江健煒（中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 夾江 614100）

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構(gòu)皮灘升船機(jī)超大超重卷筒加工關(guān)鍵技術(shù)

江健煒
（中國水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 夾江 614100）

摘要：以構(gòu)皮灘升船機(jī)主提升卷筒加工為例，探索應(yīng)用超大超重卷筒加工新技術(shù)：采用獨(dú)特工件支承和動(dòng)力傳遞方式；模塊化組合式機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力優(yōu)化措施；改等切深順序加工法為變切深跳躍加工法等。解決了超重、超大卷筒加工難題，提高了加工效率。該技術(shù)為特型加工機(jī)床、工裝設(shè)計(jì)及加工工藝措施提供新思路。

關(guān)鍵詞：升船機(jī)卷筒；超重超大；獨(dú)立支承；跳躍加工

1前言

升船機(jī)是水電站大壩重要的通航設(shè)備，主提升機(jī)卷筒是卷揚(yáng)式升船機(jī)極其重要的零件，直接影響升船機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性和大壩通航的安全可靠性。為滿足揚(yáng)程和承載力的工程需求，升船機(jī)卷筒設(shè)計(jì)通常都有尺寸大、重量重等特點(diǎn)，這往往就是生產(chǎn)制造過程中的難點(diǎn)。整套設(shè)備的制造過程機(jī)械加工是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，難點(diǎn)主要集中于此。超大超重卷筒加工必然遇到的難點(diǎn)主要有：①零件加工需要超大型機(jī)床，但這種機(jī)床對工件尺寸變化的適應(yīng)范圍窄，實(shí)力一般的企業(yè)不會(huì)配置，于是資源很稀缺；②外圓車削力臂長，對機(jī)床動(dòng)力是個(gè)考驗(yàn)；③工件大、繩槽大，切削量多，耗時(shí)長，業(yè)主工期要求緊。于是，探索研究高承載能力、加工工件尺寸范圍寬的加工裝備，以及高效的加工工藝方法很有必要。本文以烏江構(gòu)皮灘升船機(jī)卷筒的加工為例，著重介紹夾江水工機(jī)械有限公司針對升船機(jī)超重超大型卷筒的加工開發(fā)應(yīng)用的新裝備和新技術(shù)。

2構(gòu)皮灘升船機(jī)卷筒狀況及加工要求

烏江構(gòu)皮灘500 t級卷揚(yáng)式完全平衡垂直升船機(jī)是目前國內(nèi)同類型升船機(jī)中機(jī)構(gòu)最龐大的。由我公司承制的第三級升船機(jī)主提升機(jī)卷筒共16件，卷筒名義直徑Φ4 586 mm，筒體長4 010 mm，繩槽底徑Φ4 436±0.25 mm，任意兩個(gè)卷筒繩槽底徑實(shí)測值相差不得大于0.3 mm；制動(dòng)盤直徑Φ5 800 mm，制動(dòng)盤端面跳動(dòng)不大于0.2 mm，單個(gè)卷筒、制動(dòng)盤及卷筒軸一起重達(dá)到90 t，其重量和尺寸在我公司承制的乃至國內(nèi)目前建造的升船機(jī)中均是最重最大的卷筒裝置（圖1），而且對加工精度要求較高。

圖1卷筒及制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)示意

1、卷筒，2、制動(dòng)盤

3超重超大型卷筒加工的創(chuàng)新技術(shù)及工藝措施

針對該批卷筒超大超重的特點(diǎn)，以及特型加工機(jī)床稀缺且無擴(kuò)展性的現(xiàn)狀，我們開展了系列技術(shù)攻關(guān)與工藝研究，并取得很好的成效。

3.1軸承座式獨(dú)立支承及萬向聯(lián)軸器扭矩傳遞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1卷筒支承及動(dòng)力傳遞裝置

