一种通用直围带装配工装的设计

2022-11-21黄朝万李文涛肖磊

机械工程师 2022年11期

黄朝万，李文涛，肖磊

（中国长江动力集团有限公司，武汉 430204）

0 引言

目前汽轮机主机厂主要使用圆垫环作为隔板围带加工及装焊的工装，其使用步骤为：1）准备对应圆垫环；2）测量确认圆垫环上的环槽；3）内外围带嵌入对应环槽内；4）内外围带上装入静叶；5）样板检查静叶辐射线；6）检查内外围带间距；7）调整内外围带，并复测内外围带间距及静叶辐射线；8）检查静叶之间节距、喉宽；9）调整静叶节距、喉宽；10）氩弧焊点焊固定静叶。

通过分析直围带装配流程，我们归纳出隔板围带装配工装必备的两条基本功能为：围带装夹和围带装夹位置调整。因此，我们将从围带装夹机构及围带调整机构两方面设计直围带通用装配工装。同时，为提高通用工装装配围带及静叶的效率，设计了围带测量机构及静叶辐射线检查机构。

图1 圆垫环装配隔板围带示意图

1 工装设计

1.1 围带装夹机构设计

直围带是一种半圆形直筒。围带装夹机构是一个能夹住围带的“夹子”。为保证围带装夹机构可以装夹不同直径的直围带，设计了一个卡槽充当“夹子”夹住围带，卡槽与围带接触的一侧设计成圆弧面点线接触，通过螺钉将不同厚度的围带紧固在卡槽内。

1.2 围带调整机构设计

围带调整结构主要用于移动及固定围带卡槽。通过对比各种固定及微调机构，选择“螺旋机构”来完成围带卡槽的移动、固定和微调。螺旋机构由螺杆、螺母和机架组成，它将旋转运动转换为直线运动，它不仅具有较大减速比和力的增益，而且具有自锁性[1]。即围带卡槽固定在螺杆滑块上，转动螺杆带动滑块和围带卡槽沿直线移动，从而满足不同直径的围带装夹和微调。由于内外围带同时装配，因此围带调整机构由两组“螺杆、滑块、围带卡槽”叠加组成。

图2 围带卡槽示意图

图3 围带调整机构示意图

1.3 围带半径测量机构设计

由于卡槽固定围带是点线接触，为保证围带装配后的圆度，通用工装将采用多组围带卡槽固定围带。为了迅速、准确地将各组卡槽调整至装配尺寸，需要设计一组半径测量机构，用于测量各卡槽半径及围带各处半径。由于直围带装配工装采用多组围带卡槽沿辐射线方向布置，围带卡槽随围带直径变动而沿辐射线移动，同时各围带高度各不相同，因而测量装置必须满足沿圆周方向、径向和上下方向移动的要求。

因此，设计了一组摇臂测量机构，它由3部分组成：立柱、摇臂、滑块。摇臂可在立柱上圆周转动和上下移动，滑块可在摇臂上沿径向移动。操作者在使用时，首先将划针固定在摇臂滑块上，通过测量和调整划针到立柱的距离，即可使划针处于不同半径的节圆上，从而可测量和调整围带卡槽和围带的半径。

图4 围带测量调整机构示意图

1.4 静叶辐射线检查机构设计

为保证静叶沿辐射线安装，静叶安装后需测量静叶沿辐射线的偏转量。静叶辐射线偏转量测量基本原理为：设计一个指向圆心的参照物，通过对比静叶叶尖与参照物偏转的距离或角度来检查静叶辐射线偏转量。

根据静叶辐射线偏转量测量基本原理，参照围带直径测量装置，在测量摇臂上增加一个装有尖铁片的滑块，铁片指向圆心，此时铁片即为指向圆心的参照物。操作者调整摇臂和滑块使铁片尖部靠近静叶叶尖，比对叶尖与铁片偏转距离或角度，并调整围带或静叶使静叶叶尖与铁片重合，从而达到检查和调整静叶辐射线的目的。

