水轮机现场修复专用机床的有限元分析与结构改进

2014-06-29向光辉薛建彬

组合机床与自动化加工技术 2014年8期

向光辉，薛建彬，封尚

(南京航空航天大学机电学院，南京 210016)

0 引言

目前，我国的水电能源开发利用正处于飞速发展的阶段。水电作为清洁能源，对缓解我国电力供应紧张、环保、以及节能减排都具有重大意义。我国河流的泥沙含量大，许多大型电站的发电设备(设施)如水轮机、转轮室等的空蚀、磨损破坏非常严重。由于大型水电站的交通运输不便，采用大型通用机床修复这些大型部件，不仅经济上昂贵，而且也缩短了机组的发电时间，造成了严重的经济损失［1］。而目前，水电站由于检修时间和现场环境的限制，对水电站的转轮、底环、座环等大型结构部件的修复，都还是停留在整体置换，或者人工堆焊打磨的阶段［2］，所以提出了智能化程度高的现场修复理念。这种理念，不仅可以克服局部修补精度不高的问题，而且还可以节省大量的人力资源，通过与专业机床厂家的联合研发，设计制作现场修复的专用数控机床，已经成为必要。

水轮机现场检修的专用数控机床，要求的组合程度高，而且结构复杂。现场修复环境恶劣，是没有像普通机床那样坚实的地基基础，只能根据水轮机现有的结构，因地制宜的对机床进行定位和安装，那么强度和刚度、振动频率等机械性的分析就尤为重要能关系到机床的加工精度、加工效率和工件表面粗糙度，关系到机床的安全可靠性及使用寿命。本文以水轮机现场检修专用机床加工水轮机转轮底环止漏环为例，使用美国参数技术公司开发的CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件Pro/Engineer，建立专用机床的三维模型，得到专用机床的三维模型图，然后基于ANSYSWORKBENCH 有限元分析，进行水轮机现场检修专用数控机床静力学分析，分析得到了的床身变形、等效应力;进行专用机床床身结构的模态分析，得到专用机床的前六阶固有频率和振型，得出了水轮机现场检修专用数控机床设计中的薄弱环节。针对水轮机现场检修专用数控机床中的薄弱环节，对专用机床局部结构优化，再对优化后的结构进行静力学和动态性能分析，验证了机床的机械性能得到了进一步的提高。

1 机床的工作原理和机械结构

为了满足水电站大型机组的中环，和转轮上冠、转轮下环、止漏环环带、顶盖止漏环、底环止漏环等多部位修复加工，专用数控机床，对转轮修复加工，采取以转轮做基座的支撑定位方式，见图1;顶盖、底环、座环等部件修复，机床采用悬挂支撑回转方式［3］。

整机主要由回转中心体、固定机架、回转臂、精密数控刀架和电气控制系统组成，通过配置不同的回转臂和支撑方式组合，可以一机多用，实现对多种规格水轮机多个部位进行精密车削加工。机床主传动(回转中心体旋转)采用伺服电机驱动，由数控系统控制;刀架的横向和纵向进给均由数控系统控制，可实现精密车削机加工。在加工水轮机转轮底环止漏环时的结构如图2 所示。

图1 水轮机转轮修复加工结构图

图2 水轮机转轮底环止漏环时的结构图

2 机床静力分析

水路及现场检修专用机床结构复杂，利用Pro/ENGINEER 软件建立机床的实体结构模型，本文主要是以机床修复水轮机转轮底环止漏环时的结构为例做分析，具体结构如图2 所示，把模型在Pro/ENGINEER转换成igs(* igs)文件格式，导入到ANSYSWORKBENCH 中。该机床的几何拓扑模型大而复杂，所以选用三维实体单元作为计算单元，采用四面体为网格剖分单元形状［4］。通过ANSYSWORKBENCH 对模型进行网络划分，单元的材料为structure steel，材料密度为7.85E6，弹性模量设定为2.1E5MPa，泊松比为0.3。床身单元总数121559，共228047 个节点。机床有限元网格模型如图3 所示。

工程中的实际结构都会受到外部载荷的作用。有限元模型是对实际结构的反应，利用有限元进行分析的一个重要步骤是检验结构在一定的载荷下的反应，在机床满负荷运转的极限加工情况下做分析，本机床中在支撑臂的四个端面和下侧分别加上固定约束，在根据机床主轴的转速范围为:0～5r/min，按照最大转速来计算，给机床0.52rad/s 的旋转，根据切削过程中最大的进给量为0.6mm/r，最大切削深度为2mm，切向切削力为Fc，Fc≈4000N，方向与线速度方向相反，径向切削力Fp，垂直指向刀尖，Fp≈2000N，轴向切削力Ff，Ff≈2000N，与机床进给的方向相反。机床所加载荷如图4 所示。

图3 机床有限元网格模型图

图4 机床所加载荷图

在ANSYS Workbench 有限元软件中直接加载计算，模型进行计算后处理，得到床身的整体应力变形图(如图5 所示)和最大应力分布图(如图6 所示)，以及各部件的最大变形(如表1 所示)。

