1.5 MW 单行星锁紧盘工艺开发

梁嫣蕊，梁嫣丽

（太原重工油膜轴承分公司，山西 太原 030024）

引言

为积极响应国家对清洁能源发电设备制造的政策导向，太原重工油膜轴承分公司结合国内外风电市场及现有设备的优势，计划自主研制、开发风电锁紧盘，打破产品单一化的现状。风电锁紧盘在风力发电机组中起着传递扭矩的作用，它将风力发电机组中的主传动轴、齿轮箱连成一体，并连续持久旋转工作。风力发电机组运行环境恶劣且维护极为不方便，因此要求锁紧盘使用寿命在20 年以上，装拆15 次而不使其性能失效。

风电锁紧盘由外套、内环、螺栓等组成，外套与内环采用双锥面配合，装配结构如图1 所示，组装时通过高强度螺栓对称、均匀拧紧，利用双锥面过盈，使齿轮箱、主传动轴之间产生过盈，从而实现风电机组稳定运转。通过对1.5MW 单行星风电锁紧盘的结构设计、工艺设计、材料选择、检测方法确定，并进行理论计算校核、有限元模拟分析，最终完成试制品加工，静扭矩的试验验证。

图1 装配结构

1 1.5 MW 单行星锁紧盘试制

太原重工油膜轴承分公司在2010 年着力进行试加工，本人作为此产品工艺设计的主任工艺员，对1.5 MW 单行星锁紧盘进行了工艺设计。此部件共有两种加工零件外套与内环，由于风电产品的维护费用相当高，所以对产品的质量性能要求比较高，因此工艺设计时要严谨、周全考虑。

为了确保产品的性能，编制工艺时从材料到热处理再到加工进行了仔细的策划。以下是零件的工艺流程。

外套：车—调质—探伤—热处理—车（取样）—性能试验—车—消应力—车—划—钻—磨—钳。

内环：车—探伤—热处理—车—性能试验—车—消应力—车—划—钻—磨—钳—车—磨—钳。

1.1 确认材料性能

首先要通过一些工艺手段确认材料的性能，在母材上取料进行了一对一的性能、化学成分及金相的检测，从检测得到的数据分析，材料的成分、性能及金相都能满足使用要求；除了需要以上的一些量化的数据外，还应考虑材料内部组织是否有缺陷，为此工艺设计时，必须合理安排零件的超声波检查。

1.2 工艺设计要点

除了在材料方面进行全面的质量方面的取证外，由于零件的结构为锥形零件，且内环为薄壁零件，给加工带来了一定的难度；工艺设计时必须考虑锥形零件在加工过程中的尺寸如何控制、如何检测，要达到图纸所要求的尺寸精度、几何精度以及相关的粗糙度要采用什么工艺手段才能既经济又可靠，需要在工艺方案设计时精心考虑。

下面就针对不同的零件详细介绍工艺是如何设计的。下页图2 是外套（20106118.01.01）的结构图。

图2 外套（20106118.01.01）的结构图

根据零件的结构特点及精度要求，对零件工艺设计的要点介绍如下：此零件内孔均为锥面，这种结构要进行超声波检查它的工艺性好坏，为了能准确反应材料的质量问题，在超声波检查前的工序中工艺要求将锥面加工为直面，但为了有便于后续加工要合理留出余量，否则锥面大头的余量将会过大，为此根据零件的特点按小头的直径留2～3 mm 余量即可，而不能按通常的规则来留余量。

内孔为锥面，对于加工过程中的尺寸控制也是此零件的一个难点，如何检测、用什么量具检测是工艺设计人员必须考虑清楚的。零件的外形尺寸为Φ1 020 mm×Φ672 mm×266 mm，尺寸较大在量具的设计上不适合用通常的塞规，因为尺寸较大它的重量自然就会加大，操作人员用起来就会很不方便，也会影响检测的准确性，为此设计了一种板式的量具（见图3），且在设计结构上考虑增加减轻孔的方法来使量具做到轻便；同时量具还必须要考虑它的稳定性，因此在材料的选择上必须认真考虑，为此选用了HT250，并在制造工艺中要求多次进行消应力热处理。

图3 板式的量具

图4 是内环（20106118.01.02）的结构图。内环为外锥面零件，同样也存在外锥尺寸如何控制、检测的问题，需要设计环规，但外形尺寸为Φ790.54 mm×Φ640 mm×264 mm 比较大，环规的设计必须考虑本身的重量，否则操作人员用起来会很不方便，并会带来测量上的误差比较大，为此在设计环规时在结构上增加了减轻槽，这样不仅重量得到减轻，而且减小了两锥面的接触面积，使用起来更方便，但还要同时考虑量具的稳定性，同样在材料的选择及工艺设计时采取了相应的措施，在材料的选择上同样用HT250,并在制造工艺中要求多次消应力热处理。

