大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子機(jī)殼鉆孔裝備的研制*

張建新，李龍泉，沈駿騰，趙 歆

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，天津 300350)

0 引 言

隨著風(fēng)力資源的深入開發(fā)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)功率日益加大，與之配套的風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子機(jī)殼也日趨重型化、大型化、復(fù)雜化。以功率6.3 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，其定子機(jī)殼重達(dá)3 t，外形高、長、寬尺寸分別達(dá)2.2 m、1.8 m和1.4 m。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子機(jī)殼為一大型鑄造件，外部形狀為長方體，內(nèi)部沿縱向有圓柱形空心內(nèi)腔，發(fā)電機(jī)定子繞組線圈固定于定子機(jī)殼內(nèi)腔。在定子機(jī)殼的前、后、左、右4個(gè)面上需要加工出若干個(gè)高精度定位孔，用于安裝對腔體內(nèi)定子繞組進(jìn)行定位的定位銷。根據(jù)機(jī)型的不同，每個(gè)面定位銷數(shù)量通常為8～12個(gè)，定位銷銷孔直徑最大可達(dá)32 mm，深度最大可達(dá)300 mm。此外，在機(jī)殼的前后左右面上，由于加工工藝及安裝附件的需要，還需要加工出一些孔[1-2]。

鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子機(jī)殼上鉆孔加工的工作量較大，本文將研制大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組定子機(jī)殼鉆孔裝備。

1 加工工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)

通常，定子機(jī)殼四周每個(gè)面的孔加工工作量都比較大，無法人工完成。而定子機(jī)殼的前、后、左、右4個(gè)面均為鑄造面，加工時(shí)沒有定位基準(zhǔn)，只有上、下兩端面的止口端面是機(jī)加工過的端面，在定子機(jī)殼四周鑄造面上進(jìn)行鉆孔加工時(shí)，只能將其軸向垂直于水平面豎立放置，鉆孔時(shí)鉆孔機(jī)采用臥式加工[3]。

由于定子機(jī)殼前、后、左、右4個(gè)面均有鉆孔加工，在完成一個(gè)面上所有孔的加工后，需要對定子機(jī)殼進(jìn)行回轉(zhuǎn)變位，使其另外一個(gè)待加工面垂直于鉆孔機(jī)鉆頭。在進(jìn)行每一個(gè)面的鉆孔加工時(shí)，由于該面上待加工孔位置在上、下、左、右方向上的跨距較大，要求鉆孔機(jī)在上、下、左、右方向上實(shí)現(xiàn)較大范圍的對刀平移及鎖緊定位。

此外，由于不同機(jī)型的定子機(jī)殼長度和寬度差異較大，以及待加工孔的深度規(guī)格不同，要求鉆孔機(jī)沿其鉆孔進(jìn)給方向?qū)崿F(xiàn)較大范圍的對刀平移及深度可調(diào)的進(jìn)給[4-5]。

2 鉆孔裝備設(shè)計(jì)

考慮到定子機(jī)殼的外形特征及鉆孔加工工藝要求，設(shè)計(jì)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子機(jī)殼鉆孔裝備主要由兩部分組成：分別是鉆孔裝置和立式工件回轉(zhuǎn)平臺(tái)。

鉆孔裝備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆孔裝備總體結(jié)構(gòu)圖1-固定座；2-回轉(zhuǎn)支撐；3-回轉(zhuǎn)工作臺(tái)；4-定子機(jī)殼;5-鉆孔裝置機(jī)架；6-Y向?qū)к墸?-鉆孔機(jī)；8-Z向滑臺(tái)；9-Z向?qū)к墸?0-X向滑臺(tái)；11-X向?qū)к墸?2-Y向滑臺(tái)

2.1 立式工件回轉(zhuǎn)平臺(tái)

立式工件回轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對定子機(jī)殼的裝卡定位以及回轉(zhuǎn)變位功能。立式工件回轉(zhuǎn)平臺(tái)主要由3部分組成：分別為固定座、回轉(zhuǎn)支撐以及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。