（1）承載能力：考慮功能的擴(kuò)展性，該裝置按額定125 t的承載能力設(shè)計(jì)。

（2）結(jié)構(gòu)方案：采用一件工裝支承軸支承卷筒，支承軸與卷筒軸孔之間通過漲緊套聯(lián)接、定心、傳遞轉(zhuǎn)矩；支承軸兩端各有一個(gè)大型軸承座，所有重量通過這兩軸承座經(jīng)支座傳遞地平臺或地面基礎(chǔ)上，機(jī)床不承受工件重量，其中，右側(cè)支座可根據(jù)卷筒長度在地平臺上移動(dòng)調(diào)節(jié)；機(jī)床卡盤與卷筒支承軸之間通過萬向聯(lián)軸器聯(lián)接，機(jī)床通過萬向聯(lián)軸器傳遞扭矩，帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)加工（圖2）。這樣的結(jié)構(gòu)解決了機(jī)床承重難題，解決了調(diào)心、力矩傳遞問題，同時(shí)，工件裝卡時(shí)對卡盤的同軸度要求就可降低，從而大大降低了工件裝卡找正難度，提高工作效率。此方法已獲得實(shí)用新型專利（專利號：CN201833234U）。

圖2卷筒支承及運(yùn)動(dòng)傳遞方案

1、機(jī)床卡盤；2、萬向聯(lián)軸器；3、調(diào)心軸承座；4、支座；5卷筒及制動(dòng)盤；6、工裝支承軸；7、漲緊套；8、地平臺

3.1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與承載能力、回轉(zhuǎn)精度及傳遞轉(zhuǎn)矩校核

（1）軸承選擇：為滿足卷筒加工過程中的旋轉(zhuǎn)精度，兩個(gè)軸承選用調(diào)心滾子軸承，內(nèi)孔直徑500 mm，軸承旋轉(zhuǎn)精度為0.01 mm，根據(jù)卷筒重量、尺寸及軸孔直徑選擇雙列圓錐滾子軸承（GB/T299-1995），軸承型號3510/500。單件軸承基本額定載荷Cr=3920kN，最小徑向載荷Fmin=0.02Cr=0.02×3390=678 kN。承載能力與精度滿足卷筒加工精度要求。

（2）漲緊套選擇：根據(jù)切削卷筒最大轉(zhuǎn)矩TM ax=615.342 kN·m，選擇 Z2型脹緊聯(lián)接套（GB/T7934-1999）：螺釘鎖緊扭矩1 000 N·m，傳遞扭矩達(dá)1 300 kN·m。具體尺寸如下：

d=800 D=910 L=102 2件

d=800 D=930（定做）L=102 2件

（3）支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：為了保證卷筒加工承載能力，卷筒軸承座支座設(shè)計(jì)為整體，雙筋板方式，支座底板長1 020 mm，寬1 600 mm，底板厚度120 mm，高1 870 mm。為了增強(qiáng)卷筒加工中的穩(wěn)定性，支座采用螺栓連接固定，支座高度盡可能減小以降低卷筒重心，支座中心高取為3 110 mm滿足制動(dòng)盤回轉(zhuǎn)。支承軸采用通軸，經(jīng)對軸進(jìn)行剛度校核完全滿足承載能力。

（4）萬向聯(lián)軸器選擇：經(jīng)計(jì)算，卷筒加工需要的最大轉(zhuǎn)矩TM ax=615.342 kN·m；

選擇萬向聯(lián)軸器：SWC620DH1250（長度定做），公稱轉(zhuǎn)矩達(dá)1 000 kN·m，為短伸縮焊接式，伸縮量≥90 mm，長度1 250～1 350 mm，保證扭矩傳遞加工卷筒。