图4 内环（20106118.01.02）结构图

另外，内环有一更大的加工难点就是壁薄，最薄的位置壁厚才6.75 mm,配合表面粗糙度图纸要求Ra0.4,在加工中必须通过磨削才能达到，这样就要考虑加工中的变形如何控制。首先要控制磨削余量，余量的选择一定要合适，既能将磨削带来的变形控制在最小，又能保证磨削过程中不会因为余量的不足而导致磨不起来，介于零件的这些特点外圆留0.5～0.6 mm 磨削余量，同时对磨削时的切削参数进行了严格控制：在粗磨时进给量T=0.01,工作台的转速N=8～10 r/min,主轴转速F=350 mm/min；在余量有0.1～0.12 mm 时开始精磨，这时切削参数要进行调整，进给量T=0.005，工作台的转速N=12～15 r/min,主轴转速F=350 mm/min；除了工艺设计合理切削参数外，还设计了专用的胎具，在一次装卡中将两外锥面磨削完成，通过这样的工艺设计来控制零件变形，保证了零件的几何精度。经过实践验证了零件的变形基本在允许的范围内，确保了产品的质量。

内环（20106118.01.02）磨削工装胎具见图5。通过这样的工艺设计生产出的零件，它具有互换性。通过设计量具对尺寸进行了有效的控制，所以无论从材料还是到加工都有足够的可行的技术方案。

图5 内环（20106118.01.02）磨削工装胎具

1.3 试验台工艺设计方案难点

1.5MW单行星锁紧盘产品试制出来后，为了检验产品的性能，要进行模拟试验，为此进行了试验台的制作，其中有一种图号为20106118.02.04 名为支撑杆的零件，外形尺寸为2 570 mm×800 mm×185 mm，尺寸超出设备的加工范围，且有一大平面为大的斜面，加工时不好装卡，为此在斜面上留出两个平面台阶作为工艺台阶，待零件加工完毕后再将其铣掉；另外此零件一端有一个内六方，由于零件尺寸较大在T130 镗铣设备上回转不开，因此就充分利用数控机床，利用加长棒铣刀经过编程在一次装卡中将内六方加工出来，解决了加工过程中的难题。

试验台质量达15.5 t，超出车间行车的承载，底板与挡板组装时必须架起来，零件外形尺寸都在2.0 m 以上。针对这些问题，工艺设计时通过分解组装，将底板与挡板安装好，吊到安装位置，再将其余零件组装。

1.4 试验目的

1.5 MW 单行星锁紧盘的额定扭矩为2 920 kN·m，螺栓的拧紧力矩为1 640 N·m。通过锁紧盘试验台（图号20106118.02.00）测定锁紧盘所能传递的静扭矩值，检测是否符合图纸要求。

通过对试验后锁紧盘外套内环尺寸的检测及静置后的尺寸检测，检验材料的弹性变形回复能力。通过反复静扭矩试验，检验材料的超弹性性能。

1.5 试验内容

1.5.1 锁紧盘安装前准备

试验台场地要求平整，四周无杂物，便于锁紧盘静扭矩试验的顺利进行。

做好安全防护工作，保障试验过程人员、设备安全。注意明火，四周不允许电焊操作。

试验台已安装完毕，满足试验要求。其中，按锁紧盘静扭矩试验要求用四氯化碳水溶液、乐泰755或丙酮清洗干净轴套、主轴，并用脱脂棉擦拭干净，待其配合表面干燥后，进行装配。轴和轴套不可有油污和锈蚀，必须清洗干净并干燥，否则将引起重大事故。切忌不可用煤油进行清洗。

安全提示：丙酮有毒，操作时注意配戴手套、防毒面具等安全保护装备，做好外露皮肤的防护工作！

准备好安装及试验所需工具。液压力矩扳手和手动力矩扳手需定期进行力矩标定值的校验。

安装及试验人员应详细阅读本规程，对安装要求及注意事项要完全了解。

按照钳工使用守则的规范要求做好装配前的准备工作：核查装配尺寸，检查螺栓的完整性，检查所有的结合面是否出现磕碰、划伤，对上述不完整之处做必要的去高点、圆滑过度等修复工作。

做好检验记录。需进行试验台尺寸检测、内环、外套自由状态的尺寸检测、内环外套装配状态（无主轴、不锁紧）尺寸检测。检测前在零件端面做好检测点的标记，保证试验前后同点检测。

1.5.2 锁紧盘的安装

将锁紧盘外套、内环锥面配合处涂二硫化钼脂，高强度螺栓上也需涂二硫化钼脂；然后将锁紧盘外套水平放置，内环调平放入外套中，人工将其结合面对正装入，锥面贴合紧密，用深度尺检查内外环配合高度误差应≤0.1 mm；再装入高强螺栓，用手动工具将高强度螺栓带上并旋紧至有一定紧度为止，锁紧盘组装完成。

