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(fēng)電項(xiàng)目是“十四五”規(guī)劃期間提出的國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略項(xiàng)目，海上具有豐富的風(fēng)力資源，與陸地風(fēng)電相比，海上風(fēng)電風(fēng)能資源的能量效益比陸地風(fēng)電場(chǎng)高20%～40%，還具有不占用土地、風(fēng)速高、沙塵少、電量大、運(yùn)行穩(wěn)定以及粉塵零排放等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠減少機(jī)組的磨損，延長(zhǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用壽命，適合大規(guī)模開發(fā)。國(guó)務(wù)院下發(fā)的《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》強(qiáng)調(diào)：堅(jiān)持陸海并重，推動(dòng)風(fēng)電協(xié)調(diào)快速發(fā)展，完善海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈，鼓勵(lì)建設(shè)海上風(fēng)電基地；推動(dòng)退役風(fēng)電機(jī)組葉片等新興產(chǎn)業(yè)廢物循環(huán)利用，以及“海上風(fēng)電+海洋牧場(chǎng)”等低碳農(nóng)業(yè)模式。

全球風(fēng)電市場(chǎng)需求旺盛，大型海上風(fēng)電場(chǎng)自2021年啟動(dòng)建設(shè)以來規(guī)模迅速增長(zhǎng)，目前技術(shù)領(lǐng)先的風(fēng)電廠如西門子歌美颯、金風(fēng)科技、遠(yuǎn)景能源、維斯塔斯、GE能源等均開展了海上風(fēng)電項(xiàng)目研發(fā)。其中國(guó)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)建設(shè)速度最快、數(shù)量最多，在全球市場(chǎng)占比達(dá)80%以上，為國(guó)家清潔能源建設(shè)提供了有力支持[1]。對(duì)全球海上風(fēng)電保持快速增長(zhǎng)的判斷基于以下幾個(gè)原因：（1）海上風(fēng)電成本的快速下降；（2）海上風(fēng)電發(fā)展目標(biāo)的上調(diào)，比如歐洲各國(guó)、美國(guó)以及亞洲的韓國(guó)和日本；（3）漂浮式風(fēng)電的產(chǎn)業(yè)化及商務(wù)化；（4）海上風(fēng)電在跨行業(yè)協(xié)同及全球能源轉(zhuǎn)型中的獨(dú)特作用。在亞洲，中國(guó)將繼續(xù)成為海上風(fēng)電最大的貢獻(xiàn)者，而越南、日本及韓國(guó)市場(chǎng)也會(huì)有快速發(fā)展。歐洲市場(chǎng)除英國(guó)等西歐國(guó)家外，東歐國(guó)家也將開始海上風(fēng)電的建設(shè)。

1 項(xiàng)目主要技術(shù)研究?jī)?nèi)容和研究過程

1.1 部件結(jié)構(gòu)分布

作為關(guān)鍵零部件之一的轉(zhuǎn)子在整體風(fēng)機(jī)組件中的位置至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)方案中起到承上啟下的作用，它主要和輪轂、主軸、前機(jī)架相連接。轉(zhuǎn)子本體跟隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)腔安裝有磁感線，本體帶動(dòng)電刷切割磁感線。轉(zhuǎn)子內(nèi)部裝有定子，與底座支撐相連接，是風(fēng)機(jī)發(fā)電組件中最關(guān)鍵的組成部分，其結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品質(zhì)量決定了風(fēng)機(jī)整體的發(fā)電效率，因此關(guān)鍵尺寸的加工要求非常嚴(yán)格。詳細(xì)的轉(zhuǎn)子裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子裝配結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子前端連接輪轂，葉片與輪轂作為動(dòng)力接收裝置將大氣中的風(fēng)力轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)力首先傳遞至轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子會(huì)帶動(dòng)動(dòng)軸和強(qiáng)大的磁極進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而在旋轉(zhuǎn)過程中切割磁感線進(jìn)行發(fā)電，在此過程中轉(zhuǎn)子如果沒有很好的圓柱度會(huì)導(dǎo)致偏心旋轉(zhuǎn)，從而會(huì)有傾倒的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)于風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)將是致命的，因此轉(zhuǎn)子對(duì)圓柱度的要求極為嚴(yán)格[2]。

1.2 加工過程主要難點(diǎn)分析

轉(zhuǎn)子本體材質(zhì)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(jié)構(gòu)，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(nèi)容有：結(jié)合面合缸銷孔/螺栓孔加工、內(nèi)腔內(nèi)圓加工、周身安裝線圈孔鉆孔。

圖2 轉(zhuǎn)子成品示意圖

薄壁零件定義為壁厚與內(nèi)徑或輪廓尺寸之比為1:20，轉(zhuǎn)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(nèi)徑之比為1:192.4，最大壁厚位置壁厚與內(nèi)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(nèi)，IT6 級(jí)公差0.38 mm，IT7 級(jí)公差0.6 mm，轉(zhuǎn)子直徑D9 028 mm/D9 060 mm內(nèi)圓直徑尺寸公差±0.2 mm，公差范圍0.4 mm，屬于IT6級(jí)精度要求。加工內(nèi)腔直徑的圓柱度要求最高，φ9 028 mm內(nèi)圓，高度1 690 mm，要求圓柱度φ0.2 mm，經(jīng)常會(huì)在加工中出現(xiàn)因筒壁變形導(dǎo)致圓柱度和直徑尺寸超差等問題。轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)影響，機(jī)床無法加工，需要鉗工在寬400 mm、高500 mm空間操作。

