（机械电子工程专业论文）三峡电站水轮机座环专用钻床方案设计.pdf

武汉理r 人学硕士学位论文 摘要 摇臂钻床是机械行业普遍使用的，用于在大、中型零件上完成钻孔、扩孔、 铰孔等工作的机加工设备。本文研究的对象是三峡电站水轮机座环现场钻孔、 攻丝加工的专用设备，用于三峡工程水轮机机组安装项目。三峡电站单机容量 7 0 万k w 是世界上容量最大、直径最大、重量最重的机组，其设计、制造和安 装难度超过世界上已有的任何大型机组。文中结合三峡工程实际工况环境，分 析了现有的传统摇臂钻床的基本结构，提出了三峡电站水轮机座环专用钻床的 设计方案。 在这个钻床的设计中，采用横臂连带着位于其上的主轴箱一起水平向移动 的基本构思。横臂的结构采用左右横臂，左横臂内置一套丝杠螺母装置，通过 该装置带动整个横臂水平向移动，右横臂内置一传动轴，用于将位于横臂一端 的主电机动力传递至位于其另一端的主轴箱。钻床3 个方向移动的实现：在立 柱上安装一个滑块，横臂和主轴箱一起套在滑块上，驱动电机安装在左横臂上， 利用丝杠传动使横臂完成水平方向上的移动；在滑块处安装垂直丝杠，利用立 柱项安装的电机使横臂连同其上的主轴箱一起上下移动，满足竖直方向上的移 动；最后是主轴箱钻头的移动，通过齿轮齿条来实现，其动力来自主传动电机。 在这个专用钻床设计中，其关键部分的结构设计有主轴箱的摆动、横臂的锁紧 及主轴箱与横臂的连接等。 本文最后将虚拟技术和传统经验理论设计相结合，利用二维和三维工程设 计软件a u t o c a d ，p r o e n g i n e e r 对专用钻床的关键部件进行虚拟设计、虚拟装 配以及运动学分析，在虚拟环境中对设备进行设计、实验、修改，验证设计的 合理性，大大的降低了出现问题的几率、优化结构，提高了设计效率。 本论文旨在对现代设计方法在专用设备的设计上做出一些探讨与尝试，由 于时间的关系还有一些不够完善的地方，还需要在生产实践中进一步检验，相 信本文所采用的现代设计方法对专用设备的设计与制造会有一定的启发和借鉴 意义。 关键词：专用钻床，方案设计，横臂，主轴箱 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t p l a i nr a d i a ld r i l l i n gm a c h i n ei sw i d e l yu s e di nt h em a c h i n e r yi n d u s t r y , i ti st h e e q u i p m e n tw h i c hi su s e df o rt h el a r g ea n dm e d i u m s i z e ds p a r ep a r t s d r i l l i n g 、 c h a m b e r i n g 、r e a m i n g t h eo b j e c to ft h i sp a p e ri sam a c h i n ew h i c hi sas p e c i a l p u r p o s ed r i l l i n gm a c h i n ef o rt h es a n x i ae l e c t r i cs t a t i o ns t a n dr i n g sf i e l dw o r k d r i l l i n g 、t a p p i n ga n di su s e df o rt h eh y d r a u l i ct u r b i n e si n s t a l l a t i o no ft h es a nx i a p r o j e c t t h ee l e c t r i c a lm a c h i n e ss i n g l ec a p a c i t yo ft h es a n x i ae l e c t r i cs t a t i o ni s a b o u t7 0 0 ，0 0 0k w , i ti st h ew o r l d sl a r g e s tc a p a c i t y 、d i a m e t e ra n dt h em o s th e a v i l y u n i t ，i t sd e s i g n 、m a n u f a c t u r ea n di n s t a l l a t i o ni sh a r d e rt h a na n yo t h e rl a r g e - s c a l eu n i t s w h i c hh a v eb e e ne x i t e df o ry e a r si nt h ew o r l d t h et e x tc o m b i n i n gt h ea c t u a l i n d u s t r i a la n dm i n i n g se n v i r o n m e n to ft h es a nx i ap r o j e c t ，a n a l y s i st h eb a s i c s t r u c t u r eo ft h et r a d i t i