向家壩推力軸承加工工藝研究

李興平

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

向家壩水電站位于云南省水富縣境內(nèi)，是金沙江下游梯級(jí)電站的最后一級(jí)，以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙、灌溉和改善下游航運(yùn)條件的綜合效益的特大型水電工程。電站分為左右岸兩部分，各布置4臺(tái)單機(jī)容量為800 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，是目前世界上單機(jī)容量最大的水輪發(fā)電機(jī)。向家壩推力軸承采用錐形支撐結(jié)構(gòu)，推力軸承負(fù)荷5 150 t。主要由推力頭、鏡板、推力軸承瓦和錐形支撐等零部件組成。

推力軸承是大型立式水輪機(jī)組的關(guān)鍵部件，推力瓦燒損或瓦溫過高是立式電動(dòng)機(jī)的常見故障，其中推力軸承制造質(zhì)量是影響發(fā)電機(jī)組的可靠性和安全性的關(guān)鍵因素之一［1－2］。以下分別介紹各零部件的加工工藝。

1 推力頭和鏡板加工

向家壩推力頭為鑄鋼件，同時(shí)也作為下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子使用，推力頭外圓表面粗糙度要求Ra0.8;鏡板為鍛鋼件，厚度只有80 mm，自身剛度較差，單件加工時(shí)容易變形。推力頭和鏡板裝配后鏡板鏡面平面度要求0.02 mm，表面粗糙度要求Ra0.4，上下面平行度要求0.02 mm。針對(duì)鏡板厚度薄、易變形的特點(diǎn)，經(jīng)過研究，決定采用先單件分別加工，有形位公差要求的表面留量，然后裝配在一起整體加工的工藝方法［3］。為了便于加工過程中的起吊和翻身，制作了一套專用的起吊翻身工作;為保證鏡板加工精度，制作了一套車胎，用于鏡板加工時(shí)的裝卡，由于鏡板的自身剛度不足，裝卡時(shí)必須要仔細(xì)控制裝卡力的大小和方向。

為保證平面度、平行度，鏡板單件加工前，先對(duì)立車的工作臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整工作臺(tái)端面跳動(dòng)≤0.02 mm，并反復(fù)調(diào)整油壓，保證各個(gè)瓦面油膜厚度均勻，受力相同。然后對(duì)橫梁平行調(diào)整，保證橫梁與工作臺(tái)的平行度［3］。

1.1 推力頭

首先在推力頭上加工專用工具用螺孔，利用起吊工具，將推力頭正放于立車上，車平面及內(nèi)外圓到圖紙要求。利用翻身工具，將推力頭倒放在立車上，車推力頭與鏡板的把合面到圖紙要求。數(shù)控打點(diǎn)加工各把合孔到圖紙要求。保證圖紙中的各形位公差。

1.2 鏡板

鏡板加工前先進(jìn)行硬度測(cè)試，根據(jù)鏡板鍛件上下平面的硬度值來選擇鏡面。鏡面選擇后數(shù)控加工鏡板與推力頭的把合孔。將鏡板與車胎把合在一起，車磨鏡板與推力頭把合面到圖紙要求。利用翻身工具將鏡板翻個(gè)，加工鏡面到圖紙要求。由于鏡板面積大且薄，精加工時(shí)，如果還放在車胎上，車磨鏡板時(shí)鏡板本身會(huì)隨著車胎的平面形狀而變，不能達(dá)到加工要求。因此鏡板精加工時(shí)采用墊筒進(jìn)行支撐，經(jīng)過認(rèn)真核算和反復(fù)試驗(yàn)，利用24個(gè)墊筒分三環(huán)放置保證加工質(zhì)量［4］。

1.3 推力頭與鏡板組合加工

推力頭和鏡板單件加工完成后按圖紙要求裝配，裝配時(shí)嚴(yán)格控制把合螺栓的把緊力矩，保證把緊力矩均勻，推力頭與鏡板把合面無間隙。

先將推力頭和鏡板正放在立車上，車推力頭與轉(zhuǎn)子支架把合面到圖紙要求。利用翻身工具將推力頭和鏡板翻為相反方向，按推力頭已加工面找正中心，車磨推力頭外圓與下導(dǎo)瓦配合面到圖紙要求;精加工鏡面到圖紙要求，如圖1所示。

圖1 鏡板與推力頭裝配

2 推力軸承瓦加工

向家壩推力軸承為多支柱式推力軸承，與三峽推力軸承結(jié)構(gòu)類似。具體結(jié)構(gòu)主要包括托盤、托瓦、支撐螺柱、環(huán)板、支撐、推力瓦，每塊扇形托瓦上裝有34個(gè)不同直徑的支撐螺柱，支撐推力瓦，共同支撐、均衡機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重量及水推力和各種不平衡力。該結(jié)構(gòu)為ALSTOM專利技術(shù)，各部件形位公差及表面粗糙度要求高，裝配后尺寸公差及形位公差要求高，難度大［5］。推力軸承瓦結(jié)構(gòu)如圖2所示。

推力瓦裝配后要求托盤面與支撐螺柱面平行度0.05 mm，不論是單件要求還是整體加工要求都很嚴(yán)格。通過研究，對(duì)每個(gè)零件制定相應(yīng)的工藝方案，具體加工過程如下。

圖2 推力軸承瓦裝配

2.1 托盤

單件加工時(shí)先車外圓，然后車磨A面，平面度合格后，在厚度方向留有余量的前提下磨削平行度至0.05 mm，底面在組合后磨削至圖紙要求，以保證總體的厚度要求，如圖3所示。