固定座安裝固定于地面；回轉(zhuǎn)工作臺(tái)用于對定子機(jī)殼進(jìn)行定位裝卡，根據(jù)不同的機(jī)型的定子機(jī)殼，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)配置了相應(yīng)的工裝夾具；在固定座與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)之間安裝有回轉(zhuǎn)支撐?；剞D(zhuǎn)支撐下方殼體與固定座聯(lián)結(jié)，上方中央蝸輪端面與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)聯(lián)結(jié)。回轉(zhuǎn)支撐采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)，再經(jīng)過減速機(jī)輸出軸驅(qū)動(dòng)蝸桿，最終蝸桿驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐中央蝸輪旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)待加工定子機(jī)殼的回轉(zhuǎn)定位[6]。

2.2 三軸臥式鉆孔裝置

鉆孔裝備實(shí)現(xiàn)定子機(jī)殼前、后、左、右4個(gè)面上的鉆孔加工。根據(jù)加工面上加工孔的位置布局，要求鉆孔機(jī)實(shí)現(xiàn)上下左右方向的平移對刀；根據(jù)定子機(jī)殼的不同型號(hào)及孔深的不同規(guī)格，要求鉆孔機(jī)實(shí)現(xiàn)前、后方向的平移以完成Z軸方向的對刀及輔助進(jìn)給。

鉆孔裝備采用臥式結(jié)構(gòu)，具有三軸的平移定位功能。三軸臥式鉆孔裝備主要由機(jī)架、X向?qū)к壖捌浠_(tái)、Y向?qū)к壖捌浠_(tái)、Z向?qū)к壖捌浠_(tái)、智能數(shù)控鉆孔機(jī)組成。

Y向?yàn)樨Q直方向，通過液壓升降臺(tái)驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)回路如圖2所示。

圖2 升降機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖1-液壓缸；2-節(jié)流閥；3-換速閥；4-換向閥;5-單向閥；6-節(jié)流閥；7-安全閥;8-液壓泵

圖2中：單作用液壓缸1用于驅(qū)動(dòng)Y向滑臺(tái)升降。換向閥4用于滑臺(tái)升降及定位停止的切換：換向閥右位工作時(shí)，泵站啟動(dòng)，滑臺(tái)上升，泵站關(guān)閉，滑臺(tái)定位停止；換向閥4左位工作時(shí)，滑臺(tái)下降。換速閥3用于滑臺(tái)升降快慢速度的切換，以適應(yīng)不同位置下快速對刀及微調(diào)的操作要求。節(jié)流閥2用于調(diào)節(jié)慢速檔速度，節(jié)流閥6用于限定最高下降速度。在滑臺(tái)停止時(shí)，通過單向閥實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)豎直方向的鎖緊[7-8]。

X方向?yàn)樽?、右移?dòng)方向，采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)，通過帶有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的走刀器驅(qū)動(dòng)絲杠。走刀器的變速箱可實(shí)現(xiàn)快慢速的切換，以適應(yīng)不同位置下快速對刀及微調(diào)的操作要求。對刀調(diào)整完成后，通過電機(jī)的抱閘裝置對X方向滑臺(tái)進(jìn)行鎖緊。

Z方向?yàn)榍啊⒑蠓较?，即鉆孔進(jìn)給方向。Z方向?qū)Φ恫捎脻L珠絲杠螺母傳動(dòng)，通過手輪驅(qū)動(dòng)絲杠。對刀完成后，通過快速夾鉗對手輪鎖緊以實(shí)現(xiàn)Z方向的定位。

此外，智能數(shù)控鉆孔機(jī)具有0～160 mm及160 mm～320 mm兩個(gè)檔的進(jìn)給深度設(shè)定功能，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分級(jí)進(jìn)給功能，以滿足深孔鉆削要求。

鉆孔裝備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 定子機(jī)殼鉆孔裝備主要技術(shù)參數(shù)

2.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件有限元分析

鉆孔加工時(shí)，鉆孔裝備主要承受Y向重力負(fù)載和Z向進(jìn)給力負(fù)載。升降滑臺(tái)(Y向滑臺(tái))上主要安裝有X向滑臺(tái)及導(dǎo)軌、Z向滑臺(tái)及導(dǎo)軌、鉆孔機(jī)、傳動(dòng)裝置及其附件，總重量大約300 kg。

鉆削加工時(shí)，鉆孔進(jìn)給力為[9]：

Ff=309Df0.8Kp

(1)