o n a l p l a i n r a d i a l d r i l l i n gm a c h i n e ，a n dp r o p o s e d a t r a n s f o r m a t i o np r o g r a mf o rt h es a nx i ae l e c t r i cs t a t i o ns t a n dr i n g sp u r p o s ed r i l l i n g m a c h i n e i nt l l ed e s i g no ft h ed r i l l i n gm a c h i n e ，w eu s et h ei d e ao fm o v i n gt h eh o r i z o n t a l a r ma n dt h es p i n d l eb o xw h i c hi su p o ni tt r a n s v e r s e l y t h es t r u c t u r eo ft h eh o r i z o n t a l a n no ft h ed r i l l i n gp r e s si sd e s i g n e dw i t hl e f ta n dr i g h ta r mi nt h eg e n e r a lp r o j e c t t h e r ei sal e a d i n gs c r e wi n s i d et h el e f th o r i z o n t a la n t i ，a n di td r i v e st h ew h o l e h o r i z o n t a la r mm o v e dt r a n s v e r s e l y ad r i v e s h a f ti sf i x e di n s i d et h er i g h th o r i z o n t a l a l t n i ti su s e dt ot r a n s f e r st h ep o w e ro ft h em o t o rw h i c hi sa to n es i d eo ft h e h o r i z o n t a la r mt ot h es p i n d l eb o xi na n o t h e rs i d e t h r e ed i r e c t i o n so ft h ed r i l l i n g p r e s sa r e w i t hi n s t a l l i n gas l i d i n gb l o c ko nc o l u m n ，f i x i n gh o r i z o n t a la r ma n ds p i n d l e b o xo nt h es l i d i n gb l o c ka n dp u t t i n gd r i v i n gm o t o ro nt h el e f th o r i z o n t a la r i n ，s c r e w t h r e a dd r i v i n gm a k e sh o r i z o n t a la r mr e a l i z eh o r i z o n t a l d i r e c t i o nm o t i o n ；w i t hf i x i n g v e r t i c a ls c r e wt h r e a do nt h es l i d i n gb l o c ka n di n s t a l l i n gm o t o ro nt h et o po fc o l u m n c a l lm a k eh o r i z o n t a la r n la n ds p i n d l eb o xu pa n dd o w ni no r d e rt om e e tt h ed e m a n d s o fv e r t i c a l d i r e c t i o nm o t i o n ；a tl a s t ，t h em o t i o no fs p i n d l eb o xi sr e a l i z e db yg e a r d r i v e nw h i c hi sp o w e r e db yt h em a i nm o t o r t h ek e ys t r u c t u r ed e s i g n so ft h em a c h i n e i i 武汉理工大学硕士学位论文 a l es w i n g i n go ft h es p i n d l eb o x ，l o c k i n go ft h eh o r i z o n t a la r ma n dc o n n e c t i n gt h e s p i n d l eb o xw i t ht h eh o f i z o n m l 锄1 t h ep a p e rc o m b i n i n gt h ev i r t u a