郑志成，张丽荣

(1.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

1 前言

大型水轮机转轮的平衡精度是水轮机能够平稳运行的重要技术指标，而转轮静平衡试验工具是对水轮机转轮进行静平衡试验的重要工艺装备，见图1。

其工作原理是将转轮悬置在平衡工具的平衡球上，通过调整使转轮和平衡工具组合后的重心低于平衡球的球心并保证合理的距离，在保证一定灵敏度的条件下获得平衡。没有经过配重的转轮悬置在平衡工具上，转轮的重心G并不再平衡球心O与球面顶点的连线OE上，而在直线OF的G'上，此时转轮处于不平衡状态，与水平线形成倾斜角度α，平衡球的接触点不是E而是F。要使转轮处于平衡状态，则必须根据水平仪的度数在R处增加配重块，使转轮绕平衡球心旋转α角，使平衡球的接触点由F点回到E点，转轮的重心G回到平衡球心O的垂直线OE上，达到稳定平衡，见图2。平衡方程为:

式中:m为转轮和平衡工具重量总和;m1为所加平衡配重块重量;R为配重块位置到转轮中心的距离;a为转轮中心偏移水平距离;μ为平衡球与平衡镜板的滚动摩擦系数。

由平衡方程我们可以看出，式中mμ是由于平衡球与平衡镜板之间的滚动摩擦形成的力矩，理想状态下该力矩为零，但在理论上该力矩是客观存在的，并且在配重过程中被计入了偏重力矩，将作为不平衡质量残留在被试验的转轮中。如果平衡球的表面粗糙度较差，会使滚动摩擦系数μ增大，从而增加残留的不平衡质量，影响转轮平衡精度。因此平衡球的表面质量成为影响转轮静平衡试验精度的一个重要因素。

图1 转轮静平衡试验工具示意图

图2 转轮静平衡试验原理图

下面介绍一种通过改进平衡球的车削工艺来提高转轮静平衡试验精度的工艺方法。

2 传统加工方法存在的问题

众所周知，在端面车削过程中，刀具越是接近工件的圆心，切削线速度就越低，在圆心处的切削线速度降低为零，因此，在靠近工件圆心的区域很难得到较好的表面粗糙度质量。平衡球球面的车削，与端面的车削原理相同，也存在这样的问题，靠近球面顶点处表面粗糙度质量较差，只能达到Ra=3.2，经过手工砂光后又会破坏球面的形状。长期以来，这已经成为我公司提高转轮静平衡试验精度的一个技术瓶颈，见图3。

图3 平衡球传统加工方法存在的问题

3 加工工艺的改进

为了突破这一技术瓶颈，提高水轮机转轮的配重精度，笔者对转轮静平衡试验的原理和操作过程进行了深入的研究。研究表明在转轮静平衡试验过程中，为了避免转轮倾倒发生危险，只允许转轮在较小的角度范围内摆动，平衡球的有效工作区域集中在以球面顶点为圆心，直径仅为Φ15 mm的较小的圆形范围内，因此，如果在平衡球车削过程中能够把工件的回转中心移出这个区域，问题就可以得到解决。

经过上述分析，对平衡球的车削工艺进行了改进。按照传统的加工工艺，平衡球的球面车削是在数控车床上一次装夹车削完成的的，见图2。经过工艺改进后，将球面的加工分为两个工步进行。首先按照传统的加工方法，对球面进行粗车，留0.3～0.5 mm余量。再使用专用夹具，重新装夹工件，使工件的轴线与机床主轴的轴线形成一个7°的夹角，对球面进行精车，去除粗车时留下的余量，见图4。为了得到较好的表面粗糙度质量，精车时应选择合理的切削用量，经过多次试切，结果表明，最佳的精车切削用量为:切削速度V=130～140 m/min，背吃刀量Ap=0.08 mm，进给量F=0.06 mm/转。通过采取这一工艺措施，在精车球面时工件的回转中心从“A”点移动到了“B”点，平衡球的有效工作区域的车削线速度得到了明显的提高，表面粗糙度由过去的Ra=3.2提高到了Ra=0.8，同时将表面粗糙度质量最差的部分移出了有效工作区域。从而解决了转轮静平衡试验工具平衡球球面顶点处表面粗糙度差，影响转轮静平衡试验精度的技术难题。

图4 改进后的加工工艺

4 结语

本文介绍的工艺方法已经在水津、蜀河、甘再、山图迪斯等水电站水轮机转轮静平衡试验工具上得到了成功的应用，实践表明，改进后的工艺方法能够有效提高平衡球的有效工作区域的表面质量，技术效果明显，使转轮静平衡试验精度得到了显著的提高，从而使转轮的配重更加精确，为减小水轮机运行过程中的震动，提高水轮机运行的平稳性起到了重要作用。希望本文能为水轮机制造同行提供参考和借鉴。