恢復(fù)平衡狀態(tài)，殘余應(yīng)力得以降低和均化。

為檢測振動(dòng)時(shí)效效果，對振動(dòng)時(shí)效后的滑輪進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。應(yīng)力測試采用磁應(yīng)變法，測試層深為1.25 mm，測點(diǎn)選在輻板與輪轂焊縫處、輻板在繩槽處連接的焊縫處、輻板與筋板的焊縫處、輻板與加強(qiáng)管焊縫處，測試點(diǎn)分布如圖6所示。

圖6 殘余應(yīng)力測試測點(diǎn)布置

Fig.6 Measuring points arrangement of residual stress

殘余應(yīng)力測試結(jié)果見表1。表中：σx為測點(diǎn)垂直焊縫方向應(yīng)力；σy為測點(diǎn)平行焊縫方向應(yīng)力；τxy為測點(diǎn)剪切應(yīng)力；σ1為測點(diǎn)最大主應(yīng)力；σ2為測點(diǎn)最小主應(yīng)力；θ為測點(diǎn)最大主方向角；σi為測點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度。

從表1可以看出，22個(gè)測點(diǎn)中#6，#16，#17，#14測點(diǎn)應(yīng)力稍大，除#16外其他3個(gè)測點(diǎn)由于剪應(yīng)力較大造成表面應(yīng)力強(qiáng)度較高，從焊接結(jié)構(gòu)類型及焊縫類型分析，是由于沖擊原因所致。

從整體應(yīng)力大小可知，其總體平均應(yīng)力在140 MPa左右，小于1/2σs。由于Q345B材料塑性較好，4個(gè)應(yīng)力測點(diǎn)強(qiáng)度稍高的區(qū)域不影響該滑輪結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度。

從殘余應(yīng)力的測試結(jié)果可以看到，采用振動(dòng)時(shí)效法可有效消除滑輪焊接后的應(yīng)力。

表1 殘余應(yīng)力測試結(jié)果Tab.1 Residual stress test results

4 結(jié)論

本文介紹了大直徑雙輻板滑輪的制造工藝路線，針對制造工藝中繩槽軋制、繩槽焊接、焊后去應(yīng)力及滑輪機(jī)加工等影響滑輪性能的關(guān)鍵制造工藝進(jìn)行分析、研究，所采用的工藝可有效控制滑輪成型質(zhì)量，采用振動(dòng)時(shí)效法可有效去除滑輪焊后應(yīng)力。