lt e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o n a ld e s i g ne x p e r i e n c e t h e o r yf i n a l l y , u s i n g2 da n d3 de n g i n e e r i n gd e s i g ns o f t w a r ea u t o c a d 、p r o e n g i n e e rt od oav i r t u a ld e s i g n 、v i r t u a la s s e m b l ya n dm o t i o na n a l y s i so ft h ed r i l l i n g m a c h i n e sk e yc o m p o n e n t t od ot h ee q u i p m e n td e s i g n 、e x p e r i m e n t 、m o d i f yi na v i r t u a le n v i r o n m e n t ，v e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s so ft h ed e s i g n ，g r e a t l yr e d u c e dt h er i s k o fp r o b l e m s ，a n do p t i m i z e dt h es t r u c t u r e ，i n c r e a s e dd e s i g np r o d u c t i v i t y t h em a i ni d e a so ft h i sp a p e ra r es o m ea t t e m p ta n dd i s c u s s i o no fa p p l i c a t i o no f m o d e md e s i g nm e t h o df o rs p e c i a l p u r p o s e e q u i p m e n td e s i g n b yt h er e a s o no f t i m e l e s st h ep a p e ri sn o tv e r yp e r f e c t i ti sn e c e s s a r yf o rf u r t h e rc h e c ki np r o d u c t i o n b u t ，i ti ss u r et h a tt h em o d e md e s i g ni nt h i sp a p e rh a ss o m ee n l i g h t e n m e n ta n d r e f e r e n c et od e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go f s p e c i a l p u r p o s ee q u i p m e n t k e yw o r d s ：s p e c i a lp u r p o s ed r i l l i n gm a c h i n e ，p r e c e p td e s i g n , h o r i z o n t a la r m , s p i n d l eb o x i l l 此页若属实，请研究生及导师签名，并装订在学位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 硷：殛日期丝! 垒：主：z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名，：缚疆 导师。签名，：盗垒堑日期兰! ! 星：z 武汉理丁大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文背景及研究意义 三峡电站单机容量7 0 万k w , 是世界上容量最大、直径最大、重量最重的机 组，设计、制造和安装难度超过世界上已有的任何大型机组，对国际上所有著名 水轮发电机组制造厂商都极具挑战。在国务院的号召下中国三峡总公司面向国 际市场进行招标采购，通过国际招标引进了大量国外先进技术设备，此举意在保 证三峡工程平稳进行的同时，提高国内同行制造企业的技术水平。随着项目部 分进度的完成，外方依约逐步撤走设备，并就这方面的技术对我国保密，由此 形成了国内企业研发相互竞争的局面。国内企业为争取成为技术承接方，尽早 消化吸收外方先进技术，抢占未来市场竞争制高点，开始从过去被动等待国家 计划到主动开展技术改造和科研攻关。 本文研究的设备是三峡电站水轮机座环现场钻孔、攻丝加工的专用设备， 用于三峡工程水轮机机组安装项目。该设备的成功研制，结束了我国大型水轮 机座环专用钻孔设备依赖进口的历史，不仅保证了三峡右岸电站如期发电，而 且加快了我国水电发电机机组朝大型化、高效化发展速度。