转子弯曲及校直技术

转子弯曲有永久性弯曲和临时性弯曲两种情况。 

        永久性弯曲是指转子轴呈弓形弯曲后无法恢复。造成永久弯曲的原因有设计制造缺陷（转轴结构不合理、材质性能不均匀）、长期停放方法不当、热态停机时未及时盘车或遭凉水急冷等。 

        临时性弯曲是指可恢复的弯曲。造成临时性弯曲的原因有预负荷过大、开机运行时暖机不充分、升速过快局部碰磨产生温升等致使转子热变形不均匀等。

1. 概 述

        转动机械是发电厂设备组成的重要部分，如汽轮机、发电机、电动机、给水泵、循环水泵、凝结水泵、风机以及各类中低压水泵等。这些设备运行性能的好坏，直接影响机组的经济性和安全性。这些转动设备在发电厂占据着极其重要的地位。而对这些转动设备最应引起重视的莫过于转子，而最易出现问题的也恰恰在转动转子上。此外，还有一些设备虽然不是转动机械，如阀门、设备的推拉机构等，这些设备中存在轴向承力的阀杆、推拉杆等，这些阀杆、推拉杆出现弯曲的几率也较大，实际检修中出现异常的几率会更高，转子、阀杆、推拉杆弯曲是发电厂设备设备故障较高的部件，转子、阀杆、推拉杆一般精度较高，价值较大，出现弯曲修复的必要性很高。在我们现场可进行操作的一般为弯曲情况测量和中小型水泵泵转子、阀杆、推拉杆的校直。

2. 转子弯曲测量前的外观检查

        对拆卸后的泵转子、阀杆、推拉杆等表面进行外观检查时，一般情况下不需要特意加以修整，只需要清除油污，用细砂布打光，对有拉毛或有毛刺的地方用什锦锉修整光滑，使泵转子清洁即可。检查是否有沟痕，转子颈表面是否有擦伤、碰痕，如果有，则应专门进行修整。清扫检查完好的转子件可进行弯曲测量。经检查，若发现有以下情况之一者应更换新转子：

1、转子表面发现裂纹，此裂纹会在交变的负载下不断发展，如不更换会导致短转子的事故。

2、转子表面有高速液流冲刷的沟槽，尤其是在键槽处。

3、转子弯曲较大，经多次校直，运行后仍发现弯曲者。

4、转子弯曲为扭曲者。

校直技术与校直设备的应用现状与发展趋势

3、技术背景 

        工业构件的精确校直是现代制造业中普遍存在、亟待解决的一个难题，其工作方法是利用金属塑性变形后产生残余变形的原理，对被校直工件在主动加载情况下使其产生与误差方向相反的塑性变形，当该塑性变形的残余变形量与误差量相等时，便实现了对工件的校直。

        轴类零件是机械工业最常见的零部件之一，如汽车上常用的台阶轴、齿轮轴、蜗杆、光轴，工具刃具上的麻花钻、拉刀，石油机械上的实心钻杆和空心钻杆等。据不完全统计，我国年产这些轴类零件的数量约为 10 亿件左右，而且随着机械制造业的发展，数量和种类还有增多的趋势。这些零件的原材料在粗加工和热处理过程中容易出现弯曲变形，如果不进行校直处理就会影响工件的后序加工和使用，甚至可能出现相当数量的废品。所以为了减少废品的数量，提高原材料的利用率，需要对这些发生弯曲变形的轴类零件进行校直处理。

        目前，我国的校直行业仍处于低水平阶段，绝大多数企业仍凭人工校直方法实施校直，校直质量全凭工人经验，效率低、劳动强度大。有的采用以普通压力机改造而成的简易设备进行校直，先由人工测量，然后由操作人员凭经验和估计来确定校直行程，最后再由检查人员检验。

        随着我国经济的持续高速发展，越来越多的企业开始提高自己的产品质量和生产效率。企业开始抛弃生产效率落后的人工校直的方法，开始寻求生产效率高，智能化程度高的自动校直机。

4、校直加工工艺现状

        校直工艺理论主要是研究通过何种工艺流程或步骤，实现工件的弹塑性变形，以消除或减少零件在机械加工或热处理过程中产生的弯曲变形，使机械零部件最终达到设计要求。

（1）采用辊式校直机实现校直

        多用于大批量的冶金型材（如棒料、圆材）生产过程中。工件在热态下，通过工件旋转进给和多校直辊反复轧制，实现工件的校直，并有效减小后续工序的加工损耗。这种方法地特点是虽有较高的精度，但一般只适用于单截面工件和毛坯的加工，对于台阶轴等需经复杂机加工的轴类零件则并不适用。