式中：D—鉆孔直徑,mm；f—進(jìn)給速度,mm/r；Kp—修正系數(shù)。

鉆孔工件材料HT200，鉆頭材料為高速鋼，最大鉆孔直徑32 mm，進(jìn)給量0.2 mm/r。按照上述工藝參數(shù)，計(jì)算得到鉆孔進(jìn)給力最大為2 046 N[10-11]。

由于三軸臥式鉆孔裝備結(jié)構(gòu)及負(fù)載特點(diǎn)，鉆孔裝備床身主要在Y向和Z向發(fā)生變形，且變形主要發(fā)生在Y向滑臺(tái)及機(jī)架。

經(jīng)有限元分析計(jì)算，Y向滑臺(tái)沿Y方向及Z方向位移分析如圖(3,4)所示。

圖3 Y向滑臺(tái)Y向位移分析圖

圖4 Y向滑臺(tái)Z向位移分析圖

由于機(jī)架左右對稱，在對其進(jìn)行剛度分析時(shí)，可以取其中一個(gè)立柱進(jìn)行分析。此外，由于Y向滑臺(tái)在Y向通過液壓升降機(jī)支撐，立柱導(dǎo)軌與Y向滑臺(tái)在Y向無剛性連接，立柱沿Y向位移不會(huì)影響鉆孔精度。

經(jīng)有限元分析計(jì)算，立柱沿Z方向位移分析如圖5圖所示[12]。

圖5 立柱Z向位移分析圖

Z向位移影響加工孔深精度，定子機(jī)殼上所加工的孔用于安裝定子繞組線圈的定位銷或加工成螺紋孔安裝附屬掛件，孔深精度要求較低，且可通過進(jìn)給補(bǔ)償。經(jīng)分析，立柱及滑臺(tái)產(chǎn)生的Z方向總體位移為0.08 mm。

Y向位移影響加工孔的位置及形狀，經(jīng)分析，滑臺(tái)Y向位移最大量為向下0.015 4 mm，發(fā)生在中部后方，該部位對孔加工精度影響相對前方較小，而距離鉆孔較近的中部前方位移為0.01 mm。

為了提高鉆削過程中的定位精度，本文在Y向滑臺(tái)前端左右兩側(cè)安裝有滑臺(tái)鎖緊裝置。

Y向滑臺(tái)鎖緊裝置如圖6所示。

圖6 Y向滑臺(tái)鎖緊裝置1-Y向滑臺(tái)；2-抱閘裝置；3-剎車板；4-鉆孔機(jī)

圖6中，該鎖緊裝置由氣動(dòng)抱閘裝置、剎車板組成；氣動(dòng)抱閘裝置安裝于Y向滑臺(tái)前端左右兩側(cè)，剎車板固定在立柱上。在Y方向?qū)Φ锻瓿珊螅_啟氣動(dòng)抱閘，抱閘裝置夾緊剎車板，從而防止鉆孔過程中滑臺(tái)顫抖，實(shí)現(xiàn)Y向滑臺(tái)的鎖緊，提高加工過程中設(shè)備剛度。

3 結(jié)束語

由于加工工藝及安裝附件的需要，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子機(jī)殼加工時(shí)，在機(jī)殼上還需加工出一些孔[13]。鑒于機(jī)殼上鉆孔加工的工作量較大，筆者針對定位孔加工工藝，設(shè)計(jì)了定子機(jī)殼鉆孔裝備；應(yīng)用三維建模技術(shù)，建立了定子機(jī)殼實(shí)體模型，分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)變位工件裝卡平臺(tái)；在對定位孔分布位置及加工工藝研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三軸臥式鉆孔裝備；基于對三軸臥式鉆孔裝備結(jié)構(gòu)及受力的研究，分析了對加工精度影響最大的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件及其變形方向；采用有限元分析方法，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了剛度的分析，并設(shè)計(jì)了升降滑臺(tái)的鎖緊定位裝置，以提高加工過程中設(shè)備的剛度。

研究結(jié)果表明：該立式回轉(zhuǎn)變位工件裝卡平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)在一次裝卡中完成4個(gè)加工面的變位；三軸臥式鉆孔裝備能定子機(jī)殼加工面上所有孔的加工，該套裝備可實(shí)現(xiàn)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子機(jī)殼外圍表面所有孔的加工。

應(yīng)用結(jié)果表明：該鉆孔裝備可顯著提高大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)殼鉆孔加工的效率及精度。