圖3 托盤加工

2.2 托瓦

托瓦加工的難點(diǎn)主要有2處。其一是托瓦上下兩平面的平面度要求0.05 mm，相對(duì)于托盤把合面的平行度0.05 mm，加工時(shí)容易產(chǎn)生“凸心”現(xiàn)象;其二是34個(gè)支撐螺柱把合孔及內(nèi)外環(huán)板銷孔的位置度≤0.2 mm，孔的位置精度直接影響機(jī)組運(yùn)行時(shí)瓦的受力均勻性。

首先托瓦下料粗車后退火，消除應(yīng)力。然后將托瓦點(diǎn)焊到車胎，加工上下平面及內(nèi)外圓。刨托瓦兩側(cè)邊至圖紙要求，利用三軸數(shù)控銑床編程加工全部孔。最后磨削上下平面，保證形位公差。A基準(zhǔn)面作為后續(xù)加工的找正面，如圖4所示。

2.3 推力瓦

圖4 托瓦加工

瓦面及瓦背要求平面度均為0.01 mm，平行度要求0.02 mm，要求極為嚴(yán)格。合金面上有弧型油室，面積大，加工要求高。先立車粗加工，為保證平行度及表面粗糙度，合金表面加工前，首先對(duì)鐵面磨削加工，然后以此面為基準(zhǔn)，且盤銑刀在加工中心加工合金面，最后進(jìn)行刮研，獲得了理想的表面粗糙度和平面度，滿足圖樣要求;表面粗糙度0.2～0.3 μm，高于圖樣Ra0.8的要求。合金面上弧型油室采用球刀一次加工成型。如圖5所示。

圖5 推力瓦加工

2.4 支撐螺柱

支撐螺柱為細(xì)長(zhǎng)桿，中間帶有空刀段，單面車螺紋結(jié)構(gòu)。每塊托瓦上的34個(gè)支撐螺柱分4種類型，支撐螺柱材質(zhì)及尺寸直接影響推力軸承的均衡性，最終影響到機(jī)組運(yùn)行。由于支撐螺柱本身具有一定彈性，而且直徑不同，彈性也不一樣。為保證裝配后的尺寸，支撐螺柱單件加工時(shí)先加工空刀段，待應(yīng)力消除后再加工螺紋及端部銑方。

2.5 推力瓦裝配加工

每塊托瓦裝上34個(gè)直徑不等的支撐螺柱后，要保證其上表面平面度不大于0.01 mm，平行度不大于0.05 mm，粗糙度不大于1.6 μm。組裝后磨削支撐螺柱平面，以保證上下面的平行度要求。因支撐螺柱斷面面積小，磨削過程中易發(fā)顫，且以托盤底面為基準(zhǔn)找正時(shí)不穩(wěn)固。因此加工時(shí)暫不把合托盤，以托瓦非加工面落于磨床臺(tái)面，磨削支撐螺柱面，為防止顫動(dòng)，加工時(shí)采用高精度磨床反復(fù)翻身磨削，以消除因應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形。支撐螺柱面磨削合格后把合托盤，再磨削托盤背面，如圖6所示。

2.6 組合推力瓦裝配

圖6 推力瓦裝配圖

裝配推力瓦各零部件，各連接面不允許存在間隙，合格后在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上檢測(cè)推力瓦面及托盤面的形位公差，對(duì)于超差的推力瓦需重新磨削，直至符合圖紙要求。

3 錐形支撐加工

錐形支撐裝配主要包括錐形支撐、支柱、測(cè)量桿等零部件。為保證推力軸承安裝后的受力，錐形支撐的螺紋與底平面有垂直度要求，支柱與下機(jī)架的配合段與螺紋有同軸度要求，在加工時(shí)保證有形位公差的面在一個(gè)工位下加工。具體加工如下。

3.1 錐形支撐

在臥車上粗車全部，然后進(jìn)行UT探傷。精車內(nèi)孔，在同一工位下精車錐形支撐的底平面與螺紋，保證二者的垂直度滿足圖紙要求，如圖7所示。

圖7 錐形支撐加工

3.2 支柱

如圖8所示，在臥車上粗車外圓及端面，然后進(jìn)行UT探傷。精車全部，在同一工位下加工與下機(jī)架的配合段和螺紋，保證二者的同軸度滿足圖紙要求。

圖8 支柱加工

為保證錐形支撐和支柱在工地裝配可以靈活調(diào)節(jié)，廠內(nèi)單件生產(chǎn)完成后進(jìn)行預(yù)裝配，保證配合螺紋可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，合格后打?qū)?yīng)標(biāo)記。

4 結(jié)束語

通過對(duì)向家壩推力軸承結(jié)構(gòu)的仔細(xì)分析，針對(duì)每個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)制定了完善的加工工藝，保證了推力軸承各零部件的加工精度，為工地安裝及機(jī)組的運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ 黃海田，劉 軍．泗陽二機(jī)組推力瓦溫過高的原因及處理方法 ［J］．大電機(jī)技術(shù)，1997，27(3):17－21．

［2］ 仇寶云．大型立式泵機(jī)組制造、安裝質(zhì)量對(duì)電機(jī)推力軸承運(yùn)行的影響［J］．大電機(jī)技術(shù)，1999，29(5):4－8．

［3］ 王新洪．三峽機(jī)組發(fā)電機(jī)推力軸承精密部件制造工藝［J］．通用機(jī)械，2007，6(10):77－79．

［4］ 李 強(qiáng)．超薄鏡板推力頭組合加工工藝研究［J］．科協(xié)論壇，2007，12(4) 下:223．

［5］ 張延賓，王曉鵬．三峽發(fā)電機(jī)推力軸承支撐部件加工工藝的研究 ［J］．電站系統(tǒng)工程，2008，24(3):58－64．

［6］ 于慶魁．精密機(jī)械制造工藝學(xué)［M］．北京:兵器工業(yè)出版社，1991．