该设备的成功国产 化，使我国水电施工企业与外国公司在大型水水轮机安装建设市场可以同台竞 技，使我国从只能独立安装设计制造3 2 万千瓦水电机组，到一跃而能全部国产 化制造、安装7 0 万千瓦特大型水电机组；从只能担当三峡工程机组制造、安装 的“配角”，到成为右岸机组独立承包商，为今后国内水电站建设降低机组安装成 本奠定了基础。国内制造企业成功实现从三峡左岸机组分包商到右岸机组独立 承包商的飞跃，不仅具备自主设计、制造、安装特大型水轮发电机组的能力，而且 与跨国公司同台竞技，毫不逊色! 这是“三峡模式”以重点工程带动自主创新的成 绩单，是国内自主创新的新标杆。啪1 在今后几年内，一旦三峡右岸地下电站的6 台、溪洛渡电站的1 8 台、向家 坝电站的8 台，一共3 2 台7 0 万千瓦或以上的机组进行招标安装。这些电站的 机组安装都将使国内企业可以参与竟标，其成本自然会大大降低。除了看得见 的直接成本降低外，还有隐形的成本节省更无法估量。 武汉理 二大学硕士学位论文 1 2 摇臂钻床及发展概况 1 2 1 传统摇臂钻床概述 金属切削机床是用刀具或磨具对金属工件进行切削加工的机器，在制造业 中，尤其是机械行业，机床有着非常广泛的应用。然而摇臂钻床在零件加工中 仍然占有相当的比例，据统计在零件加工中钻孔加工占2 5 以上。摇臂钻床仍 然是钻削加工的主要设备之一。作为传统的老产品摇臂钻床，有数百年的发展 历史，其产品都在不断地更新，功能也越来越齐全、性能也不断地完善。可对 零件进行钻孔、扩孔、铰孔、锪平面和攻螺纹等加工。在摇臂钻床上配有工艺 装备时，还可以进行镗孔；在台钻上配上万能工作台，还可铣键槽。u 训 图l l 传统摇臂钻床 2 武汉理下大学硕士学位论文 主轴箱可在摇臂上移动，并随摇臂绕立柱回转的钻床( 见图1 一1 ) ，摇臂钻 床摇臂还可沿立柱上下移动，以适应加工不同高度的工件。较小的工件可安装 在工作台上，较大的工件可直接放在机床底座或地面上。摇臂钻床广泛应用于 单件和中小批生产中，加工体积和重量较大的工件的孔。 摇臂钻床的主要变型有滑座式和万向式两种。滑座式摇臂钻床是将基型摇 臂钻床的底座改成滑座而成，滑座可沿床身导轨移动，以扩大加工范围，适用 于锅炉桥梁，机车车辆和造船等行业。万向摇臂钻床的摇臂除可作垂直和回 转运动外，并可作水平移动，主轴箱可在摇臂上作倾斜调整，以适应工件各部 位的加工。此外，还有车式、壁式和数字控制摇臂钻床等。嘀1 1 2 2 摇臂钻床的国内外研究现状 目前在世界上，德国、美国、日本、韩国在工业机床设计方面处于领先水 平。无论是从其产量或是技术水平来说均遥遥领先于世界其它各国。我国自新 中国成立后，经过5 0 多年的建设，机床工业从无到有从小到大，得到了迅速的 发展，已能生产从小型仪表机床到重型的各类各型机床，也能生产各种精密的， 高度自动化的，高效率的机床和自动线，机床产量不断上升，目前一般通用机 床已能基本满足我国建设的需要。虽然我国机床工业的发展是迅速的，但由于 起步晚，底子薄，与世界先进水平相比，还有很大的差距。尤其是在加工大型 零件的同时要求高精度的机加工设备方面，技术力量更为薄弱。 摇臂钻床是用于在大、中型零件上完成钻孔、扩孔、铰孔、锪平面或攻螺 纹等工作的，在有工艺装备时也可进行镗孔的一种孔加工通用机床。它是机械 制造各行业以及机械修理部门用得比较广泛地机床之一。据沈阳钻镗床研究所 的调查资料得知：摇臂钻床的拥有量构成比，在我国约占金属切削机床的3 左 右。可见，它在国民经济中占有比较重要的地位。啪1 随着我国加入世界贸易组织和全球经济一体化环境的形成，机床行业的市 场竞争愈演愈烈。目前，国内外机床产品技术水平之间的差距仍然很大，主要 表现为：产品仿制多，创新少，市场竞争力不足，利润低：设计方法落后，机 床结构设计尚处于传统的经验、静态、类比的设计阶段，很少考虑结构动、静 态特性对机床产品性能产生的影响，产品精度低，质量难以保证；设计周期长， 成功率低，反复设计、试制与修改，产品更新换代慢，且成本高。因此尽快应 用先进的设计技术，能快速开发出结构合理、自动化水平高、加工精度高、低 武汉理。f 大学硕士学位论文 振动、低成本的机床新产品响应市场，我国的机床工业才有出路。为了达到这 一目的，掌握先进的机床设计方法就显得尤为重要。1 近几年来国外生产的摇臂钻床，基本系列产品虽然没有大的变化，但是在 具体结构、性能上，确有不少改进与提高，一些中小型厂家，对其产品的更新 工作进展较快；而较大的厂家，各自发展了多种坐标式摇臂钻床及其派生产品， 并且应用了数字控制技术：西德克劳伯公司首先发展了四n 型数字控制坐标摇 臂钻床“加工中心 ，从而使这类产品向着完全自动化的方向迈进了一大步。 随着我国加入世界贸易组织和全球经济一体化环境的形成，我国摇臂钻床 生产技术的发展是十分迅速的，在一些方面也做出了显著的成果。 例如： ( 1 ) 白建华、刘英彬、黄海峰、王福华等人对z 3 0 6 3 型摇臂钻床进行数控化改造， 阐述了加工管板类零件的加工原理、数控化改造方案以及在研制过程中所遇 到的技术关键问题及其解决方法。 ( 2 ) 罗晓霞对z 3 5 摇臂钻床进行了数控改造，论述了z 3 5 摇臂钻床的数控改造方 案，介绍了机械设计、系统软件设计框图以及数控改造应注意的问题。 ( 3 ) 魏平俊、蔡丽丽等人对摇臂钻床进行了数控改造的电气设计，针对摇臂钻床 的缺点，设计了将摇臂钻床改造为数控钻床的电气控制方案。