經(jīng)過試驗(yàn)分析，引起變形的主要原因有兩點(diǎn)：（1）鑄件整體加工直徑達(dá)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(dāng)于點(diǎn)接觸，局部受力大、應(yīng)力集中容易導(dǎo)致鑄件變形[3]；并且鑄件為空腔、薄壁結(jié)構(gòu)，綜合考慮材質(zhì)影響，局部受力將會(huì)放大變形量。（2）加工內(nèi)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(huì)導(dǎo)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(shì)，越往上部開口處變形越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致開口部位圓柱度超差最嚴(yán)重（圖3）。

圖3 圓柱度檢驗(yàn)測(cè)試結(jié)果圖

按照常規(guī)加工方式加工完成后，使用激光跟蹤儀進(jìn)行檢測(cè)，首次測(cè)量發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子圓柱度超差嚴(yán)重。底部打點(diǎn)測(cè)量一圈顯示圓柱度大部分在公差范圍內(nèi)，但是局部形狀為橢圓；中間層打點(diǎn)測(cè)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(diǎn)測(cè)量顯示圓柱度超差嚴(yán)重。整體加工結(jié)果呈現(xiàn)上大下小的喇叭口，圓柱度超差嚴(yán)重。

2 改進(jìn)過程及效果驗(yàn)證

2.1 過程監(jiān)控與測(cè)量

為確保最終轉(zhuǎn)子圓柱度合格，需要進(jìn)行過程檢測(cè)監(jiān)控，避免最終加工結(jié)束后圓柱度超差。轉(zhuǎn)子直徑已達(dá)9 m，無法使用常規(guī)內(nèi)徑千分尺等方式直接測(cè)量，需要使用精度等級(jí)0.001 mm的激光跟蹤儀進(jìn)行打點(diǎn)檢測(cè)，收集檢測(cè)數(shù)據(jù)后擬合成圓柱體與三維理論數(shù)模進(jìn)行比對(duì)并評(píng)價(jià)圓柱度結(jié)果?？紤]到產(chǎn)品尺寸過大，采集數(shù)據(jù)樣本需要覆蓋全部?jī)?nèi)腔面才能反饋真實(shí)的鑄件狀態(tài)。試驗(yàn)過程將圓柱面等分成120列，每列再等分3～5個(gè)層面進(jìn)行采點(diǎn)，最終將360～600個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值擬合形成圓柱面。

2.2 裝夾改進(jìn)

根據(jù)多次擬合測(cè)量結(jié)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(shè)計(jì)8個(gè)可以調(diào)整高度的裝夾工裝（圖4），均布在工作臺(tái)上，可起到有效支撐的作用。支撐的數(shù)量少于8個(gè)會(huì)產(chǎn)生較大的空隙，鑄件局部會(huì)產(chǎn)生塌陷；支撐數(shù)量多于8個(gè)則矯正次數(shù)又過多，設(shè)計(jì)成本過高，不利于實(shí)際生產(chǎn)。此外，可調(diào)的支頂裝置可以靈活調(diào)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(yīng)力改進(jìn)

控制圓柱度另一個(gè)關(guān)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(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生離心力，如果有側(cè)向約束或者側(cè)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(tái)直徑限制，無法在側(cè)面增加支撐來對(duì)沖離心力，只能設(shè)計(jì)其他方案來抵消離心力。通過約束力公式計(jì)算，只要增加個(gè)別方向的約束即可轉(zhuǎn)化成徑向的約束力，從而減少張口的風(fēng)險(xiǎn)，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(cè)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(zhuǎn)過程中均勻承受離心力而沒有更多的變形量導(dǎo)致大幅張口，另一方面增加的約束有一定的角度，可以轉(zhuǎn)化成徑向的約束力從而抵消一部分離心力。

3 檢測(cè)結(jié)果

通過這一方法加工結(jié)束后，使用精度等級(jí)0.001 mm的激光跟蹤儀器進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)圓柱度評(píng)價(jià)結(jié)果顯著提升，如圖5所示。

圖5 圓柱度終檢檢測(cè)結(jié)果

擬合的圓柱度結(jié)果顯示上、中、下三層每層的圓柱度結(jié)果均在圖紙要求公差之內(nèi)，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(jìn)和提升，從而證明以上三種改進(jìn)方式——過程監(jiān)測(cè)并及時(shí)調(diào)整切削量和切削參數(shù)、調(diào)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(jié)束語

本文通過合理的過程檢測(cè)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)圓柱度的影響因素，從而對(duì)癥下藥，設(shè)計(jì)有效的控制方案，解決了轉(zhuǎn)子圓柱度加工的難點(diǎn)，對(duì)于整體風(fēng)機(jī)組件平穩(wěn)運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。本研究方案不僅從技術(shù)難點(diǎn)去考慮，還綜合考慮了設(shè)計(jì)成本、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)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(chǎn)品加工生產(chǎn)提供了可靠的樣本案例，有利于推動(dòng)海上風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，降低風(fēng)電行業(yè)的成本，為國(guó)家大力發(fā)展海上風(fēng)電項(xiàng)目提供技術(shù)支持和堅(jiān)實(shí)后盾。本文的研究為今后國(guó)家自主研究12 MW及以上大型海上風(fēng)電技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。