發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測裝置的設(shè)計(jì)

□ 婁云鴿 □ 陳偉偉 □ 劉 雷

1.上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 2000702.上海電氣電站設(shè)備有限公司 發(fā)電機(jī)廠 上海 200240

1 設(shè)計(jì)目的

隨著市場的多樣化及新工藝、新材料、新設(shè)備的不斷出現(xiàn),傳統(tǒng)制造業(yè)面臨越來越多的挑戰(zhàn)[1]。其中，產(chǎn)品制造過程的復(fù)雜性導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控越來越困難。多工序多誤差源制造過程的質(zhì)量監(jiān)測在我國一直是制造企業(yè)的短板[2],因此,大力開展產(chǎn)品制造過程質(zhì)量監(jiān)測與優(yōu)化控制，對于助力傳統(tǒng)制造企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。

發(fā)電機(jī)定子鐵心使發(fā)電機(jī)在獲得低磁阻磁路的同時(shí)，還起到固定定子繞組的作用[3-4]。發(fā)電機(jī)定子鐵心是發(fā)電機(jī)的重要部件,由幾萬至幾十萬個(gè)矽鋼片通過疊壓工藝而制成。疊壓工藝是發(fā)電機(jī)定子制造過程中的重要環(huán)節(jié)[5],疊壓后定子鐵心片間壓力及分布情況將直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能與使用壽命[6]。由于矽鋼片厚度不均勻及疊壓工藝缺陷等因素，導(dǎo)致定子鐵心片間壓力分布不均,因此在疊壓工藝過程中,每疊500 mm高度時(shí)要采用專業(yè)的加壓設(shè)備進(jìn)行加壓,并檢測矽鋼片的片間壓力分布情況。根據(jù)矽鋼片片間壓力檢測結(jié)果，采用特定尺寸的補(bǔ)償片對定子鐵心壓力小的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償[7],通過補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)定子鐵心片間壓力的均勻性。目前常采用壓鉛試驗(yàn)檢測片間壓力的分布情況,將直徑3 mm的鉛絲放置在鐵心內(nèi)部,試驗(yàn)結(jié)束后取出鉛絲,人工測量鉛絲被壓后的厚度,根據(jù)工藝文件制訂補(bǔ)償方案[8]。

由于壓鉛試驗(yàn)檢測方案存在效率低、延時(shí)等問題,筆者設(shè)計(jì)了一套發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測裝置,采用薄膜壓力傳感器,合理設(shè)置傳感器的測點(diǎn)位置,由數(shù)據(jù)采集裝置采集傳感器的壓力值,通過軟件界面實(shí)時(shí)監(jiān)測定子鐵心制造過程中片間壓力大小,為制訂最優(yōu)補(bǔ)償參數(shù)和壓力控制方案提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[9]。

2 硬件系統(tǒng)

2.1 傳感器選型

定子鐵心的壓裝試驗(yàn)包括熱壓和冷壓,熱壓的溫度約為150 ℃,在選擇傳感器時(shí)需要考慮傳感器的耐高溫性。筆者選用Flexiforce系列HT201型耐高溫薄膜壓力傳感器,如圖1所示。這一傳感器的厚度為0.201 mm,感應(yīng)區(qū)域?yàn)橹睆?.53 mm的圓，最高工作溫度為200 ℃,額定壓力為440 N,傳感器的線性度誤差為總量程的1.2%,測量誤差約為5%。根據(jù)以上參數(shù)判定HT201型薄膜壓力傳感器可以在發(fā)電機(jī)定子鐵芯成形的冷熱壓工藝過程中應(yīng)用。

2.2 傳感器測點(diǎn)位置

壓鉛試驗(yàn)每個(gè)方位放置兩根鉛絲,每根鉛絲有八個(gè)數(shù)據(jù)測量點(diǎn),如圖2所示。為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可對比性,參照目前壓鉛試驗(yàn)的工藝過程,并結(jié)合傳感器的使用要求,采用嵌入式傳感器測點(diǎn)布置方案，矽鋼片背部和齒部是重點(diǎn)關(guān)注壓域。如圖3所示，共設(shè)置八個(gè)傳感器測點(diǎn),背部三個(gè)、中部兩個(gè)、齒部三個(gè)。

▲圖2 壓鉛試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量點(diǎn)▲圖3 傳感器測點(diǎn)位置

定子鐵心片間壓力監(jiān)測片包括上、中、下三層結(jié)構(gòu),上層為耐高溫彈性走線層,中層為耐高溫基材層，下層為耐高溫彈性均化層,如圖4所示。在耐高溫基材層中間區(qū)域沿徑向布置八個(gè)薄膜壓力傳感器,傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線通過上層的耐高溫彈性走線層的走線槽與放大電路模塊的一端相連,然后通過多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。上位機(jī)中安裝的發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測軟件可以實(shí)時(shí)顯示發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力的分布情況。