该方案采用一 台单片机控制二台步进电机，其中一台步进电机的升降速控制和三相脉冲分 配由硬件实现，另一台步进电机则完全由软件控制。此外，还给出了主要硬 件电路的实现方法和软件设计要点。 ( 4 ) 鞠莉娜、陈远金、石艳林等人在v b 6 0 软件开发平台中，使用m s c c o m m 控件实现计算机与摇臂钻床的串行通信，介绍该控制系统的串行通信。 ( 5 ) 韦宗源对z 3 0 1 2 5x 4 0 大型摇臂钻床主轴箱主传动部分进行了设计与计算， 该设计是在原系列摇臂钻床的基础上，参照国际标准设计制造成功的多功能 新系列产品，结合现代企业实际需要而开发的新产品。在设计过程中，运用 了先进的设计理念和大的安全系数，并在符合国家标准的前提下，兼顾使用 高效、美观大方、安全、操作性能高等特点。 总而言之，虽然我国在摇臂钻床方面的开发技术与国外先进水平还有着不 小的差距，但也有了长足的进展。 4 武汉理工大学硕十学位论文 1 3 论文研究的主要内容及方法 本论文研究的设备是用于三峡工程水轮机机组的安装项目，是三峡电站水 轮机座环现场钻孔、攻丝加工的专用设备，主要用于三峡右岸电站座环安装螺 孔的加工。大型水轮机因座环尺寸大，重达二三百吨，考虑到制造与运输条件， 一般采用分多瓣制造后运输至工地现场焊接。由于基础环和座环在现场组焊， 焊接后工件有变形，而且座环、基础环、顶盖、底环等在异地制造，为确保基 础环与底环、顶盖与座环的正确、可靠联接，以及确保机组轴线垂直度，并与 导叶端面间隙符合设计要求，必须对座环进行现场钻孔及攻丝。 为确保机组轴线垂直度，必须对座环进行现场钻孔及攻丝。因此，水轮机 座环现场钻孔设备是水轮机安装关键设备之一。 1 3 1 论文研究的主要内容 本论文研究的三峡右岸水轮机座环加工专用钻床与传统的摇臂钻床不同点 主要有两处，首先在加工水轮机底座螺孔时，加工设备本身不能打地基。这主 要是因为： ( 1 ) 该水轮机体积较大，其底座螺孔较分散。在加工过程当中，设备要随着加工 过程的进展而不断移动。 ( 2 ) 根据三峡工程的要求，在现场不允许安装地基；而且由于该螺孔的尺寸也较 大( 西8 0 1 4 0 ，m 6 ) ，决定了该钻床的体积也很大，打地基会对现场造成比 较大的破坏。 其次也是最主要的区别是，不同于传统的摇臂钻床，本文中的工件座 环，位置固定不可调动，而传统的钻床加工是机床本身固定不动将工件置于机 床的工作台上，可通过对工件位置的任意调整来达到补偿加工垂直度的问题。 本文研究的专用设备，由于前述基础环和座环在现场组焊，焊接后工件有变形， 而且座环、基础环、顶盖、底环等在异地制造，三峡工程现场发动机底座所处 的地面不是绝对的水平等因素，需对钻床的刀具在进行机加工之前进行微量的 周向旋转调整，以确保n t _ 出来的连接螺孔能保证基础环与底环、顶盖与座环 的正确、可靠联接，以及确保机组轴线垂直度，并与导叶端面间隙符合设计要 求。 综上所述，本论文主要研究内容如下： 武汉理工人学硕士学位论文 ( 1 ) 总体方案设计。该设备组成包括五大部件构成，即底座、立柱、滑座、横臂 和主轴箱。主轴箱安装在横臂的最前端，底座与立柱通过螺栓联结；滑座套 装在立柱上，横臂与主轴箱可在立柱上作上下移动和绕立柱旋转。 ( 2 ) 实现钻头多自由度调整机构的设计。实现钻床的主轴箱轴线要求水平面两个 方向上士5 0 的摆动可调的功能，以补偿钻床底座的水平度，保证钻孔轴线的 垂直度要求。 1 3 2 论文研究的主要方法 机械系统种类繁多，型式多样，用途各异。其设计方法，大致有理论设计、 经验设计和模型实验设计三种。 为了适应人类对物质文明不断发展的需要，产生和发展了机械系统的现代 设计理论和方法。常用的现代设计方法有：功能分析设计法、可靠性设计法、 计算机辅助设计法、优化设计法、动态分析设计法等。 计算机辅助设计法，机械产品的设计过程通常分成三个阶段：产品或部件 的总体设计阶段一零部件的结构设计阶段一工作图的设计阶段。这三个阶段是 反复交替进行的，即在总体方案确定后，进行各零件的结构设计和工作图设计； 在进行结构设计和工作图设计时，如发现问题还需回头去修改总体方案。这样 不断进行修改、完善，反复循环直至得到一个较满意的设计为止。在整个设计 过程中，以计算机辅助设计计算和绘图的技术为基础，提高设计工作效率，以 及提高产品设计精确度和可靠性的方法称为计算机辅助设计法，简称c a d 。( 本 文主要应用此种设计方法，故对其它方法概不赘述) 本课题主要是应用经验设计与计算机辅助设计法相结合，首先应用经验法 对传统的同类机械设备进行分析，根据本课题设备要完成的各种动作、功能将 其分解。其次将各分解部分与同类设备进行比较，改变其中的部分参数( 如结 构类型、结构尺寸、布置位置等) ，使其达到各自部件的功能要求。最后将其整 和以达到预期要求。 6 武汉理一r 大学硕+ 学位论文 第2 章课题概况 三峡机组是目前世界上最大的混流式机组，具有容量大、尺寸大、技术含 量高、标准高等特点。三峡电站以左、右岸两个电站与大坝为主要构成单位， 其左、右岸两座厂房，分别装设了1 4 台和1 2 台单机额定容量为7 0 0 m w 的机组， 总装机容量约为18 2 0 0m w ，无论是单机容量或是总装机容量都堪称世界第一。 