关于大型水轮机顶盖底环轴孔加工系统开发与应用

丁达兵

摘 要：本文针对传统水轮机顶盖、底环轴孔加工过程中已产生误差的问题，在现有数控龙门机基础上，应用最小二乘法原理，设计了一套新的加工系统。通过实际应用，表明该系统能够对加工零件的尺寸精度和表面光洁度产生积极影响，值得推广。

关键词：水轮发电机;零部件加工制造;顶盖底环轴孔;加工系统;开发与应用

引言

水轮发电机是我国水资源利用过程中十分重要的设备。这是一种垂直组装的旋转机器，配备可倾瓦轴颈轴承，以亚临界速度运行。水轮发电机型号不一，功率从 1 到 700 MW，速度在 60 到 1000 rpm 的范围内[1]。其中的大型水轮发电机是我国水资源利用进入百万级容量的必要设备。在大型水轮发电机结构中，顶盖和底环的加工制造水平直接关系到这些机器的动态行为，极为关键。特别是顶盖、底环的轴孔加工，需要精确到d0.1mm-d0.2mm，要求极高且工序复杂，传统的加工制造技术已经难以胜任，需要探索一套新的加工制造方法。

大型水轮机顶盖底环轴孔加工系统设计

1.1大型水轮机顶盖底环轴孔加工系统应用原理

顶盖、底环的轴孔加工最主要的部分是消除“误差”，这也是应用数控龙门铣加工轴孔的关键核心。为此，采用“最小二乘法”原理。这是一种用于确定最佳线性或非线性回归的统计方法。该方法是由勒让德（1805）、高斯（1806，1809）和阿德莱恩（1808）独立发展起来的，有着丰富而长的历史[2]。最小二乘法因其计算简单和特殊的最优性质而被广泛用于拟合回归线的技术，它给出了最好的线性无生命线性回归的情况下，最大似然估计的情况下，回归高斯（正态）误差。最小二乘法使用输入-输出测量对获得给定系统的估计，并假设输入和输出对线性相关的模型。其优点之一是可以在接收输入-输出对时实时使用。从这个意义上讲，回归直线是一个随机变量期望的模型，给定一组特定的条件变量x和y。其中，y 被称为“依赖”或“解释”变量;x 被称为“独立”或“解释”变量的向量。用 xas e （y i x）表示 y 的条件期望。这个条件期望的模型是一个函数，它取决于解释变量 x 和一个参数向量，比如说 p，对于参数 p * 的某个值提供了最佳拟合。基于此，大型水轮机顶盖、底环轴孔间实测的弦距和表示为：

式（2）中，T——轴孔间弦距设计值;

Ti——轴孔间弦距实测值;

vi——各次数的测量误差;

ti——各間隔轴孔弦距实测值。

基于上述最小二乘法以及组合测量技术对顶盖、底环导叶轴孔关联参数数据的处理应用。本工艺方案利用顶盖、底环的基准圆半径 Rj、导叶轴孔边心距L，计算轴孔分度圆半径 Rb;计算出顶盖、底环各轴孔的弦差、半径差、位置误差;利用匹配的顶盖、底环导叶轴孔，间弦距 T。轴孔分度角 W，如图1 所示，满足设计要求即可完成各轴孔的精加工。

1.2大型水轮机顶盖底环轴孔加工系统设计实现

依据大型水轮机顶盖、底环轴孔的设计要求、实际参数和加工系统的原理，所设计的系统采取了模块化的设计和实现方法，按照大型水轮机顶盖、底环轴孔的加工所需，将系统分作三层十二个模块。其中，三层分别是“显示层”“逻辑层”和“输出层”;十一个模块分别是显示层的“主界面模块”，逻辑层的“标准件参数模块”“加工件参数模块”和“程序管理模块”，输出层的“标准件节圆半径模块”“标准件弦长模块”“标准件节圆修正模块”“加工件节圆半径模块”“加工件节圆修正模块”“自动生成代码模块”“程序仿真验证模块”。

系统设计完成后，通过C#实现系统的开发和实现。为了适应各种各样的范例，通用c # 以帮助建立通用数控机床的接口模型。它允许定义一些应用参数，例如数控机床的型号/品牌，以及机器参数和频率。主要目的是定义运行时的函数参数，也就是说，当需要获取不同的数据，或者需要在不同的频率获取不同的数据时，不需要为特定的机器重新编译服务器应用程序。在这种实现方式下，系统完成后，使用球杆精度测试进行性能分析，以确定机器零件的运动对加工零件的尺寸精度和表面光洁度的影响。

大型水轮机顶盖、底环轴孔加工的传统方法包括使用直线电机和滚珠丝杠驱动来获得工作台运动。在这项工作中对传统数控机床加以改进，应用最小二乘法消除实际加工中的误差，以此增强型数控龙门机的加工水平，使得数控龙门机能够更好的进行水轮机顶盖、底环轴孔加工。转动所需的工作台的高角速度会导致工作台轴承支架发热和底座热变形。如果在车削后立即进行铣削或钻孔，则应校正机床轴的运动，以消除由于偏转而产生的加工误差。

结果表明，所开发系统的直线度从 176.3 微米减少到 114.6 微米，这是由于刀具和工作台移动的总距离减少而发生的。此外，圆形度从667.0μm减少到338.7。此外，为了在加工过程中获得高质量的产品，表面粗糙度的最小化非常重要。对表面粗糙度最有效的参数是进给速度和切削速度。随着切削速度的增加，可以降低表面粗糙度。在研究中，通过采用 3 级切削速度（110、160、210 m/min）、进给速度（0.025、0.050、0.075 mm/rev）和拐角半径（0.4，0.8， 1.2 mm） 参数作为参考创建了一个实验模型，用于车削过程中的最小表面粗糙度，辅助完成轴孔加工。

为了进一步验证系统的实际应用效果，运用该系统进行某大型水轮发电机的顶盖、底环轴孔加工。加工过程十分简单：在系统中输入需要加工的顶盖轴孔半径和弦长的测量值，进而得到误差修正后的顶盖轴孔的节圆半径，将其输入得到底环的轴孔参数，此时启动数控机床，加工完成。结果显示，加工后同轴度最大值为0.166 mm，满足设计制造要求。

结束语：

综上所述，在车削、镗削、铣削、钻削等多种工艺中，本文着重铣削加工工艺，详细介绍了一种大型水轮机顶盖底环轴孔加工系统的设计和实现方法，以及选择合适的速度和机床进给量。经过实证分析，该系统确实能够提升水轮机顶盖、底环轴孔加工水平。

参考文献：

[1]刘琦.水轮机大部件的加工工艺[J].电机技术，2017（02）：44-47.

[2]乔杰，吴家奎，谢贤斌. 大型水轮机顶盖底环轴孔加工系统开发与应用[J]. 东方电气评论，2019，33（1）：45-48.