水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒加工工藝改進(jìn)*

馬永忠，王 偉，王福磊

(國(guó)網(wǎng)甘肅劉家峽水電廠，甘肅 臨夏 731600)

0 引 言

劉家峽水電廠位于黃河上游，裝有5臺(tái)大型混流式水輪發(fā)電機(jī)，每年要對(duì)其中1臺(tái)機(jī)組進(jìn)行A級(jí)檢修，導(dǎo)葉套筒作為水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要組成部分，起著固定導(dǎo)葉軸心和密封水流的作用[1]，檢修過程中要對(duì)導(dǎo)葉套筒進(jìn)行跳動(dòng)值測(cè)量、舊軸套的拆除以及新軸套的安裝、車削加工等多個(gè)修復(fù)加工工序，而且機(jī)組檢修時(shí)間緊任務(wù)重，同時(shí)對(duì)導(dǎo)葉套筒加工精度要求高，為此，需要改進(jìn)套筒加工工藝，縮短套筒加工時(shí)間、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，為水電廠增加效益。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需要和實(shí)際情況，對(duì)套筒裝夾輔助工具、套筒車削刀具進(jìn)行了改進(jìn)，并在40 MW機(jī)組套筒加工過程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)檢修效果良好。

1 導(dǎo)葉套筒的結(jié)構(gòu)和作用

水輪機(jī)組導(dǎo)葉套筒結(jié)構(gòu)如圖1所示，固定在水輪機(jī)頂蓋上的通孔中，作用是固定導(dǎo)葉軸心和密封水流[1]，套筒內(nèi)鑲有軸套，上軸套與導(dǎo)葉上軸徑配合，中軸套與導(dǎo)葉中軸徑配合，軸套與套筒為過盈配合方式，過盈量約為0.6 mm，軸套起到密封和潤(rùn)滑的作用，劉家峽水電廠位于黃河上游，汛期水流中含沙量較大，水輪機(jī)過流部件磨損嚴(yán)重[2]，每臺(tái)機(jī)組的A級(jí)檢修周期為5年，檢修中要拆除導(dǎo)葉套筒，對(duì)其進(jìn)行同軸度檢測(cè)、拆除舊軸套并加工更換新軸套等修復(fù)工作，因此需要不斷改進(jìn)套筒加工工藝來保證加工質(zhì)量并縮短工期，確保發(fā)電機(jī)組早日運(yùn)行發(fā)電。

圖1 劉家峽水電廠40MW機(jī)組套筒

2 導(dǎo)葉套筒加工過程分析

2.1 軸套外徑、內(nèi)孔粗加工

在每年的機(jī)組檢修過程中，按照?qǐng)D2所示的圖紙尺寸進(jìn)行軸套粗加工。

圖2 40 MW機(jī)組套筒軸套粗加工圖

圖中軸套材料為尼龍1011，在裝夾過程中極易變形，在車削加工過程中工藝參數(shù)不好控制，車削刀具容易磨損，裝夾找正結(jié)果直接影響加工精度，因此在軸套粗加工過程中需要多次嘗試找正、多次磨制刀具，消耗了大量的加工時(shí)間，在加工過程中軸套還會(huì)由于受力變形造成加工精度達(dá)不到質(zhì)量要求。

2.2 套筒本體裝夾并加工

為防止安裝過程中軸套變形，在粗加工時(shí)內(nèi)孔留有1.5 mm左右的余量，軸套粗加工完成后，將加工后的軸套安裝至套筒內(nèi)，之后需要按照?qǐng)D3所示的裝配尺寸再次對(duì)尼龍?zhí)變?nèi)孔和密封槽進(jìn)行車削，這時(shí)需要將套筒本體一起進(jìn)行裝夾，套筒本體重量大因此不易找正，同時(shí)加工內(nèi)孔過程中不易觀察內(nèi)部車削情況，不易達(dá)到尺寸精度要求，而且不易加冷卻液、刀具容易磨損。

圖3 40MW機(jī)組套筒裝配圖

2.3 加工精度分析

找正過程中，需要借助百分表對(duì)端面和同心進(jìn)行找正，找正精度要求同心和水平均達(dá)到0.05 mm,由于套筒本體質(zhì)量大，裝夾找正過程中容易掉落發(fā)生偏差，為了保證找正精度，需要多次找正，因此找正過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