三峡电站的水轮机组由多个国家分包承制，体现了世界上最先进的设计与制造 技术，其左岸电站的1 4 台机组中由a b ba l s t o m 集团制造并指导现场安装 的机组有8 台，由v g s 集团座环制造并指导现场安装的机组有6 台。 2 1 座环的结构特点 三峡机组的设计及安装过程中有许多关键参数和部件，座环就是其中不可 或缺的一环，也是本论文研究设备主要加工的部件。 座环为水轮发电机组水轮机部分的中心大件，发电机总装时整体稳座其上。 同时，水轮机涡壳在安装中又以它为核心和基础。座环是承受水轮发电机组的 重量、蜗壳上部部分混凝土重量以及水压力、并将其传递到电站基础上去的部 件。而且它对于确定机组中心和导叶中心( 机组安装高程) ，对蜗壳乃至下一阶段 机组设备安装都是非常重要的。 三峡工程中v g s ( v o i t 卜七e - 一s i m e n s 联合体简称v g s ) 提供的座环总 重量为3 8 2t ，单瓣最重约7 0 5t ，座环组装后最小内径约1 2 3m ，最大外径约 1 4 5m 。a l s t o m 提供的座环总重量为3 4 5 5t ，单瓣最重约6 5 t ，座环组装后最 小内径约1 3 2m ，最大外径约1 5 0m 。 座环安装位置如图2 一l 所示，为了减小蜗壳尺寸，座环与蜗壳连接采用无 蝶形边结构，在座环上下环板外侧与蜗壳之间设计有导流板。蜗壳安装焊接完 成后，安装导流板。 7 武汉理工大学硕十学位论文 2 1 1 座环结构 图2 1 座环安装位置图 三峡右岸7 0 0 m w 水轮机座环为上、下平板式座环结构，座环与基础环为连 体结构。其过渡板为多边形直板式结构，厂内分6 瓣制造。座环环板最大尺寸 1 4 4 1 0 m m ，高约5 0 0 0 m m ，装焊后重约3 8 9 t 。分6 瓣，固定导叶数2 4 。座环上、下环 板采用进口的a s t ma 5 1 6 g r 4 8 5 抗层状撕裂钢板，钢板厚2 0 0 m m 。固定导叶采用 2 0 s m n 铸件。三峡右岸座环结构与外形尺寸见图2 2 。 座环采用平板式结构，由上、下环板、固定导叶、导流板、过渡板、大舌 板等部件组成。座环采用平行式结构，中问由2 4 只固定导叶连接上、下环板。 此结构既可简化制造过程，又可保证座环自身的刚强度要求。同时从铁路运输 考虑，将座环分为6 瓣，每瓣合缝面处上、下各带工艺法兰。工艺法兰设于固 定导叶侧，便于工地组焊座环时把合和定位。n 引 武汉理：j 二人学硕七学位论文 r 6 1 图2 - - 2 座环结构图 由于座环上、下环板厚达2 4 0 m m ，工地组焊的焊接量大，容易变形。因此 合理选择对焊结构、焊接设备及焊接工艺成为控制座环焊后变形的关键。同时 应考虑在工地使用专用设备加工座环与顶盖把合处工作面、座环与顶盖、底环 密封等处工作面的工艺性；并在顶盖法兰上设置偏心螺套，用于顶盖安装时的调 整。n 阳 2 1 2 座环特点 v g s 座环总重量为3 8 2 t ，单瓣最重约7 0 s t ，座环材料为a s t m a 5 1 6 m ，座 环组装后最小内径约1 2 3 m ，最大外径约1 4 5 m 。a l s t o m 座环总重量为3 4 5 s t ， 单瓣最重约6 5 t ，座环组装后最小内径约1 3 2 m ，最大外径约1 5 0 m 。两种座环 主要特性比较见表2 一l ：n 9 1 9 武汉理 人学硕士学位论文 表2 1 座环主要特性比较表 综上所述，三峡座环主要具有以下几种特点： ( 1 ) 外形尺寸超大：座环最大高度4 9 2 0 m m ，最小内径1 3 2 3 0 m m ，最大直径 1 5 6 7 0 m m 。 ( 2 ) 重量重：三峡座环共分6 瓣，每瓣6 5 t ，其中一瓣带大舌板重约9 0 t ，总计近 4 0 0 t 。 ( 3 ) 装配精度高：6 瓣组合成整圆，合缝面间隙要求在l m m 之内，合缝面错牙 在l o m m 之内，而且外观质量也要等同于国外同类产品。 ( 4 ) 固定导叶结构多元化：每瓣上均布4 个固定导叶，共计2 4 个固定导叶，分 5 种结构形式。 另外如此大型的部件无论是转运、起吊，单瓣加工，还是厂内整体组圆预 装，以及大尺寸测量等都是一个新课题。n 力 2 2 座环的加工过程 2 2 1 基础环座环现场加工内容 基础环座环的现场加工主要内容包括【2 2 】： ( 1 ) 基础环法兰面的平面加工； ( 2 ) 座环上环板与顶盖联接法兰面的平面及立面加工； 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 ( 3 ) 座环下法兰与底环联接面的平面n t _ ； ( 4 ) 座环下环板立面加工： ( 5 ) 座环与顶盖的联接共1 6 8 个m 8 0x6 螺栓孔的钻孔、攻丝以及定位2 4 个 6 0 m m 锥销孔的钻孔、铰孔； ( 6 ) 座环与底环的联接共7 2 个m 6 4x6 螺栓孔的钻孔、攻丝和定位9 6 个 5 0 m m ( 7 ) 锥销孔的钻孔、铰孔，以及2 4 个 2 5 m m 排水孔的钻孔和加工等。 