图5 静叶辐射线检查机构示意图

1.5 底座设计

由于围带装夹机构、围带调整机构、围带直径测量机构、辐射线检查机构装配在底座上，同时需满足以下几点要求：1）围带调整机构能在底座上沿径向运动；2）围带调整机构能在底座上沿周向布置；3）围带直径测量机构和辐射线检查机构能在底座上沿周向旋转。

因此底座设计成半圆盘，在半圆盘上沿周向布置径向槽以安装围带装夹机构和围带调整机构，半圆盘圆心上设计轴孔以安装围带直径测量机构和辐射线检查机构。

图6 工装底座及各功能结构示意图

1.6 优化设计

优化设计是将优化原理和计算技术应用于工程设计领域的一种科学设计方法，它可从众多的设计方案中选出最优设计方案，从而大大提高设计效率和质量[2]。利用优化设计思想和计算方法，并仔细分析直围带装配过程后，我们对原始的设计方案进行了以下优化：

1）一般工装的公差为产品工艺要求的1/5～1/3，工件尺寸为自由公差时，工装的基准尺寸公差应为±0.1，角度公差为5＇[3]。因此，我们对工装的加工和装配公差进行了优化调整，提高工装精度和使用便利性。

2）梯形螺纹是最常用的传动螺纹，工艺性能好，牙根强度高，对中性好[4]。为保证螺杆的使用寿命，我们将原设计的M30螺杆优化成Tr30。

3）为了把润滑导入整个摩擦面间，轴瓦或者轴颈上需要开设油孔或油槽[5]。因此，我们在螺杆两端的轴颈上增加了环形油槽，保证螺杆轴颈充分润滑，减小摩擦阻力，延长螺杆轴颈寿命。

4）由于装夹点会对围带局部有影响，所以将围带装夹点之间的角度由30°调整到31°，使中分面处两装夹点角度大于180°，为186°。

5）由于围带装夹点的数量太多会显著影响装配效率，在不影响装夹精度的情况下，将装夹点的数量优化到7组。

6）由于测量划针到立柱距离需使用较大的卡尺，为便于使用小卡尺测量，在摇臂上增加了一个凸块过渡测量。

7）由于围带固定及调整时需要使用压板辅助固定，因此在底座上增加了压板固定螺杆的螺孔。

图7 底座示意图

图8 直围带通用装配工装示意图

2 工装装配及测试

2.1 工装装配

按总装图将围带装夹机构、围带调整机构、围带直径测量机构、辐射线检查机构装配在底座上，如图9所示。

图9 工装实物图

2.2 工装测试

为验证夹具的装配精度及效率，我们在隔板J1631.025003上进行围带装配工艺试验。围带装配过程主要分为：滑块卡槽调整、直围带装夹、叶片装配、叶栅点焊。

1）滑块卡槽调整。通过卡尺测量，调整划针至内外围带汽道侧半径。以划针为标准，使用扳手转动螺杆移动围带卡槽，使围带卡槽贴合内外围带汽道侧，即将卡槽调整完毕。

2）直围带装夹。将内外围带装入卡槽中，并使用螺钉将围带固定在卡槽上；转动划针，比对划针与围带间距，并微调螺杆，使间距小于1 mm。

3）叶片装配。按直围带标准装配流程装入3片叶片及全部叶片；使用卡尺和螺杆测量和调整围带喉高；使用辐射线装置检查和调整叶片辐射线；使用测量规和卡尺测量叶片喉宽和节距。通过测量叶栅喉高、喉宽来计算叶栅通流面积，调整叶栅及叶片使之满足叶栅装配要求。

目前已在隔板J1631.025003上进行围带装配工艺试验，内外围带半径偏差为±1 mm，上半叶栅喉高平均偏差为+0.02 mm、喉宽平均偏差为-0.04 mm，出口面积偏差为-0.33%，下半叶栅喉高平均偏差为+0.02 mm、喉宽平均偏差为-0.07 mm，出口面积偏差为-0.63%，达到了喉高偏差为±0.25 mm、喉宽偏差为±0.25 mm、出口面积偏差为±2%的设计要求及项目目标。