（2）松弛-蠕变法校直

        多用于小批量、大型精密轴类零件的校直加工（如汽轮机转子大轴校直），原理工件通过反复加热、加压以实现校直。其优点是加载力和残余应力小，缺点是加工时间长、温度控制比较困难。

（3）热校直（也称火焰校直）

        在大型轴类零件的修复中（如挖掘机拉紧轴的修复），受场地和环境的影响，通过加工设备进行校直的条件有限，可采用热校直的方法对弯曲轴的最高点加热，加热区材料受热膨胀体现为拉应力状态，冷却后又体现为压应力状态，两种情形下弯曲变形的差值就是校直量的大小。这种方法简便，但难以控制精度。

（4）电液脉冲法

        利用HV波在液体中形成的冲击波对工件表面形成冲击力，从而实现校直。这种方法的要点是需准确控制冲击波的方向和强度，仅用于特定的场合。

（5）3 点弯曲法

        广泛应用于中小型轴类、圆管类零件的校直加工。工件在自然冷态下校直，原理简单、实现容易，且适合于复杂零件的校直加工。国内机加工行业大多采用此类方法。

        上述校直加工工艺分别适用于不同工件和工作场地、环境，功能特点也各不相同。

5、存在的主要问题

        从国内外现有塑变校直加工技术的研究情况来看，大体上主要有以下一些问题尚待解决。

（1）校直理论分析和计算结果与校直加工时实际参数间存在偏差

        国内外研究人员从理论上对各类典型构件的塑变校直过程和机理进行了大量较为系统、深入的力学分析与计算，力图揭示塑变残余变形与加载力或行程之间的行为变化规律，并通过相应的实验加以验证。

尽管从原理和方法上基本上已经比较成熟，但计算和分析过程不可避免的要进行一些假设和简化，于是造成了理论计算结果和实际加工数据的偏差。

（2）由于塑性变形的非线性及影响因素的多元、多变性，使得工程实践中很难通过准确建模的方法进行准确的校直。

        目前国内的现状是大多由人工凭经验进行操作，效率低、精度差，使得工业构件塑变校直技术的应用受到了极大的限制，实践中有许多零件在机械加工甚至热处理等工序都已经完成的情况下由于某种原因产生了塑性变形，从而导致超差报废，造成经济上和时间上的浪费。

（3）校直机结构形式单一，可校直工件的尺寸范围具有明显的局限性。

        不论是手工操作还是自动化校直，目前国内外绝大多数校直机的结构形式的特点是校直机自身的结构强度和刚度易于保证，但本体结构过于笨重，2个立柱之间的空间距离至少要大于被校直工件的轴向尺寸。当工件长度长达十几米甚至数十米长时，如采用同样的结构形式，本体结构将会十分庞大，设备本身的加工和强度、刚度保证都将成为问题，因此，研究和开发可适用于大尺寸工件的校直加工设备，对新的结构形式进行理论上的探索与分析不但具有重要的理论意义，而且具有重要的工程应用价值。

（4）自动化、智能化水平不高

        首先须精确检测出工件弯曲变形的方向和大小，对于多段、多方向弯曲，要分别针对每个变形段的空间位姿通过数学模型的推导进行平面化处理。检测过程中针对不同的变形情况要给出最佳的检测过程时序和策略，然后根据检测数据通过坐标变换计算出工件的准确形状，获得校直原始参数。检测过程中，除了正常的传感器测试误差外，构件的定位误差、夹具的安装误差、校直机本体加工和装配误差以及本体在校直过程中的刚度变形等一系列因素都会对校直精度造成影响。

        其次，在自动化测量的基础上，实现弯曲变形的自动校直是一个复杂的过程。特别是针对多段、多向弯曲的构件，校直的时序安排和规划不同会得到完全不同的结果，校直过程本身受材料、热处理等各种非线性因素的影响，也不能采用线性控制方法实现，需要采用现代智能控制方法和策略才能完成。

        另外，针对不同类型、不同规格尺寸以及热处理规范的构件，如何保证校直控制算法的适应性，尚未得到很好的解决。一台自动精密校直机往往具有较高的价格，如果仅能适应为数不多的构件校直，势必造成校直成本的增加。