基础环座环的现场加工的主要部位见图2 3 翮：傩黼l 加工 图2 3基础环座环现场加工部位 2 2 2 现场加工要求 座环的中心、高程等是水轮发电机组安装的基准，因此，座环加工的精度 武汉理工大学硕士学位论文 直接影响到机组安装的质量。基础环座环现场加工主要控制指标有：座环上下 法兰面距离尺寸为3 5 2 5 0 1 5 m m ；座环下法兰面与基础环法兰面距离尺寸为 1 8 4 6 - - + 1 3 m m ：加工平面径向水平度允许偏差为0 1 3 m m ，周向水平度允许偏差 为0 2 5 m m ：下环板内环面直径为e1 2 3 0 0 2 0 m m ；上环板内环面直径为盛谚 l2 3 0 8 m m 。 2 2 3 加工设备及加工流程 平面、立面及密封槽加工采用便携式铣床，孔的加工采用专用钻床。加工 流程如表2 2 所示： 表2 2 加工流程 工序 内容 l 机组中心高程测定 2 各加工部位加工余量确定 3 座环下法兰表面及环带加工 4 座环下环板内环面加工 5 座环上环板内环面加工 6座环上环板表面加工 7 座环上环板密封槽加工 8 基础环法兰环带加工 9 总体检查验收 1 0 铣床拆卸、吊出机坑 1l 底环预装 1 2 底环联接螺栓孔及销钉孔加工 1 3 8 个导叶及顶盖的吊装、调整 1 4 顶盖联接螺栓孔及销钉孔加工 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 2 2 4 座环下法兰连接孑l ( 与底环结合面) 的加工 a ) 预钻销孔、螺孔 按照图纸要求，将自制的钻孔平台吊人机坑，放在底环上。吊入专用钻床并 调整其水平和位置。分别预钻孔至9 4 9 7 5 m m 销孔q 5 7 5 m m 螺孔。 b ) 铰锥销孔 把( 0 4 9 7 5 r a m 的锥销孔铰到终加工尺寸q ) 5 0 r n m ，用安装销钉检查。 c ) 螺孔攻丝 使用专用钻床，将钻好的( p 5 7 5 m m 螺孔倒角，并攻螺纹到终；o n - r 尺寸m 6 4x 6 m m ，用安装螺栓检查。 2 2 5 座环上环板连接子l ( 与顶盖) 的加工 a ) 预钻销孔、螺孔 顶盖吊入机坑，调整好其安装方位，使用专用钻床，预钻定位螺孔至9 2 5 m m ， 钻销孔至q 5 9 7 5 m m 。 b ) 铰铣6 个定位销孔 使用专用钻床，铰铣均匀对称分布的6 个锥销孔到终加工尺寸q 6 0 m m ，用 安装销钉检查。 c ) 螺孑l 攻丝 在顶盖吊出机坑后，按照图纸要求，将钻孔平台吊人机坑，放置在底环上； 吊入专用钻床之合适位置并调整其水平；将螺孔定孔扩钻至( p 7 3 5 m m 将扩钻 好的螺孔倒角，攻螺纹到终加工尺寸m 8 0x6 m m ，用安装螺栓检查。 d ) 铰铣其余定位销孔 在顶盖正式安装后拧紧所有顶盖螺栓。使用专用钻床，铰锥销孔到终加工 尺寸q ) 6 0 m m ，用安装销钉检查并安装销钉。 2 3 本章小结 本章简要介绍了三峡工程现场工作条件，介绍了本课题所研究的专用机床 加工对象座环的结构及特点。对座环的整个加工工艺路线进行分析，最后 引出了本专用机床主要承担的加工任务。 武汉理! r 大学硕士学位论文 第3 章专用钻床总体方案设计 在机械加工中钻床是一种常见的机床，能实现钻孔、扩孔、铰孔及攻螺纹 等，主要用于加工外形复杂、没有对称回转轴线工件上的孔，如箱体、支架、 杠杆等零件上的单孔或孔系。常见的钻床有立式钻床、摇臂钻床和深孔钻床等， 这几种钻床的设计制造技术已经比较成熟，但这些钻床只适用于一般情况下的 机械加工，对于特殊零件的加工必须用到专用钻床。然而专用钻床的设计与制 造受到一些特殊因数的影响，如零件的特殊性和工作环境的特殊性等，其技术的 成熟度远不及上面提到的3 种钻床，特别是专用钻床关键部分的结构设计技术。 3 1 钻床设计要求 专用钻床的设计最主要是考虑零件的特殊性和钻床加工动作的特殊要求， 工作环境和效率要求等，还要考虑钻床结构合理，运输方便，经济成本等因素。 一本论文研究的专用钻床，其加工工件体积重量远远超过钻床本身，需要调整钻 床床身和钻头位置来适应加工孔的位置要求。综合起来考虑，座环加工专用钻 床的技术和结构要求如下： ( 1 ) 要求该设备在机组座环及基础环窄小空间野外作业钻攻m 8 0 x 6 螺孔； ( 2 ) 能锪m 2 0 0 沉孔平面，平面度要求o 0 2 m m 10 0 0 m m ，在长江三峡右岸基础座 环上锪1 9 3 个m 2 0 0 沉孔平面，所有平面共面度在0 2 m m 以内。 ( 3 ) 钻床的最大设计钻孔攻丝直径是8 0 m m ： ( 4 ) 要求钻床横臂能绕立柱转动- t - 4 5 u ，横臂沿立柱上下移动行程z = 1 5 0 0 m m ， 主轴箱横向行程x = l o o o m m ，保证钻床移动一个位置能加工多个孔； ( 5 ) 要求钻头在水平面内能在x 和y 两个方向上实现5 0 的摆动，以补偿钻床 底座的倾斜度，保证钻头轴线与要加工孔轴线重合度，因此要求钻床的主轴 箱在水平面两个方向上实现士5 0 的摆动； ( 6 ) 要求自身重量不小于2 0 吨，机床本身不能与基础进行固联，而靠自身重量 保证其加工过程中的稳定性； 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 总体方案设计 总体方案设计包含功能设计、结构设计和优化设计三部分。