向光輝，薛建彬，封 尚

(南京航空航天大學 機電學院，南京 210016)

0 引言

目前，我國的水電能源開發(fā)利用正處于飛速發(fā)展的階段。水電作為清潔能源，對緩解我國電力供應緊張、環(huán)保、以及節(jié)能減排都具有重大意義。我國河流的泥沙含量大，許多大型電站的發(fā)電設備(設施)如水輪機、轉(zhuǎn)輪室等的空蝕、磨損破壞非常嚴重。由于大型水電站的交通運輸不便，采用大型通用機床修復這些大型部件，不僅經(jīng)濟上昂貴，而且也縮短了機組的發(fā)電時間，造成了嚴重的經(jīng)濟損失［1］。而目前，水電站由于檢修時間和現(xiàn)場環(huán)境的限制，對水電站的轉(zhuǎn)輪、底環(huán)、座環(huán)等大型結(jié)構(gòu)部件的修復，都還是停留在整體置換，或者人工堆焊打磨的階段［2］，所以提出了智能化程度高的現(xiàn)場修復理念。這種理念，不僅可以克服局部修補精度不高的問題，而且還可以節(jié)省大量的人力資源，通過與專業(yè)機床廠家的聯(lián)合研發(fā)，設計制作現(xiàn)場修復的專用數(shù)控機床，已經(jīng)成為必要。

水輪機現(xiàn)場檢修的專用數(shù)控機床，要求的組合程度高，而且結(jié)構(gòu)復雜?，F(xiàn)場修復環(huán)境惡劣，是沒有像普通機床那樣堅實的地基基礎(chǔ)，只能根據(jù)水輪機現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，因地制宜的對機床進行定位和安裝，那么強度和剛度、振動頻率等機械性的分析就尤為重要能關(guān)系到機床的加工精度、加工效率和工件表面粗糙度，關(guān)系到機床的安全可靠性及使用壽命。本文以水輪機現(xiàn)場檢修專用機床加工水輪機轉(zhuǎn)輪底環(huán)止漏環(huán)為例，使用美國參數(shù)技術(shù)公司開發(fā)的CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件Pro/Engineer，建立專用機床的三維模型，得到專用機床的三維模型圖，然后基于ANSYSWORKBENCH 有限元分析，進行水輪機現(xiàn)場檢修專用數(shù)控機床靜力學分析，分析得到了的床身變形、等效應力;進行專用機床床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，得到專用機床的前六階固有頻率和振型，得出了水輪機現(xiàn)場檢修專用數(shù)控機床設計中的薄弱環(huán)節(jié)。針對水輪機現(xiàn)場檢修專用數(shù)控機床中的薄弱環(huán)節(jié)，對專用機床局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，再對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行靜力學和動態(tài)性能分析，驗證了機床的機械性能得到了進一步的提高。

1 機床的工作原理和機械結(jié)構(gòu)

為了滿足水電站大型機組的中環(huán)，和轉(zhuǎn)輪上冠、轉(zhuǎn)輪下環(huán)、止漏環(huán)環(huán)帶、頂蓋止漏環(huán)、底環(huán)止漏環(huán)等多部位修復加工，專用數(shù)控機床，對轉(zhuǎn)輪修復加工，采取以轉(zhuǎn)輪做基座的支撐定位方式，見圖1;頂蓋、底環(huán)、座環(huán)等部件修復，機床采用懸掛支撐回轉(zhuǎn)方式［3］。

整機主要由回轉(zhuǎn)中心體、固定機架、回轉(zhuǎn)臂、精密數(shù)控刀架和電氣控制系統(tǒng)組成，通過配置不同的回轉(zhuǎn)臂和支撐方式組合，可以一機多用，實現(xiàn)對多種規(guī)格水輪機多個部位進行精密車削加工。機床主傳動(回轉(zhuǎn)中心體旋轉(zhuǎn))采用伺服電機驅(qū)動，由數(shù)控系統(tǒng)控制;刀架的橫向和縱向進給均由數(shù)控系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)精密車削機加工。在加工水輪機轉(zhuǎn)輪底環(huán)止漏環(huán)時的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 水輪機轉(zhuǎn)輪修復加工結(jié)構(gòu)圖