图5 整体机床变形图

图6 最大应力分布图

表1 机床各部件变形量

根据以上数据，可看出整机的最大变形量为0.3199mm，而主要的变形主要集中在数控刀架上，刀架组件的变形量就达到了0.268mm，而数控刀架的变形就达到了0.227mm，由此数控刀架和刀架组件的结构急需改进。连接臂和回转臂的变形也很明显，可以进一步加强变成最大处，来提高机床的整体刚性。

该机床的整体结构等效应力如图五所示，等效应力的最大值在上、下键的部位，最大等效应力为30.685MPa，这个应力水平是在高强度钢的许用应力以下的;另外机器大部分区域的等效应力水平都比较低。从图中我们可以看出应力集中的地方主要是在数控刀架的刀尖处，数控刀架的结构需要改善。

3 模态分析

因为机床的静刚度只能反应它受切削力和工件与机床部件的重力等作用，并把这些力作为静力考虑时机床抵抗变形的能力。但是，机床是一个弹性系统，在受到交变的激振力(即动态力)作用下将产生振动［5］。当机床工作时产生的振幅超出了允许的范围时，将导致加工表面光洁度的恶化，加速刀具的磨损，影响加工精度，降低生产效率，严重时，将使机床不能正常工作这样，就需要研究机床的动态特性问题［6］。根据振动理论，多自由度系统以某个固有频率振动时所呈现出的振动形态称为模态，此时系统各点位移存在一定的比例关系，称固有振型。不论何种阻尼情况，机械结构上各点对外力的响应都可以表示成由固有频率、阻尼比和振型等模态参数组成的各阶振型模态的叠加。模态分析的核心内容是确定描述结构系统动态特性的参数［7］。ANSYS 的动力学分析流程一般由四个主要步骤组成:建立模型、设置分析类型和选项、加载和求解、查看结果。模态分析结果包含固有频率、振型以及相对的单元应力结果［8］。依照上一节所述步骤，运用ANSYSWORKBENCH 软件计算立柱结构的模态，结果如表2 所示。

第一阶模态形式是床身两侧的上下摆动，第二阶模态是床身在绕Y轴转动，前二阶模态形式相对比较简单，自第三阶模态开始，随着频率升高、节点增多，床身结构的模态比较复杂，振型集合了不同部分或者整体结构的弯曲、扭转等。而薄弱的环节在第二阶和第六阶，最大的变形处都在刀尖处，可见刀架的结构有待优化，需要增加刀架的厚度和筋板的布局［9］。

表2 机床固有频率、振幅及振型描述:

4 结构优化

4.1 结构优化

根据对机床的静力学的分析和模态分析，综合以上因素，在原来的基础上做了三处的改进:

(1)对于机床的结构，机床回转臂通过连接臂连接刀架的结构显得有些多余，可直接加长回转臂而取消掉连接臂，依然能满足实际加工，而且很明显机床的质心并没有在旋转轴上，于是要调节机床的重量使得机床的质心尽量靠近选择轴，来提高机床的质量［10］。

(2)通过静力分析和模态分析，我们可以看到最薄弱的环节刀架组件，把整个刀架加宽，从原来的500mm 的宽度加到600mm，壁厚也从原来的6mm 增加到8mm。而且在XZ平面的扭矩也很大，也是需要在刀架组件中增加一些斜筋。

(3)对于变形最大的数控刀架的结构，又上面的分析可得，主要的变形在刀架的最前端，主要是受切削力在Z轴方向产生的变形，所以整个数控刀架的壁厚要增加，也要进一步让布筋更加合理化，重点是加厚刀架前端变形最大处［11］。

4.2 改进后的机床的静力分析比较

对改进后的机床进行建模，划分四面体网格，施加同样的载荷进行分析，在有限元软件中直接加载计算，模型进行计算后处理，在加工条件下比较两种结构的优劣，如表3 所示。在加工中机床各个部分在改进前后静态特性比较，如表4 所示，从表中可以看出，改进后的结构，总体变形和各个方向的变形有了较为明显的改善，并且应力集中也有明显的改善，静态性能有了显著提高，改进后整机的静变形与结构整体变形上看，结构刚度分布较合理在实际应用中采用改进后的结构。

表3 两种不同结构形式下机床的静态特性比较

表4 两种不同结构形式下机床各个部件的静态特性比

4.3 模态分析比较

对改进后的结构再做模态分析，得出改进后机床的固有频率和振动情况，再对整机修改前后六阶模态频率和整形对比如表5 所示;振型图如图7 所示。析，通过比较得出整个机床的静动态特性都有了明显提高，并且目前已经制造出水轮机现场修复专用机床，满足实际工作所需要的刚度和强度，实现了水轮机现场修复，提高我国水轮机现场修复的智能化和精度，同时减少了不必要零件的更换，节约了资源。水轮机现场修复专用机床，希望能进一步在满足机床刚度、强度的提前下，尽量减轻机床本身的重量，从而进一步节约资源，方便运输和安装，使得机床更加轻便。