▲圖4 片間壓力監(jiān)測片結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)測軟件

發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測軟件由七個(gè)模塊組成,分別為配置模塊、油缸壓力及溫度模塊、警報(bào)模塊、層數(shù)據(jù)模塊、分析模塊、片數(shù)據(jù)模塊、智能補(bǔ)償模塊。發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測軟件界面如圖5所示。

▲圖5 發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測軟件界面

配置模塊包括六個(gè)控件,分別為冷熱壓配置控件、總加壓次數(shù)配置控件、當(dāng)前加壓次數(shù)配置控件、配置庫表格控件、添加配置按鈕控件、當(dāng)前配置顯示控件。

層數(shù)據(jù)模塊由層數(shù)選擇、該層平均壓力顯示，以及A、B、C、D四個(gè)方向檢測片的平均壓力顯示控件組成,具有顯示層平均值的功能。

分析模塊顯示監(jiān)測片背部、中部、齒部的平均壓力值，以及以中部作為參考點(diǎn)時(shí)，背部和齒部的局部壓力差。

片數(shù)據(jù)模塊包括片號(hào)選擇控件、傳感器顯示控件、數(shù)據(jù)顯示圖表、壓鉛數(shù)據(jù)輸入控件、輸入按鈕和保存按鈕，主要功能是根據(jù)選擇顯示具體的傳感器數(shù)據(jù)、輸入壓鉛數(shù)據(jù)，以及保存數(shù)據(jù)。

智能補(bǔ)償模塊由預(yù)補(bǔ)償和補(bǔ)償方案兩個(gè)部分組成,內(nèi)嵌智能補(bǔ)償算法。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)壓力檢測片結(jié)構(gòu)方案完成A、B、C、D四個(gè)方向薄膜壓力傳感器監(jiān)測片的設(shè)置,通過現(xiàn)場人工鋪設(shè)監(jiān)測片于A、B、C、D四個(gè)方向上,如圖6所示。為了增強(qiáng)試驗(yàn)對比效果,現(xiàn)場同時(shí)進(jìn)行壓鉛試驗(yàn),在監(jiān)測片設(shè)置完成后繼續(xù)疊裝沖片至1 050 mm高度,并在最上層疊片的A、B、C、D四個(gè)方向各設(shè)置兩根直徑為3 mm的鉛絲,如圖7所示。

▲圖6 監(jiān)測片設(shè)置▲圖7 壓鉛試驗(yàn)鉛絲設(shè)置

4.2 監(jiān)測裝置試驗(yàn)情況

整個(gè)試驗(yàn)過程包括升壓、保壓和泄壓三個(gè)階段,結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出,隨著加壓設(shè)備的加壓及泄壓動(dòng)作,監(jiān)測片能及時(shí)反映片間受壓狀況,隨著加壓而壓力增大,隨著泄壓而壓力減小。由于齒部和背部補(bǔ)償片的放置,齒部和背部監(jiān)測片監(jiān)測到的片間壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中部監(jiān)測片監(jiān)測到的片間壓力,且齒部片間壓力大于背部片間壓力。監(jiān)測片實(shí)際監(jiān)測的部分位置片間壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩倍片間壓力標(biāo)準(zhǔn)值(250 N),導(dǎo)致齒部和背部部分監(jiān)測片出現(xiàn)超程現(xiàn)象,但是在試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)監(jiān)測片損壞的情況。

▲圖8 監(jiān)測裝置片間壓力變化曲線

4.3 監(jiān)測裝置試驗(yàn)與壓鉛試驗(yàn)對比

測量壓鉛試驗(yàn)的鉛絲厚度,測量位置與監(jiān)測片設(shè)置位置一致。背部、中部、齒部A、B、C、D四個(gè)方向的監(jiān)測裝置片間壓力監(jiān)測值見表1，壓鉛試驗(yàn)鉛絲厚度見表2。

表1 監(jiān)測裝置片間壓力監(jiān)測值 N

表2 壓鉛試驗(yàn)鉛絲厚度 mm

將監(jiān)測裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)與壓鉛試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢擬合，分析監(jiān)測裝置試驗(yàn)和壓鉛試驗(yàn)兩種試驗(yàn)結(jié)果的趨勢相關(guān)性,結(jié)果見表3。由表3可知,趨勢相關(guān)性接近1,說明這兩種試驗(yàn)得到的片間壓力分布結(jié)果一致性較好。由試驗(yàn)分析可知,所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)電機(jī)定子鐵心冷壓工藝制造時(shí)片間壓力進(jìn)行監(jiān)測的要求。

表3 試驗(yàn)趨勢相關(guān)性

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)對定子鐵心片間壓力及壓力分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測,可以為實(shí)現(xiàn)定子鐵心片間壓力均勻性補(bǔ)償方案提供數(shù)據(jù)支撐。對監(jiān)測裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)與壓鉛試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,得出監(jiān)測裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)與壓鉛試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性接近1,表明發(fā)電機(jī)定子鐵心片間壓力監(jiān)測裝置可以替代壓鉛試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子鐵心制造過程中片間壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測。