圖2 水輪機轉(zhuǎn)輪底環(huán)止漏環(huán)時的結(jié)構(gòu)圖

2 機床靜力分析

水路及現(xiàn)場檢修專用機床結(jié)構(gòu)復雜，利用Pro/ENGINEER 軟件建立機床的實體結(jié)構(gòu)模型，本文主要是以機床修復水輪機轉(zhuǎn)輪底環(huán)止漏環(huán)時的結(jié)構(gòu)為例做分析，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，把模型在Pro/ENGINEER轉(zhuǎn)換成igs(* igs)文件格式，導入到ANSYSWORKBENCH 中。該機床的幾何拓撲模型大而復雜，所以選用三維實體單元作為計算單元，采用四面體為網(wǎng)格剖分單元形狀［4］。通過ANSYSWORKBENCH 對模型進行網(wǎng)絡劃分，單元的材料為structure steel，材料密度為7.85E6，彈性模量設定為2.1E5MPa，泊松比為0.3。床身單元總數(shù)121559，共228047 個節(jié)點。機床有限元網(wǎng)格模型如圖3 所示。

工程中的實際結(jié)構(gòu)都會受到外部載荷的作用。有限元模型是對實際結(jié)構(gòu)的反應，利用有限元進行分析的一個重要步驟是檢驗結(jié)構(gòu)在一定的載荷下的反應，在機床滿負荷運轉(zhuǎn)的極限加工情況下做分析，本機床中在支撐臂的四個端面和下側(cè)分別加上固定約束，在根據(jù)機床主軸的轉(zhuǎn)速范圍為:0～5r/min，按照最大轉(zhuǎn)速來計算，給機床0.52rad/s 的旋轉(zhuǎn)，根據(jù)切削過程中最大的進給量為0.6mm/r，最大切削深度為2mm，切向切削力為Fc，F(xiàn)c≈4000N，方向與線速度方向相反，徑向切削力Fp，垂直指向刀尖，F(xiàn)p≈2000N，軸向切削力Ff，F(xiàn)f≈2000N，與機床進給的方向相反。機床所加載荷如圖4 所示。

圖3 機床有限元網(wǎng)格模型圖

圖4 機床所加載荷圖

在ANSYS Workbench 有限元軟件中直接加載計算，模型進行計算后處理，得到床身的整體應力變形圖(如圖5 所示)和最大應力分布圖(如圖6 所示)，以及各部件的最大變形(如表1 所示)。

圖5 整體機床變形圖

圖6 最大應力分布圖

表1 機床各部件變形量

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可看出整機的最大變形量為0.3199mm，而主要的變形主要集中在數(shù)控刀架上，刀架組件的變形量就達到了0.268mm，而數(shù)控刀架的變形就達到了0.227mm，由此數(shù)控刀架和刀架組件的結(jié)構(gòu)急需改進。連接臂和回轉(zhuǎn)臂的變形也很明顯，可以進一步加強變成最大處，來提高機床的整體剛性。

該機床的整體結(jié)構(gòu)等效應力如圖五所示，等效應力的最大值在上、下鍵的部位，最大等效應力為30.685MPa，這個應力水平是在高強度鋼的許用應力以下的;另外機器大部分區(qū)域的等效應力水平都比較低。從圖中我們可以看出應力集中的地方主要是在數(shù)控刀架的刀尖處，數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)需要改善。

3 模態(tài)分析

因為機床的靜剛度只能反應它受切削力和工件與機床部件的重力等作用，并把這些力作為靜力考慮時機床抵抗變形的能力。但是，機床是一個彈性系統(tǒng)，在受到交變的激振力(即動態(tài)力)作用下將產(chǎn)生振動［5］。當機床工作時產(chǎn)生的振幅超出了允許的范圍時，將導致加工表面光潔度的惡化，加速刀具的磨損，影響加工精度，降低生產(chǎn)效率，嚴重時，將使機床不能正常工作這樣，就需要研究機床的動態(tài)特性問題［6］。根據(jù)振動理論，多自由度系統(tǒng)以某個固有頻率振動時所呈現(xiàn)出的振動形態(tài)稱為模態(tài)，此時系統(tǒng)各點位移存在一定的比例關(guān)系，稱固有振型。不論何種阻尼情況，機械結(jié)構(gòu)上各點對外力的響應都可以表示成由固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)組成的各階振型模態(tài)的疊加。模態(tài)分析的核心內(nèi)容是確定描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的參數(shù)［7］。ANSYS 的動力學分析流程一般由四個主要步驟組成:建立模型、設置分析類型和選項、加載和求解、查看結(jié)果。模態(tài)分析結(jié)果包含固有頻率、振型以及相對的單元應力結(jié)果［8］。依照上一節(jié)所述步驟，運用ANSYSWORKBENCH 軟件計算立柱結(jié)構(gòu)的模態(tài)，結(jié)果如表2 所示。