瞳3 1 功能设计，即在调研分析，确定了所设计机床的工作参数运动、动力、尺 寸之后，通过功能分解，创新出或类比出可以实现加工要求的各种总体布局方 案。创新设计，主要通过对运动功能的分解和合成来确定其布局方案，这对于 设计加工特定零件的专用机床较为有效。而变型设计或类比设计主要通过查询 比较确定可参照的机床布局方案，大量用于设计一般的通用性机床。 结构设计是在总体布局方案基本确定后，对机械结构件进行主要形状和尺 寸的设计，这同样有类比和创成设计两类。类比设计是建立在成组技术和模块 化技术的基础上，采用参数化设计方法来实现。而创成式设计主要是按照设计 人员的意志，通过对基础模块板、梁、筋、孔、凸缘、法兰等的实体进行拼装、 重叠等操作来实现。 优化设计是根据机床的总体性能要求对运动误差、精度和刚度等进行设计 分配，并综合应用有限元法、边界元法、分布参数法等方法快速计算和比较各 种可能方案的优劣。 本文研究的专用钻床，笔者主要负责参与的是前两部分，即功能设计与结 构设计，故本文主要就前两部分进行分析介绍。嘲 3 2 1 专机必要动作分析 传统的摇臂钻床其主要运行动作可分为：主运动、进给运动、辅助运动。当 进行加工时，由特殊的央紧装置将主轴箱紧固在摇臂导轨上，而外立柱紧固在 内立柱上，摇臂紧固在外立柱上，然后进行钻削加工。钻削加工时，钻头一边 进行旋转切削，一边进行纵向进给，其运动形式为： ( 1 ) 摇臂钻床的主运动为主轴的旋转运动； ( 2 ) 进给运动为主轴的纵向进给； ( 3 ) 辅助运动有：摇臂沿外立柱垂直移动，主轴箱沿摇臂长度方向的移动，摇臂 与外立柱一起绕内立柱的回转运动。值1 本文研究的专用钻床，其工作流程动作依次是： ( 1 ) 钻床整体移动：钻床移动至座环附近； ( 2 ) 横臂垂直方向大幅升降：横臂与待加工面间有一段距离，升降粗调至垂直方 向加工起点处： 武汉理工火学硕七学位论文 ( 3 ) 横臂转动：横臂转动到待加工孔附近； ( 4 ) 横臂水平方向移动：水平方向移动，钻头水平面内找准加工起点处位置； ( 5 ) 主轴箱轴线摆动：主轴箱轴线水平面内两个方向5 。微调以补偿加工垂直 度的不足； ( 6 ) 钻头垂直方向进给：垂直方向上的进加工主运动，包括垂直方向上的进给运 动以及对钻孔、攻丝等不同加工方式的主轴转速调节。 在以上本专用钻床的加工流程中包括两个关键动作：钻头加工位置调整以及 主轴箱轴线摆动。前者之于普通钻床没有太大本质区别，即通过横臂沿立柱的 升降动作、横臂饶立柱的摆动以及主轴箱在横臂上的移动来实现。口不过由于 第二关键动作主轴线调整的存在，前一个动作的实现不得不有所改变。实 现方案有很多种，本文主要采用的方案是主轴箱与横臂一起移动。 主轴箱轴线摆动调整的问题，是本论文研究钻床的最为关键和特别之处， 这是由现场的加工条件决定的。不同于传统的摇臂钻床，本文中的工件座 环，位置固定不可调动，而传统的钻床加工是机床本身固定不动将工件置于机 床的工作台上，可通过对工件位置的任意调整来达到补偿加工垂直度的问题。 在工程现场，工件由于各方面的原因固定不动，因此为了保证加工孔的位 置要求只能在加工前对机床本身位置进行调整。本文中采用的是对钻床主轴箱 轴线进行调整，即对钻头轴线进行调整，这就需要钻头除了能实现加工动作外 还要实现能绕在水平面内的两个方向转动5 。 3 2 2 总体方案设计流程 该钻机的总体方案设计流程图如图3 一l 所示。 1 6 武汉理l = 人学硕七学位论文 图3 1 总体方案设计流程图 上述设计方案是采用现代设计方法和技术，优化设计采用的有限元的分析方法， 利用相关软件可进行有限元分析。在本论文研究中，由于工作量大，时间不够 充足，相应应用的软件局限性等原因不能全部实施和写出。口幻如专用钻床整机 的装配动态模拟运动仿真，因其装配零件数量很多，要全部三维造型和装配起 来才能实现，工作量较大，本文只就该钻床的关键机构钻头旋转调向机构进行 了虚拟装配分析及其仿真。下面是对各功能模块采用的方案具体说明： ( 1 ) 钻床主运动 电机通过横臂上的丝杠将动力传至三通机构，再由三通机构带动主轴。 电机一横臂一三通机构一主轴箱一工件 武汉理i i ：人学硕士学位论文 ( 2 ) 进给运动 进给运动通过齿轮齿条来实现，其动力来自主传动电机。 ( 3 ) 辅助运动 辅助运动包括横臂升降，横臂水平移动，横臂的摆动以及钻头在加工前的旋转 微调。 横臂升降：电机垂直丝杠横臂 横臂水平移动：电机水平丝杠横臂 钻头微调：人工馓调机构三通机构钻头 ( 4 ) 支承部件 支承部件是支撑和连接各机构和系统的重要机构，主要包括立柱、底座、座体 等。立柱的尺寸大小，材料选择，强度要求，结构是否合理，一些加工配套设 施的设计在这个设计中考虑，主要是针对导套、中间滑板及液压配重机构的设 计、布置，是一个重要的结构设计环节。 图3 2 总体方案图 1 底座；2 立柱；3 横臂；4 主轴箱 武汉理下大学硕士学位论文 结合上述功能模块分析，本钻床最终的设计总体方案如图3 2 所示。考虑到 工作的特殊性，主轴箱安装在横臂的最前端。总体结构上采用摇臂钻床的结