3.2模塊化組合式數(shù)控卷筒加工機(jī)床研制

3.2.1機(jī)床方案確定

（1）結(jié)構(gòu)方案：采用模塊化組合式結(jié)構(gòu)，目的是方便根據(jù)工件大小，適時(shí)調(diào)整各部位的高度和位置，擴(kuò)大機(jī)床對工件尺寸變化的適應(yīng)能力。由于機(jī)床卡盤不再需要承受工件的重量，組合機(jī)床的設(shè)計(jì)以數(shù)控QZ-053車床的主軸箱和切削走刀機(jī)構(gòu)為主體，構(gòu)建模塊化組合式機(jī)床結(jié)構(gòu)，機(jī)床各部位均可通過增減支墊模塊調(diào)整高度。除主軸箱位置固定外，其他部位均安置在地平臺上，可隨時(shí)根據(jù)需要調(diào)整位置。該機(jī)床能加工工件直徑范圍為：Φ2 000～Φ6 300 mm；最大加工長度達(dá)7 000 mm。如增加地平臺，還能繼續(xù)擴(kuò)大加工工件尺寸范圍。

（2）機(jī)床動(dòng)力優(yōu)化方案：在加工大尺寸卷筒時(shí)，該機(jī)床主傳動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)還未得到充分發(fā)揮。轉(zhuǎn)速處于基速以下，電機(jī)輸出功率未達(dá)到額定值。可以通過增大主傳動(dòng)系統(tǒng)速比方式，在保持現(xiàn)有主軸轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，將主電機(jī)的轉(zhuǎn)速提升適當(dāng)值，得到很好的功率—轉(zhuǎn)矩輸出匹配，也可以說，通過增加主傳動(dòng)系統(tǒng)速比方式，進(jìn)一步將電輸出轉(zhuǎn)矩放大，從而實(shí)現(xiàn)提升機(jī)床主軸轉(zhuǎn)矩輸出，達(dá)到增加機(jī)床切削動(dòng)力的目的。機(jī)床主軸動(dòng)力增加后，就可以根據(jù)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礎(chǔ)上，通過無極調(diào)速和檔位變速方式提高切削速度，提高生產(chǎn)效率。增加的減速裝置應(yīng)做到切換（或更換）方便。

3.2.2模塊化組合式機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

（1）以QZ-053數(shù)控機(jī)床主軸箱為主體，根據(jù)基礎(chǔ)及主軸箱接口設(shè)計(jì)制作支座（焊接加工），安裝、調(diào)整就位；該支座還可根據(jù)加工工件尺寸進(jìn)行加、減、更換，實(shí)現(xiàn)高低調(diào)節(jié)。

（2）以QZ-053數(shù)控機(jī)床切削走刀系統(tǒng)及導(dǎo)軌為主體，根據(jù)地平臺及切削導(dǎo)軌接口設(shè)計(jì)制作支座（焊接加工），安裝、調(diào)整就位。該支座同樣也可根據(jù)加工工件尺寸進(jìn)行加、減、更換，實(shí)現(xiàn)高低調(diào)節(jié)，同時(shí)，還可在地平臺上前后摞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滿足不同直徑卷筒加工的目的。

（3）機(jī)床動(dòng)力優(yōu)化措施：

1）原理分析：該機(jī)床的主傳動(dòng)鏈由電氣無級調(diào)速+機(jī)械有極變速系統(tǒng)組成，動(dòng)力傳遞路線為：直流電機(jī)—主軸箱四檔變速系統(tǒng)—主軸。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，35～45 m/min為卷筒切削最佳線速度，構(gòu)皮灘升船機(jī)第三級提升卷筒直徑為Φ4 586 mm，由此推算主軸的最佳工作轉(zhuǎn)速為3 r/min左右。同時(shí)推算出，該主軸轉(zhuǎn)速經(jīng)過機(jī)械變速系統(tǒng)的變速作用，使主傳動(dòng)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速需要控制在55.554～434.148 r/min之間（圖3）。從電機(jī)功率—轉(zhuǎn)矩特性曲線（圖4）可看出，電機(jī)實(shí)際輸出功率離額定功率還較遠(yuǎn)，還有潛力可挖。依據(jù)電機(jī)特性和電力拖動(dòng)原理：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速處于基速n0以下，為恒轉(zhuǎn)矩輸出，電機(jī)輸出功率隨轉(zhuǎn)速增高而線性提升，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到n0時(shí)轉(zhuǎn)為恒功率輸出，同時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩開始隨轉(zhuǎn)速增高而非線性下降。同時(shí)也看出，加工工件的直徑大到一定程度，為保持最佳的切削線速度，必然會(huì)在變速系統(tǒng)的作用下，壓制主電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時(shí)壓制電機(jī)的功率輸出，而當(dāng)電機(jī)輸出功率降到一定程度后，會(huì)明顯影響切削加工效率。從理論上講，可以在主傳動(dòng)系統(tǒng)中增加適當(dāng)速比的減速裝置，達(dá)到增加電機(jī)輸出功率（或者說放大電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩）的目的。

