构皮滩升船机超大超重卷筒加工关键技术

江健炜（中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川 夹江 614100）



构皮滩升船机超大超重卷筒加工关键技术

江健炜
（中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川 夹江 614100）

摘要：以构皮滩升船机主提升卷筒加工为例，探索应用超大超重卷筒加工新技术：采用独特工件支承和动力传递方式；模块化组合式机床结构设计及动力优化措施；改等切深顺序加工法为变切深跳跃加工法等。解决了超重、超大卷筒加工难题，提高了加工效率。该技术为特型加工机床、工装设计及加工工艺措施提供新思路。

关键词：升船机卷筒；超重超大；独立支承；跳跃加工

1前言

升船机是水电站大坝重要的通航设备，主提升机卷筒是卷扬式升船机极其重要的零件，直接影响升船机的运行平稳性和大坝通航的安全可靠性。为满足扬程和承载力的工程需求，升船机卷筒设计通常都有尺寸大、重量重等特点，这往往就是生产制造过程中的难点。整套设备的制造过程机械加工是关键环节，难点主要集中于此。超大超重卷筒加工必然遇到的难点主要有：①零件加工需要超大型机床，但这种机床对工件尺寸变化的适应范围窄，实力一般的企业不会配置，于是资源很稀缺；②外圆车削力臂长，对机床动力是个考验；③工件大、绳槽大，切削量多，耗时长，业主工期要求紧。于是，探索研究高承载能力、加工工件尺寸范围宽的加工装备，以及高效的加工工艺方法很有必要。本文以乌江构皮滩升船机卷筒的加工为例，着重介绍夹江水工机械有限公司针对升船机超重超大型卷筒的加工开发应用的新装备和新技术。

2构皮滩升船机卷筒状况及加工要求

乌江构皮滩500 t级卷扬式完全平衡垂直升船机是目前国内同类型升船机中机构最庞大的。由我公司承制的第三级升船机主提升机卷筒共16件，卷筒名义直径Φ4 586 mm，筒体长4 010 mm，绳槽底径Φ4 436±0.25 mm，任意两个卷筒绳槽底径实测值相差不得大于0.3 mm；制动盘直径Φ5 800 mm，制动盘端面跳动不大于0.2 mm，单个卷筒、制动盘及卷筒轴一起重达到90 t，其重量和尺寸在我公司承制的乃至国内目前建造的升船机中均是最重最大的卷筒装置（图1），而且对加工精度要求较高。

图1卷筒及制动盘结构示意

1、卷筒，2、制动盘

3超重超大型卷筒加工的创新技术及工艺措施

针对该批卷筒超大超重的特点，以及特型加工机床稀缺且无扩展性的现状，我们开展了系列技术攻关与工艺研究，并取得很好的成效。

3.1轴承座式独立支承及万向联轴器扭矩传递结构设计

3.1.1卷筒支承及动力传递装置

（1）承载能力：考虑功能的扩展性，该装置按额定125 t的承载能力设计。

（2）结构方案：采用一件工装支承轴支承卷筒，支承轴与卷筒轴孔之间通过涨紧套联接、定心、传递转矩；支承轴两端各有一个大型轴承座，所有重量通过这两轴承座经支座传递地平台或地面基础上，机床不承受工件重量，其中，右侧支座可根据卷筒长度在地平台上移动调节；机床卡盘与卷筒支承轴之间通过万向联轴器联接，机床通过万向联轴器传递扭矩，带动卷筒旋转加工（图2）。这样的结构解决了机床承重难题，解决了调心、力矩传递问题，同时，工件装卡时对卡盘的同轴度要求就可降低，从而大大降低了工件装卡找正难度，提高工作效率。此方法已获得实用新型专利（专利号：CN201833234U）。

图2卷筒支承及运动传递方案

1、机床卡盘；2、万向联轴器；3、调心轴承座；4、支座；5卷筒及制动盘；6、工装支承轴；7、涨紧套；8、地平台

3.1.2结构设计与承载能力、回转精度及传递转矩校核

（1）轴承选择：为满足卷筒加工过程中的旋转精度，两个轴承选用调心滚子轴承，内孔直径500 mm，轴承旋转精度为0.01 mm，根据卷筒重量、尺寸及轴孔直径选择双列圆锥滚子轴承（GB/T299-1995），轴承型号3510/500。单件轴承基本额定载荷Cr=3920kN，最小径向载荷Fmin=0.02Cr=0.02×3390=678 kN。承载能力与精度满足卷筒加工精度要求。

（2）涨紧套选择：根据切削卷筒最大转矩TM ax=615.342 kN·m，选择 Z2型胀紧联接套（GB/T7934-1999）：螺钉锁紧扭矩1 000 N·m，传递扭矩达1 300 kN·m。具体尺寸如下：

d=800 D=910 L=102 2件

d=800 D=930（定做）L=102 2件

（3）支承结构设计：为了保证卷筒加工承载能力，卷筒轴承座支座设计为整体，双筋板方式，支座底板长1 020 mm，宽1 600 mm，底板厚度120 mm，高1 870 mm。为了增强卷筒加工中的稳定性，支座采用螺栓连接固定，支座高度尽可能减小以降低卷筒重心，支座中心高取为3 110 mm满足制动盘回转。支承轴采用通轴，经对轴进行刚度校核完全满足承载能力。

