大型海上風電轉子圓柱度加工方法研究

徐佳俊 馬 濤 韓海瑞

（寧夏共享精密加工有限公司，寧夏銀川 750021）

0 引言

海上風電項目是“十四五”規(guī)劃期間提出的國家級戰(zhàn)略項目，海上具有豐富的風力資源，與陸地風電相比，海上風電風能資源的能量效益比陸地風電場高20%～40%，還具有不占用土地、風速高、沙塵少、電量大、運行穩(wěn)定以及粉塵零排放等優(yōu)勢，同時能夠減少機組的磨損，延長風力發(fā)電機組的使用壽命，適合大規(guī)模開發(fā)。國務院下發(fā)的《國務院關于印發(fā)2030年前碳達峰行動方案的通知》強調：堅持陸海并重，推動風電協(xié)調快速發(fā)展，完善海上風電產業(yè)鏈，鼓勵建設海上風電基地；推動退役風電機組葉片等新興產業(yè)廢物循環(huán)利用，以及“海上風電+海洋牧場”等低碳農業(yè)模式。

全球風電市場需求旺盛，大型海上風電場自2021年啟動建設以來規(guī)模迅速增長，目前技術領先的風電廠如西門子歌美颯、金風科技、遠景能源、維斯塔斯、GE能源等均開展了海上風電項目研發(fā)。其中國內風場建設速度最快、數(shù)量最多，在全球市場占比達80%以上，為國家清潔能源建設提供了有力支持[1]。對全球海上風電保持快速增長的判斷基于以下幾個原因：（1）海上風電成本的快速下降；（2）海上風電發(fā)展目標的上調，比如歐洲各國、美國以及亞洲的韓國和日本；（3）漂浮式風電的產業(yè)化及商務化；（4）海上風電在跨行業(yè)協(xié)同及全球能源轉型中的獨特作用。在亞洲，中國將繼續(xù)成為海上風電最大的貢獻者，而越南、日本及韓國市場也會有快速發(fā)展。歐洲市場除英國等西歐國家外，東歐國家也將開始海上風電的建設。

1 項目主要技術研究內容和研究過程

1.1 部件結構分布

作為關鍵零部件之一的轉子在整體風機組件中的位置至關重要，在設計方案中起到承上啟下的作用，它主要和輪轂、主軸、前機架相連接。轉子本體跟隨風機轉動，內腔安裝有磁感線，本體帶動電刷切割磁感線。轉子內部裝有定子，與底座支撐相連接，是風機發(fā)電組件中最關鍵的組成部分，其結構與產品質量決定了風機整體的發(fā)電效率，因此關鍵尺寸的加工要求非常嚴格。詳細的轉子裝配結構如圖1所示。

圖1 轉子裝配結構圖

轉子前端連接輪轂，葉片與輪轂作為動力接收裝置將大氣中的風力轉化為驅動力首先傳遞至轉子，轉子會帶動動軸和強大的磁極進行旋轉，從而在旋轉過程中切割磁感線進行發(fā)電，在此過程中轉子如果沒有很好的圓柱度會導致偏心旋轉，從而會有傾倒的風險，這對于風機整體結構將是致命的，因此轉子對圓柱度的要求極為嚴格[2]。

1.2 加工過程主要難點分析

轉子本體材質為球墨鑄鐵EN-GJS-400，輪廓尺寸直徑φ9 620 mm，高2 150 mm，鑄件毛重74 t，分三瓣分別澆注，整體鑄件是空腔薄壁型結構，需要將三瓣裝配組合成整圓后加工。如圖2所示，主要加工內容有：結合面合缸銷孔/螺栓孔加工、內腔內圓加工、周身安裝線圈孔鉆孔。

圖2 轉子成品示意圖

薄壁零件定義為壁厚與內徑或輪廓尺寸之比為1:20，轉子直徑為D9 620 mm，最小壁厚50 mm，最大壁厚200 mm，最小壁厚位置壁厚與內徑之比為1:192.4，最大壁厚位置壁厚與內徑之比為1:48.1，為典型的大直徑、薄壁類工件。查表8 000～10 000范圍內，IT6 級公差0.38 mm，IT7 級公差0.6 mm，轉子直徑D9 028 mm/D9 060 mm內圓直徑尺寸公差±0.2 mm，公差范圍0.4 mm，屬于IT6級精度要求。加工內腔直徑的圓柱度要求最高，φ9 028 mm內圓，高度1 690 mm，要求圓柱度φ0.2 mm，經常會在加工中出現(xiàn)因筒壁變形導致圓柱度和直徑尺寸超差等問題。轉子主要加工面平面度要求0.2 mm，平行度最大要求0.2 mm。合缸銷孔公差φ50（0，+0.025）mm、φ20（0，+0.021）mm，受設計結構影響，機床無法加工，需要鉗工在寬400 mm、高500 mm空間操作。