圖3機(jī)床主傳動(dòng)轉(zhuǎn)速分布

2）具體措施：根據(jù)產(chǎn)品加工實(shí)際需要，主電機(jī)與主軸箱之間串接一套減速裝置。該裝置同樣采用模塊化組合結(jié)構(gòu)，可根據(jù)加工實(shí)際需要，隨時(shí)增、減、撤、換。經(jīng)過計(jì)算，構(gòu)皮灘升船機(jī)卷筒加工時(shí)，增加一臺速比為 1.8：1的減速器，主電機(jī)轉(zhuǎn)速可在100～781.466 r/min之間調(diào)節(jié)，覆蓋了n0=600 r/min區(qū)段（圖4），比較合適。

圖4主電機(jī)功率—轉(zhuǎn)矩特性曲線

3.3工藝方法改進(jìn)

3.3.1工藝流程改變

由于構(gòu)皮灘升船機(jī)提升卷筒尺寸超大、重量超重，切削加工時(shí)采用了獨(dú)特裝卡方式，整個(gè)制造工藝流程有別于其他普通卷筒，主要區(qū)別是將軸孔、端面及制動(dòng)盤安裝止口的加工提前，節(jié)約來回倒換機(jī)床的工期，提高整體生產(chǎn)效率，但是，質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)大大提升。主要通過提前進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和科學(xué)推演，以及嚴(yán)把各工序的過程質(zhì)量控制關(guān)來規(guī)避此類風(fēng)險(xiǎn)。3.3.2加工工藝方法優(yōu)化

由于刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化和機(jī)床動(dòng)力提升，為該卷筒加工的新工藝方法實(shí)施拓展一定空間，為加工編程時(shí)參數(shù)調(diào)整提供信心和保障，作業(yè)效率大大提高，加工質(zhì)量提高顯著。

在卷筒加工和整個(gè)過程中，繩槽加工是重點(diǎn)和難點(diǎn)，因繩槽結(jié)構(gòu)和刀具形狀的關(guān)系，在粗開槽時(shí)，切削刃與工件的接觸面相對較寬，切削阻力相對較大，很大程度上制約了切削速度和吃刀深度的提高。車削加工尺寸小的卷筒，這方面體現(xiàn)不明顯，而車削大尺寸、大繩槽卷筒時(shí)，因切削力臂長，且繩槽深，與刀具接觸面寬，產(chǎn)生的切削力矩非常大，無論如何對機(jī)床動(dòng)力都是個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。于是，在車削構(gòu)皮灘升船機(jī)主提升卷筒繩槽過程中，經(jīng)反復(fù)琢磨，探索出一套新型加工工藝方法，即：改常用等切深逐層順序加工法為變切深跳層加工法。

等切深逐層順序加工法是指在程序中給定固定的吃刀深度，從頭到尾、由表及里順序進(jìn)刀切削，用這種方法使刀具在第一刀切入繩槽時(shí)左、右及尖部三面受力，阻力很大，刀具越深入越明顯，于是就不敢切太深，導(dǎo)致加工效率不高；而變切深跳躍加工法則是指先在繩槽中間以小吃刀深度連切兩層，再跳回以兩倍吃刀深度加工兩側(cè)邊，采取此方式減小切削阻力，節(jié)省加工時(shí)間，提高了加工效率。具體編程如下所示：