車削過程中，對(duì)于軸套精度和表面光潔度要求高，因此要磨制鋒利、角度合適的車刀，同時(shí)需要調(diào)節(jié)合適的吃刀量和走刀速度，而且在車削內(nèi)孔和加工密封槽的過程中，不易觀察內(nèi)部車削情況，不易加冷卻液，車刀容易磨損，加工精度不好保證。

通過分析導(dǎo)葉套筒加工過程，可知水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒加工工藝存在兩方面的不足之處：一是沒有找正輔助工具；二是車刀剛性不足，容易磨損。

3 設(shè)計(jì)制作找正輔助工具

在進(jìn)行軸套粗車時(shí)，由于軸套的材料屬性，需要用四爪軟爪卡盤裝夾，裝夾過程中不能用力過急過猛。軸套安裝完成后進(jìn)行車削時(shí)，裝夾找正過程中，套筒本體重量大，不易找正，同時(shí)由于在30車床上進(jìn)行加工，沒有與尾座相配合的找正輔助工具，套筒在進(jìn)行找正過程中，由于自身重力作用容易向下掉落，影響找正效率和找正精度。

40 MW機(jī)組軸套尺寸如圖3所示，內(nèi)孔直徑為127 mm，軸套外徑為180 mm，根據(jù)軸套尺寸設(shè)計(jì)與之相匹配的找正輔助工具，如圖4所示，設(shè)計(jì)制作外徑160 mm，臺(tái)階外徑為126.9 mm，臺(tái)階內(nèi)徑為120 mm，中心孔為10 mm，厚度為6 mm的法蘭頂蓋式找正輔助工具。

圖4 找正輔助工具設(shè)計(jì)圖

在找正輔助工具制作過程中，臺(tái)階必須要與中心孔同心，使用找正輔助工具后，配合機(jī)床尾座，可以快速完成找正，達(dá)到找正精度要求，保證了加工質(zhì)量，同時(shí)大大節(jié)省了機(jī)組檢修時(shí)間。

4 增加車刀剛性

在軸套加工過程中，對(duì)于加工精度和表面光潔度要求較高，使用機(jī)加不重磨硬質(zhì)合金刀時(shí)，由于軸套的材料屬性，加工表面較粗糙，不能達(dá)到圖紙要求，因此需要手工磨制白鋼刀。

在內(nèi)孔加工過程中，不易觀察軸套內(nèi)部車削情況，同時(shí)不易加冷卻液，如果刀具磨制、安裝不合適，很容易造成刀具磨損，需多次磨制刀具，影響加工效率，因此對(duì)刀具剛性要求高。根據(jù)軸套孔徑，查閱相關(guān)資料，加工制作直徑為50 mm的刀桿，同時(shí)保證刀具刀尖位于刀桿中心線上。

如圖5所示，在裝夾車刀時(shí)，讓車刀的刀尖位于刀桿中心線上，這樣刀桿的截面積就可達(dá)到最大長(zhǎng)度，最大限度提高刀桿的強(qiáng)度。

圖5 刀桿設(shè)計(jì)圖

刀桿設(shè)計(jì)完成后，磨制角度合適、鋒利的車刀：在砂輪機(jī)上磨制通孔車刀，為了減小徑向切削力，防止振動(dòng)，主偏角應(yīng)在60°～75°之間，副偏角為15°～30°之間，為了防止車刀后面和孔壁的摩擦和不使車刀的后角磨得太大，一般磨成兩個(gè)后角[3]。并制定出如表1所列的水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒加工工藝參數(shù)。

表1 水輪機(jī)導(dǎo)葉套筒加工工藝參數(shù)

刀桿的伸出長(zhǎng)度盡可能縮短。如果刀桿伸出太長(zhǎng)，就會(huì)降低刀桿剛性，容易引起振動(dòng)，因此刀桿伸出長(zhǎng)度只要略大于孔深即可，在裝夾刀桿時(shí)，軸套孔深為105 mm，刀桿伸出長(zhǎng)度在110 mm左右即可。

5 結(jié) 語

通過設(shè)計(jì)制作找正輔助工具、增加車刀剛性后，套筒加工過程中可以實(shí)現(xiàn)快速找正，在車削過程中大大減少了磨制刀具次數(shù)，節(jié)省了加工時(shí)間，提高了加工效率，同時(shí)24個(gè)套筒加工精度達(dá)到0.05 mm，滿足圖紙要求，在提高效率的同時(shí)保證了加工質(zhì)量。