駱占山

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

1 引言

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子常用的結(jié)構(gòu)為整體鍛造轉(zhuǎn)子、套裝轉(zhuǎn)子兩類，各類汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子多采用整體鍛造轉(zhuǎn)子。套裝轉(zhuǎn)子一般應(yīng)用在主軸細(xì)小、葉輪直徑較大的轉(zhuǎn)子上或者超大型汽輪機(jī)產(chǎn)品上。紅套工藝方法有水平裝配與垂直裝配兩種方法，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子一般采用垂直狀態(tài)裝配，目前較常用的方法是將轉(zhuǎn)子翻轉(zhuǎn)成垂直狀態(tài)，固定在固定的工作臺(tái)上，逐一進(jìn)行葉輪等部件的裝配工作，該方法存在一個(gè)較大的缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)子無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，需要人工調(diào)整熱狀態(tài)的葉輪，裝配效率及安全性大大降低。本文論述了一種轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備，可以完成轉(zhuǎn)子垂直狀態(tài)夾持和平穩(wěn)回轉(zhuǎn)。

2 總體要求

轉(zhuǎn)臺(tái)所夾持轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度一般在4000～7500mm 之間，轉(zhuǎn)子重量一般為30t 左右，因此轉(zhuǎn)臺(tái)承載能力最大定為45t。轉(zhuǎn)盤安裝在井式平臺(tái)內(nèi)，因此空間狹小，其卡盤的卡緊應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)卡緊，我們選用三爪卡盤。一般轉(zhuǎn)子主軸豎起后進(jìn)入紅套狀態(tài)，其垂直度要求為0.03mm/1000mm，因此轉(zhuǎn)子裝卡部位必須足夠長(zhǎng)，選取800mm 作為夾持長(zhǎng)度，以確保其平穩(wěn)。轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)速度要求為2r/min，確保轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中平穩(wěn)牢固。本文中的轉(zhuǎn)臺(tái)由兩部分組成，一部分是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，另一部分是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心裝卡的三爪卡盤及其實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。兩部分集成安裝在底座箱體中。

圖1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 夾緊力受力簡(jiǎn)圖

3 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子夾持后轉(zhuǎn)動(dòng)功能，以適應(yīng)不同的裝配狀態(tài)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由高速級(jí)齒輪減速、蝸輪蝸桿減速、低速級(jí)齒輪減速3 級(jí)組成。高速級(jí)直齒圓柱大小齒輪均選用45 鋼，采用軟齒面，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度217～255HBS，平均硬度236HBS。大齒輪正火處理選用8 級(jí)精度。齒面硬度162～217HBS，平均硬度190HBS。大小齒輪齒面平均硬度差46HBS，在30～50HBS 之間，選用8 級(jí)精度。將蝸輪蝸桿傳動(dòng)置于中間級(jí)，可以減小結(jié)構(gòu)尺寸。因蝸桿傳動(dòng)功率不大，速度不高，蝸桿選用45 鋼，調(diào)制處理，齒面硬度220～250HBS。蝸桿輪緣選用鋁鐵青銅。箱體散熱面積足夠。因?yàn)槭且话銈鲃?dòng)，且蝸輪圓周速度不高，所以選用8 級(jí)精度。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸要求，低速級(jí)大齒輪尺寸直徑應(yīng)大于1200mm。因?yàn)榈退偌?jí)傳遞轉(zhuǎn)矩較大，故大小齒輪均選用40Cr，表面淬火，齒面硬度為48～50HRC，選用7 級(jí)精度。

3.2 夾持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夾持系統(tǒng)采用三爪夾盤，自動(dòng)夾緊。傳動(dòng)方案為電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿減速器，使用一個(gè)雙聯(lián)齒輪實(shí)現(xiàn)三個(gè)卡爪的同步運(yùn)動(dòng)，通過安全離合器設(shè)定所需的夾緊力大小。為實(shí)現(xiàn)三個(gè)卡爪的聯(lián)動(dòng)功能，采用一個(gè)雙聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)，空套在系統(tǒng)主軸上，形成類似滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)。為減小齒輪與軸的摩擦力，齒輪內(nèi)圈鑲銅，并要求齒輪內(nèi)圈和相配合的軸徑加工精度高。

3.3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夾持系統(tǒng)共分為5 級(jí)傳動(dòng)。第一級(jí)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸桿選用45 鋼調(diào)制處理，齒面硬度220～250HBS。蝸桿輪緣選用鑄錫磷青銅。第二、三、四級(jí)直齒圓柱齒輪齒輪為一般傳動(dòng)。故大小齒輪均選用45 鋼采用軟齒面，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度217～255HBS，平均硬度236HBS。大齒輪正火處理選用8 級(jí)精度。齒面硬度162～217HBS，平均硬度190HBS。大小齒輪齒面平均硬度差46HBS，在30～50HBS 之間，選用8 級(jí)精度。第五級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)大小齒輪均選用45 鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度217～255HBS，平均硬度236HBS。大齒輪正火處理選用8 級(jí)精度。齒面硬度162～217HBS，平均硬度190HBS。大小齒輪齒面平均硬度差46HBS，在30～50HBS之間，選用8 級(jí)精度。

4 系統(tǒng)分析

圖3 主軸底座的有限元網(wǎng)格

圖4 靜力分析圖

轉(zhuǎn)臺(tái)主要是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的垂直裝卡，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此三爪卡盤的夾緊力需要進(jìn)行計(jì)算分析；為保證轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行平穩(wěn)，需要對(duì)底座箱體進(jìn)行受力分析。

4.1 夾緊力計(jì)算

夾緊力能否滿足要求，是夾持系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，已知參數(shù)：主軸長(zhǎng)7500mm，端部直徑D=750mm，重G=4.5×105N。吊車放置主軸允許與豎直方向成7°偏角，靠三爪夾盤的夾緊力矯正，夾緊位置距主軸軸端距離860mm。受力見圖2 所示。夾緊力F×860≥G×64.8,因此F≥G×84.8/860=44372N，按夾緊力最大值取F=5×105N 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 支撐部件有限元分析

轉(zhuǎn)臺(tái)的大部分零部件需要安裝在底座箱體上，必須保證各傳動(dòng)部件的安裝尺寸精度，承受主軸的全部重量，并起到保護(hù)零部件的作用。本設(shè)計(jì)的箱體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，尺寸大。安裝的零部件多，因此選擇材料為流動(dòng)性好、體收縮和線收縮小的灰鑄鐵，用熔模鑄造的方法制造。

對(duì)底座箱體在重力作用下的變形，在外加軸向和徑向載荷作用下的各階模態(tài)進(jìn)行了基于ANSYS的有限元分析。通過建立有限元理論模型，重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)重要支撐件進(jìn)行模態(tài)分析，判別了底座的薄弱環(huán)節(jié)，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

5 結(jié)語

本文僅對(duì)汽輪機(jī)紅套用轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了較為宏觀的介紹，傳動(dòng)比的計(jì)算、軸承強(qiáng)度校核、齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算、電機(jī)功率計(jì)算等內(nèi)容涉及方面較多，本文未進(jìn)行討論，大家可參照對(duì)應(yīng)資料進(jìn)行計(jì)算。