數(shù)控QZ-053加工程序

例：主程序

G90 G94 S=R913 M03

1（第一層）

N10 R909=12 R910=33.055；

R912=R900+31 R923=0.5；//分13刀加工，刀間距5.509，該層深度0.5 mm

N15 L40 P1；//調(diào)用已設(shè)定的子程序L40

N20 L50 P=R909+1；//循環(huán)調(diào)用L50子程序

2（第二層）

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

R923=1；//分12刀加工，刀間距為5.729，該層深度1 mm

……

56（第56層）

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

R923=0.5；//分11刀加工，刀間距為5.882 3，該層深度0.5 mm//

N840 L40 P1；//調(diào)用已設(shè)定的子程序L40

N850 L50 P=R909+1；//循環(huán)調(diào)用L50子程序

N860 M50；

N865 M30；

例：子程序

……

G33 X=R904 Z=R905 K=R917 I=R918；//進(jìn)刀段

G33 Z=R925 K=R917；//螺紋加工

……

G33 X=R901 Z=R907 K=R917 I=R918；//退刀段

……

卷筒各面加工完成后，還與制動(dòng)盤裝配一體完成制動(dòng)盤各面精加工。

4取得的效果

（1）采用工裝支承軸+漲緊套支撐、軸承座式獨(dú)立支承及萬向聯(lián)軸器動(dòng)力傳輸結(jié)構(gòu)，徹底擺脫了加工超大超重卷筒時(shí)機(jī)床承載能力以及工件裝卡同軸度超差的影響，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固安全，重心調(diào)節(jié)便捷，動(dòng)力傳遞平穩(wěn)可靠，且回轉(zhuǎn)精度完全滿足切削加工要求。

（2）采用模塊化組合式機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使機(jī)床可加工直徑Φ2 000～Φ6 300 mm，長度：50～7 000 mm的工件，適應(yīng)能力遠(yuǎn)比通用機(jī)床強(qiáng)。

（3）采用適當(dāng)增加主傳動(dòng)鏈速比的方式，解決了機(jī)床加工超大卷筒時(shí)主電機(jī)功率—轉(zhuǎn)矩輸出特性不佳的問題，挖掘機(jī)床動(dòng)力潛能，提高了加工效率。

（4）采用創(chuàng)新的編程方案，優(yōu)化了走刀路徑，提高了加工效率，單件卷筒加工周期由15 d/件提升到9 d/件。

（5）產(chǎn)品質(zhì)量檢測結(jié)果顯示：卷筒繩槽底徑尺寸為Φ4 436.05 mm，任意兩個(gè)卷筒繩槽底徑實(shí)測值相差為0.12 mm；制動(dòng)盤端面跳動(dòng)為0.07 mm。完全符合設(shè)計(jì)工藝要求。

5結(jié)論

從構(gòu)皮灘主提升卷筒加工過程和取得的實(shí)際成效來看，針對升船機(jī)超重超大型卷筒的車削加工，可通過以下措施擺脫對特大型標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床的依賴：

（1）采用工件獨(dú)立支承方案，有效地避開機(jī)床承重局限，解決超重卷筒加工難題。

（2）采用模塊化組合式機(jī)床結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展機(jī)床調(diào)節(jié)范圍，提高對工件尺寸變化的適應(yīng)能力，解決超大型卷筒加工難題。

（3）通過調(diào)整動(dòng)力傳輸系統(tǒng)的傳動(dòng)比，挖掘機(jī)床動(dòng)力輸出潛能。

（4）改等切深逐層順序加工法為變切深跳躍加工法，能有效降低切削阻力，提高吃刀深度，從而提高加工效率。

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中圖分類號：U642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）06-0040-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.06.015

收稿日期：2016-01-13

作者簡介：江健煒（1967-），男，工程師，從事水利水電工程機(jī)械制造及總裝工作。