将组装好的锁紧盘套入轴套上，让锁紧盘在轴套上滑动，锁紧盘内环端面与轴套端面距离约20 mm。

先用210 力矩调定手动力矩扳手，按十字对角线的方向拧紧螺栓，随时用深度尺检查内外环配合高度误差应≤0.1 mm。

再用1/4 值（410 kN·m）力矩调定液压扭矩扳手，按十字对角线的方向拧紧螺栓，同时用深度尺检查内环、外套配合高度误差应≤0.1 mm，以确保锁紧盘外套、内环保持等距。然后按逆时针方向顺次拧紧螺栓，每次拧紧力必须相同，1/4 值（410 kN·m）扭矩需要十几个循环。每次增加螺栓拧紧力矩的1/4 值（410）调定扭矩扳手，重复上述螺栓拧紧步骤，随时检查内环、外套配合高度误差，以确保安装正确。

最后用螺栓拧紧，拧紧力矩为1 640 kN·m，调定扭矩扳手，重复上述螺栓拧紧步骤，全部螺栓拧紧需要十几个循环，用以消除其虚假紧定点而使紧定结合面贴实，最终用手动力矩扳手逐个对螺钉进行校验，看是否达到拧紧力矩值，至此，锁紧盘的装配全部完成。

检查锁紧盘是否安装到位：一般要求内环与外套上端面平齐为止。螺栓按要求的额定拧紧力矩拧紧，内环、外套高度差小于3 mm 为最大高度差，这时已有3 倍的安全系数，外套与内环上端面平齐传递扭矩会更大。有时螺栓拧紧力矩不足额定力矩，但内环与外套上端面已平齐，也判定为安装已到位，分析原因如下：

1）考虑到液压力矩扳手和手动力矩扳手长期使用可能引起的扭矩误差。

2）考虑各摩擦表面润滑油对摩擦系数的影响。

3）考虑接口尺寸配合间隙大小对内外环高度差的影响。

4）设计上有较大的安全系数。

安装完毕后，在外露的所有结合面和加工面涂抹上防锈油，谨防发生锈蚀。

对试验台及锁紧盘装配尺寸进行检测记录。

1.5.3 锁紧盘打压试验

试验分五个阶段：410 kN·m、840.3 kN·m、1 260.5kN·m、1 680.7 kN·m、2 100.8 kN·m、2 640 kN·m，则对应压力分别为20 MPa、27 MPa、33 MPa、41 MPa、42 MPa。

锁紧盘安装到位后，分别在轴套与主轴上画对齐刻度线做标记，启动液压泵，每阶段达到所需试验压力后，保压30 min，观察刻度线变化情况，是否发生移动现象。如果在41 MPa 时，保压30 min 后，不发生移动，证明锁紧盘达到设计要求，将液压泵关停。

1.5.4 锁紧盘拆卸

静扭矩测试完成后，需将锁紧盘从试验台上拆卸下来。用定扭矩扳手按对角、均匀的原则，按顺时针方向顺次逐渐拧松全部高强螺栓，为避免外套、内环倾斜，损伤锥度配合表面，每个循环各拧松1/4 转（即液压扳手动作一次）。每隔几个循环，必须测量外套、内环是否等距。切勿不均匀地完全拆除高强螺栓，否则因螺栓受力不均，容易引起断裂而造成伤人事故。当外套、内环不能脱开时，利用拆卸螺孔拧入相应螺栓，顶松外套，螺栓拧入前需涂二硫化钼脂。检验人员需观察并记录锁紧盘内环退出时是否容易。当锁紧盘与轴套之间滑动时，就可将锁紧盘吊离轴套。

如轴套前的轴头发生锈蚀时，拆卸前必须除锈。

锁紧盘拆卸完成后检查内环、外套配合尺寸有无变化，配合锥面有无拉伤等情况，检测轴套的外圆尺寸有无变化，做好检测记录，内环水平放置时间为1 d，以便锁紧盘内外环恢复形状，并检测尺寸，检测值作记录。

1.5.5 反复静扭矩试验

为检测锁紧盘的稳定使用效果，必须对同一锁紧盘进行10 次静扭矩测试，重复锁紧盘试验过程，进行测试，并做好检测记录。

锁紧盘10 次静扭矩试验合格后，可进行锁紧盘极限扭矩测试。启动液压泵，将液压泵设定为47 MPa（M=2 920 kN·m），并保压30 min，当轴套与主轴上对齐刻度线发生移动时，此时测定的扭矩为极限扭矩，如不移动，可继续提高压力，直到出现移动，此时的扭矩值为极限扭矩值，至此完成了锁紧盘的试验。

2 结语

对1.5 MW 单行星锁紧盘外套、内环材料的化学成分、力学性能、金相组织进行了检测、测试、分析，并进行了试加工，并对试加工出的外套、内环的锥角角度、几何尺寸、形位公差等多项参数在三坐标进行了检测，经过组装后在试验台上进行了模拟力矩试验，各项指标均满足使用要求。