第一階模態(tài)形式是床身兩側(cè)的上下擺動，第二階模態(tài)是床身在繞Y軸轉(zhuǎn)動，前二階模態(tài)形式相對比較簡單，自第三階模態(tài)開始，隨著頻率升高、節(jié)點增多，床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)比較復雜，振型集合了不同部分或者整體結(jié)構(gòu)的彎曲、扭轉(zhuǎn)等。而薄弱的環(huán)節(jié)在第二階和第六階，最大的變形處都在刀尖處，可見刀架的結(jié)構(gòu)有待優(yōu)化，需要增加刀架的厚度和筋板的布局［9］。

表2 機床固有頻率、振幅及振型描述:

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)對機床的靜力學的分析和模態(tài)分析，綜合以上因素，在原來的基礎(chǔ)上做了三處的改進:

(1)對于機床的結(jié)構(gòu)，機床回轉(zhuǎn)臂通過連接臂連接刀架的結(jié)構(gòu)顯得有些多余，可直接加長回轉(zhuǎn)臂而取消掉連接臂，依然能滿足實際加工，而且很明顯機床的質(zhì)心并沒有在旋轉(zhuǎn)軸上，于是要調(diào)節(jié)機床的重量使得機床的質(zhì)心盡量靠近選擇軸，來提高機床的質(zhì)量［10］。

(2)通過靜力分析和模態(tài)分析，我們可以看到最薄弱的環(huán)節(jié)刀架組件，把整個刀架加寬，從原來的500mm 的寬度加到600mm，壁厚也從原來的6mm 增加到8mm。而且在XZ平面的扭矩也很大，也是需要在刀架組件中增加一些斜筋。

(3)對于變形最大的數(shù)控刀架的結(jié)構(gòu)，又上面的分析可得，主要的變形在刀架的最前端，主要是受切削力在Z軸方向產(chǎn)生的變形，所以整個數(shù)控刀架的壁厚要增加，也要進一步讓布筋更加合理化，重點是加厚刀架前端變形最大處［11］。

4.2 改進后的機床的靜力分析比較

對改進后的機床進行建模，劃分四面體網(wǎng)格，施加同樣的載荷進行分析，在有限元軟件中直接加載計算，模型進行計算后處理，在加工條件下比較兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，如表3 所示。在加工中機床各個部分在改進前后靜態(tài)特性比較，如表4 所示，從表中可以看出，改進后的結(jié)構(gòu)，總體變形和各個方向的變形有了較為明顯的改善，并且應力集中也有明顯的改善，靜態(tài)性能有了顯著提高，改進后整機的靜變形與結(jié)構(gòu)整體變形上看，結(jié)構(gòu)剛度分布較合理在實際應用中采用改進后的結(jié)構(gòu)。

表3 兩種不同結(jié)構(gòu)形式下機床的靜態(tài)特性比較

表4 兩種不同結(jié)構(gòu)形式下機床各個部件的靜態(tài)特性比

4.3 模態(tài)分析比較

對改進后的結(jié)構(gòu)再做模態(tài)分析，得出改進后機床的固有頻率和振動情況，再對整機修改前后六階模態(tài)頻率和整形對比如表5 所示;振型圖如圖7 所示。析，通過比較得出整個機床的靜動態(tài)特性都有了明顯提高，并且目前已經(jīng)制造出水輪機現(xiàn)場修復專用機床，滿足實際工作所需要的剛度和強度，實現(xiàn)了水輪機現(xiàn)場修復，提高我國水輪機現(xiàn)場修復的智能化和精度，同時減少了不必要零件的更換，節(jié)約了資源。水輪機現(xiàn)場修復專用機床，希望能進一步在滿足機床剛度、強度的提前下，盡量減輕機床本身的重量，從而進一步節(jié)約資源，方便運輸和安裝，使得機床更加輕便。

圖7 一到六階模態(tài)振型圖

表5 模型修改前、后整機前六階模態(tài)頻率及振型對比表

根據(jù)上面的分析，我們可以看出前三階的頻率有小幅度提高，第三到六階的頻率有較為明顯的提高，第二階和第六階的薄弱環(huán)節(jié)也有一定的改善，整體來看整個機床的動態(tài)性能有提高，但是在前三階的固有頻率相隔的并不是很大，機床模態(tài)頻率可以進一步提高使之各階頻率均勻分布。

5 結(jié)束語

設計了一臺具有高強度和剛度的現(xiàn)場修復專用機床，通過對床身進行三維實體建模與有限元分

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