（4）万向联轴器选择：经计算，卷筒加工需要的最大转矩TM ax=615.342 kN·m；

选择万向联轴器：SWC620DH1250（长度定做），公称转矩达1 000 kN·m，为短伸缩焊接式，伸缩量≥90 mm，长度1 250～1 350 mm，保证扭矩传递加工卷筒。

3.2模块化组合式数控卷筒加工机床研制

3.2.1机床方案确定

（1）结构方案：采用模块化组合式结构，目的是方便根据工件大小，适时调整各部位的高度和位置，扩大机床对工件尺寸变化的适应能力。由于机床卡盘不再需要承受工件的重量，组合机床的设计以数控QZ-053车床的主轴箱和切削走刀机构为主体，构建模块化组合式机床结构，机床各部位均可通过增减支垫模块调整高度。除主轴箱位置固定外，其他部位均安置在地平台上，可随时根据需要调整位置。该机床能加工工件直径范围为：Φ2 000～Φ6 300 mm；最大加工长度达7 000 mm。如增加地平台，还能继续扩大加工工件尺寸范围。

（2）机床动力优化方案：在加工大尺寸卷筒时，该机床主传动动力系统还未得到充分发挥。转速处于基速以下，电机输出功率未达到额定值。可以通过增大主传动系统速比方式，在保持现有主轴转速的基础上，将主电机的转速提升适当值，得到很好的功率—转矩输出匹配，也可以说，通过增加主传动系统速比方式，进一步将电输出转矩放大，从而实现提升机床主轴转矩输出，达到增加机床切削动力的目的。机床主轴动力增加后，就可以根据工作需要或切削刀具的承受能力，有限地增加吃刀量。也可在保持原吃刀量的基础上，通过无极调速和档位变速方式提高切削速度，提高生产效率。增加的减速装置应做到切换（或更换）方便。

3.2.2模块化组合式机床结构设计与制作

（1）以QZ-053数控机床主轴箱为主体，根据基础及主轴箱接口设计制作支座（焊接加工），安装、调整就位；该支座还可根据加工工件尺寸进行加、减、更换，实现高低调节。

（2）以QZ-053数控机床切削走刀系统及导轨为主体，根据地平台及切削导轨接口设计制作支座（焊接加工），安装、调整就位。该支座同样也可根据加工工件尺寸进行加、减、更换，实现高低调节，同时，还可在地平台上前后摞动，实现满足不同直径卷筒加工的目的。

（3）机床动力优化措施：

1）原理分析：该机床的主传动链由电气无级调速+机械有极变速系统组成，动力传递路线为：直流电机—主轴箱四档变速系统—主轴。根据实践经验，35～45 m/min为卷筒切削最佳线速度，构皮滩升船机第三级提升卷筒直径为Φ4 586 mm，由此推算主轴的最佳工作转速为3 r/min左右。同时推算出，该主轴转速经过机械变速系统的变速作用，使主传动电机的实际转速需要控制在55.554～434.148 r/min之间（图3）。从电机功率—转矩特性曲线（图4）可看出，电机实际输出功率离额定功率还较远，还有潜力可挖。依据电机特性和电力拖动原理：当电机转速处于基速n0以下，为恒转矩输出，电机输出功率随转速增高而线性提升，当电机转速达到n0时转为恒功率输出，同时输出转矩开始随转速增高而非线性下降。同时也看出，加工工件的直径大到一定程度，为保持最佳的切削线速度，必然会在变速系统的作用下，压制主电机的转速，同时压制电机的功率输出，而当电机输出功率降到一定程度后，会明显影响切削加工效率。从理论上讲，可以在主传动系统中增加适当速比的减速装置，达到增加电机输出功率（或者说放大电机输出的转矩）的目的。

图3机床主传动转速分布

2）具体措施：根据产品加工实际需要，主电机与主轴箱之间串接一套减速装置。该装置同样采用模块化组合结构，可根据加工实际需要，随时增、减、撤、换。经过计算，构皮滩升船机卷筒加工时，增加一台速比为 1.8：1的减速器，主电机转速可在100～781.466 r/min之间调节，覆盖了n0=600 r/min区段（图4），比较合适。

图4主电机功率—转矩特性曲线

3.3工艺方法改进

3.3.1工艺流程改变

由于构皮滩升船机提升卷筒尺寸超大、重量超重，切削加工时采用了独特装卡方式，整个制造工艺流程有别于其他普通卷筒，主要区别是将轴孔、端面及制动盘安装止口的加工提前，节约来回倒换机床的工期，提高整体生产效率，但是，质量控制风险大大提升。主要通过提前进行详细计算和科学推演，以及严把各工序的过程质量控制关来规避此类风险。3.3.2加工工艺方法优化