經過試驗分析，引起變形的主要原因有兩點：（1）鑄件整體加工直徑達到φ9 060 mm，最小壁厚卻只有50 mm，屬于大型薄壁類工件，在車削過程中車刀刀尖與工件接觸面積較整體鑄件來說過于集中，相當于點接觸，局部受力大、應力集中容易導致鑄件變形[3]；并且鑄件為空腔、薄壁結構，綜合考慮材質影響，局部受力將會放大變形量。（2）加工內腔高度為1 690 mm，需要車削的面積范圍大，并且鑄件上部開口，加工過程中開口部位沒有約束，會導致鑄件加工面上、中、下三部分在切削過程中受力不一致，呈現(xiàn)張口趨勢，越往上部開口處變形越嚴重，從而導致開口部位圓柱度超差最嚴重（圖3）。

圖3 圓柱度檢驗測試結果圖

按照常規(guī)加工方式加工完成后，使用激光跟蹤儀進行檢測，首次測量發(fā)現(xiàn)轉子圓柱度超差嚴重。底部打點測量一圈顯示圓柱度大部分在公差范圍內，但是局部形狀為橢圓；中間層打點測量一圈顯示圓度較底層較好，但是圓柱度局部超差；頂部打點測量顯示圓柱度超差嚴重。整體加工結果呈現(xiàn)上大下小的喇叭口，圓柱度超差嚴重。

2 改進過程及效果驗證

2.1 過程監(jiān)控與測量

為確保最終轉子圓柱度合格，需要進行過程檢測監(jiān)控，避免最終加工結束后圓柱度超差。轉子直徑已達9 m，無法使用常規(guī)內徑千分尺等方式直接測量，需要使用精度等級0.001 mm的激光跟蹤儀進行打點檢測，收集檢測數(shù)據(jù)后擬合成圓柱體與三維理論數(shù)模進行比對并評價圓柱度結果?？紤]到產品尺寸過大，采集數(shù)據(jù)樣本需要覆蓋全部內腔面才能反饋真實的鑄件狀態(tài)。試驗過程將圓柱面等分成120列，每列再等分3～5個層面進行采點，最終將360～600個點的坐標值擬合形成圓柱面。

2.2 裝夾改進

根據(jù)多次擬合測量結果，要想保證整體圓柱的垂直度，首先要確定裝夾工裝支撐平穩(wěn)，保證鑄件安裝水平。設計8個可以調整高度的裝夾工裝（圖4），均布在工作臺上，可起到有效支撐的作用。支撐的數(shù)量少于8個會產生較大的空隙，鑄件局部會產生塌陷；支撐數(shù)量多于8個則矯正次數(shù)又過多，設計成本過高，不利于實際生產。此外，可調的支頂裝置可以靈活調節(jié)鑄件安裝的高度和位置，也利于鑄件的找平找正，能夠提升鑄件的裝夾和加工效率。

圖4 裝夾工裝

2.3 加工消應力改進

控制圓柱度另一個關鍵因素是解決鑄件上層張口問題，車削過程中鑄件高速旋轉會產生離心力，如果有側向約束或者側向支撐可以有效避免離心力造成鑄件張口。但是由于工作臺直徑限制，無法在側面增加支撐來對沖離心力，只能設計其他方案來抵消離心力。通過約束力公式計算，只要增加個別方向的約束即可轉化成徑向的約束力，從而減少張口的風險，有效解決圓柱度超差問題[4]。

具體方案為安裝倒鏈，將鑄件側面與底部工裝固定，一方面提前釋放了張口的伸縮量，使鑄件旋轉過程中均勻承受離心力而沒有更多的變形量導致大幅張口，另一方面增加的約束有一定的角度，可以轉化成徑向的約束力從而抵消一部分離心力。

3 檢測結果

通過這一方法加工結束后，使用精度等級0.001 mm的激光跟蹤儀器進行檢測，發(fā)現(xiàn)圓柱度評價結果顯著提升，如圖5所示。

圖5 圓柱度終檢檢測結果

擬合的圓柱度結果顯示上、中、下三層每層的圓柱度結果均在圖紙要求公差之內，并且最大、最小值差值不超過0.05 mm，整體圓柱度有大幅改進和提升，從而證明以上三種改進方式——過程監(jiān)測并及時調整切削量和切削參數(shù)、調節(jié)不同部位支撐的受力、增加鑄件開口部位的約束是有效的。

4 結束語

本文通過合理的過程檢測監(jiān)控發(fā)現(xiàn)圓柱度的影響因素，從而對癥下藥，設計有效的控制方案，解決了轉子圓柱度加工的難點，對于整體風機組件平穩(wěn)運行起到了至關重要的作用。本研究方案不僅從技術難點去考慮，還綜合考慮了設計成本、現(xiàn)場生產的可操作性和工作效率，通過可靠的方式有效解決了大型鑄件圓柱度加工超差問題，為后期類似產品加工生產提供了可靠的樣本案例，有利于推動海上風電行業(yè)的快速發(fā)展，降低風電行業(yè)的成本，為國家大力發(fā)展海上風電項目提供技術支持和堅實后盾。本文的研究為今后國家自主研究12 MW及以上大型海上風電技術的國產化積累了豐富的經驗，奠定了堅實的基礎。