由于刀具结构优化和机床动力提升，为该卷筒加工的新工艺方法实施拓展一定空间，为加工编程时参数调整提供信心和保障，作业效率大大提高，加工质量提高显著。

在卷筒加工和整个过程中，绳槽加工是重点和难点，因绳槽结构和刀具形状的关系，在粗开槽时，切削刃与工件的接触面相对较宽，切削阻力相对较大，很大程度上制约了切削速度和吃刀深度的提高。车削加工尺寸小的卷筒，这方面体现不明显，而车削大尺寸、大绳槽卷筒时，因切削力臂长，且绳槽深，与刀具接触面宽，产生的切削力矩非常大，无论如何对机床动力都是个严峻的考验。于是，在车削构皮滩升船机主提升卷筒绳槽过程中，经反复琢磨，探索出一套新型加工工艺方法，即：改常用等切深逐层顺序加工法为变切深跳层加工法。

等切深逐层顺序加工法是指在程序中给定固定的吃刀深度，从头到尾、由表及里顺序进刀切削，用这种方法使刀具在第一刀切入绳槽时左、右及尖部三面受力，阻力很大，刀具越深入越明显，于是就不敢切太深，导致加工效率不高；而变切深跳跃加工法则是指先在绳槽中间以小吃刀深度连切两层，再跳回以两倍吃刀深度加工两侧边，采取此方式减小切削阻力，节省加工时间，提高了加工效率。具体编程如下所示：

数控QZ-053加工程序

例：主程序

G90 G94 S=R913 M03

1（第一层）

N10 R909=12 R910=33.055；

R912=R900+31 R923=0.5；//分13刀加工，刀间距5.509，该层深度0.5 mm

N15 L40 P1；//调用已设定的子程序L40

N20 L50 P=R909+1；//循环调用L50子程序

2（第二层）

N25 R909=11 R910=-31.51 R912=R900+30.5；

R923=1；//分12刀加工，刀间距为5.729，该层深度1 mm

……

56（第56层）

N835 R909=10 R910=-29.412 R912=R900+3.5；

R923=0.5；//分11刀加工，刀间距为5.882 3，该层深度0.5 mm//

N840 L40 P1；//调用已设定的子程序L40

N850 L50 P=R909+1；//循环调用L50子程序

N860 M50；

N865 M30；

例：子程序

……

G33 X=R904 Z=R905 K=R917 I=R918；//进刀段

G33 Z=R925 K=R917；//螺纹加工

……

G33 X=R901 Z=R907 K=R917 I=R918；//退刀段

……

卷筒各面加工完成后，还与制动盘装配一体完成制动盘各面精加工。

4取得的效果

（1）采用工装支承轴+涨紧套支撑、轴承座式独立支承及万向联轴器动力传输结构，彻底摆脱了加工超大超重卷筒时机床承载能力以及工件装卡同轴度超差的影响，结构稳固安全，重心调节便捷，动力传递平稳可靠，且回转精度完全满足切削加工要求。

（2）采用模块化组合式机床结构设计，使机床可加工直径Φ2 000～Φ6 300 mm，长度：50～7 000 mm的工件，适应能力远比通用机床强。

（3）采用适当增加主传动链速比的方式，解决了机床加工超大卷筒时主电机功率—转矩输出特性不佳的问题，挖掘机床动力潜能，提高了加工效率。

（4）采用创新的编程方案，优化了走刀路径，提高了加工效率，单件卷筒加工周期由15 d/件提升到9 d/件。

（5）产品质量检测结果显示：卷筒绳槽底径尺寸为Φ4 436.05 mm，任意两个卷筒绳槽底径实测值相差为0.12 mm；制动盘端面跳动为0.07 mm。完全符合设计工艺要求。

5结论

从构皮滩主提升卷筒加工过程和取得的实际成效来看，针对升船机超重超大型卷筒的车削加工，可通过以下措施摆脱对特大型标准机床的依赖：

（1）采用工件独立支承方案，有效地避开机床承重局限，解决超重卷筒加工难题。

（2）采用模块化组合式机床结构，扩展机床调节范围，提高对工件尺寸变化的适应能力，解决超大型卷筒加工难题。

（3）通过调整动力传输系统的传动比，挖掘机床动力输出潜能。

（4）改等切深逐层顺序加工法为变切深跳跃加工法，能有效降低切削阻力，提高吃刀深度，从而提高加工效率。

参考文献：

［1］刘小春，等.电机与拖动［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［2］张质文，等.起重机设计手册［M］.北京：中国铁道出版社，1998.

［3］成大先，等.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［4］吕亚臣.重型机械工艺手册［M］.哈尔滨：哈尔滨出版社，1998.

中图分类号：U642

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2016）06-0040-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.015

收稿日期：2016-01-13

作者简介：江健炜（1967-），男，工程师，从事水利水电工程机械制造及总装工作。