一种水轮机主轴修复方法与流程

1.本发明涉及水轮机或水泵水轮机技术领域，具体涉及一种水轮机主轴修复方法，更具体的为水轮发电机组增容改造更换转轮或泵轮时，对原老旧水轮机或水泵水轮机主轴联轴孔进行扩孔修复的一种工艺方法
。


背景技术：

2.水轮发电机组长期运行后，需要进行增容改造，增容改造一般需要更换机组的核心部件
。
水轮机部分一般需要新制备转轮或导水机构等，但主轴作为核心部件，其使用寿命较长，一般不需要进行新制备，而是根据新制备的转轮的联轴孔尺寸及形位公差（销孔或销套孔尺寸）对原老旧主轴联轴孔进行扩孔修复
。
3.在设备修复过程中，老旧主轴转轮端法兰外圆及配合止口一般锈蚀很严重，不能再作为联轴销孔或销套孔镗铣加工的基准，因此，传统操作方法为：在大型卧车上进行车修处理，以提供合格的联轴孔镗铣加工基准
。
具体操作方式如下：1）老旧主轴返回加工厂，在大型卧车上进行车修检查，以发电机端法兰和滑转子为基准找正，主要车修检查主轴转轮端法兰及配合止口；2）在主轴转轮端安装镗模（新制备转轮法兰联轴孔加工使用的同一镗模），以外圆为基准找正，要求对点偏差
≤0.02mm
，圆周方向最大最小偏差
≤0.05
，使用把合螺栓进行把合，把合后要求镗模与法兰面间隙为0，镗模和主轴同钻铰定位锥销孔，安装定位销；3）镗模安装定位后，应抽检复测相关定位公差，合格后可进行联轴孔的加工
。
4.该处理方法是目前非常成熟的技术方案，但是老旧主轴必须返回同时具备大型卧车和镗床资源的加工厂才能完成主轴修复任务，主轴修复的成本较高，周期较长，不能满足当前的机组改造需求
。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种水轮机主轴修复方法，采用激光跟踪仪辅助标定找正镗模与主轴
、
机床与工件的方法，工件指主轴与镗模把合体，机床指可移动可调节三坐标镗床
。
可在不使用大型卧车和大型数控镗床的条件下，在水电站现场原位实现老旧主轴联轴孔修复，大幅降低了改造机组水轮机主轴修复的成本，缩短改造周期
。
6.本发明通过下述技术方案实现：一种水轮机主轴修复方法，包括下述步骤：
s1、
全面清理主轴后，将主轴吊装在主轴支撑装置上；
s2、
安装镗模，将镗模安装在主轴转轮端法兰面处，沿镗模外圆方向检查镗模与发电机端法兰把合面间隙，使局部偏差
≤0.02mm
；
s3、
使用激光跟踪仪辅助标定找正镗模与主轴，以主轴发电机端法兰外圆及滑转子外圆拟合轴线为基准找正，镗模定位后，把紧镗模固定螺栓，与主轴同钻铰至少2个定位锥销孔，装入锥销，固定镗模；
s4、
使用激光跟踪仪辅助标定找正机床与工件，所述机床是三坐标落地镗床，工件指主轴与镗模找正后的把合整体；
s5、
复检工件与机床找正；
s6、
进行联轴孔的加工，使加工后的联轴孔与镗模上的镗模孔一一对应；
s7、
将修复后的主轴装配在转轮上
。
7.进一步的，步骤
s3
中的找正方法包括下述步骤：
s31、
在主轴两侧设置两个激光跟踪仪测量站位点，两个站位位于主轴轴线中间位置，分别记为a站和b站；
s32、
在主轴下方，发电机法兰位置布置至少5个激光跟踪仪转站基准点，基准点空间分布高低错落，基准点轴向长度不低于主轴总长的
80%
；
s33、
使用激光跟踪仪采集
a、b
站相应数据，在a站对主轴的发电机端法兰外圆
、
滑转子
、
镗模外圆进行测量，测量数据密度要求为：周向和径向测量点间距控制在
50
±
5mm
；
s34、
当a站数据采集完成后，对采集的测量数据进行可靠性评估，如果评估合格，则对转站基准点空间位置坐标进行采集并进入下一步；如果评估后不合格，则需重新进行数据采集；
s35、
将激光跟踪仪搬运至b站，对转站基准点空间位置坐标进行采集，通过转站基准点将b站激光跟踪仪测量坐标系原点变换到a站激光跟踪仪的坐标系原点，转站基准点转换对齐偏差控制在
0.01mm/m
内，再在b站采集发电机端法兰外圆
、
滑转子
、
镗模外圆的数据，并对采集后的测量数据进行可靠性评估；
s36、
将a站和b站采集的数据进行合并；
s37、
利用合并后的测量数据，分别对发电机端法兰外圆
、
滑转子
、
镗模外圆进行拟合，测量数据显示的圆度
、
圆柱度控制在
0.04mm
以内；
s38、
以滑转子中心和发电机端法兰中心连接的轴线为基准，计算出镗模中心偏差（
x,y
），其中，
x
为水平方向偏差，y大地铅锤方向偏差；
s39、
根据测量结果调整镗模，最终保证
x≤0.03mm、y≤0.03mm
，以滑转子中心和发电机端法兰中心连接的轴线与镗模平面的垂直度
≤0.05mm
，镗模自身的平面度
≤0.03mm
，使镗模与主轴间隙满足
s2
要求
。
8.进一步的，步骤
s34、s35
中，测量数据进行可靠性评估要求为：发电机端法兰外圆和镗模外圆测量数据圆度拟合偏差控制在
0.03mm
以内，超出偏差数据点作为杂点剔除；滑转子测量数据进行圆柱拟合，拟合偏差控制在
0.03mm
以内，超出偏差数据点作为杂点剔除
。
9.进一步的，步骤
s4
中，所述三坐标落地镗床为可移动
、
可调节方位的三坐标落地镗床，该三坐标落地镗床的主轴方位上可调距离
0~5mm
，使机床主轴与工件同心
、
平行
。
10.进一步的，步骤
s5
中，机床找正方法包括下述步骤：
s51、
在主工件和机床之间设置激光跟踪仪测量站点位，记为c站，c站确保激光测量位置能覆盖镗模外圆
1/2、
平面
、
机床主轴外圆
1/2
区域
、
机床立柱基准平面；
s52、
采用激光跟踪仪在c站对镗模法兰外圆及平面
、
机床主轴外圆
、
机床立柱基准平面进行测量，测量数据密度要求为：周向和径向测量点间距控制在
50
±
5mm
；
s53、c
站数据采集完成后，对采集的测量数据进行可靠性评估，评估结果符合要求时，进入下一步；评估结果不符合要求时，重新进行数据采集，重复步骤
s51~s53
；
s54、
根据前述测量结果计算出镗模平面和机床立柱基准平面的平行度，要求平行度
≤0.02
；计算出镗模中心和机床主轴中心连接的轴线与镗模平面的垂直度，要求垂直度
≤0.02mm
；再根据测量计算结果调整机床，最终保证平行度和垂直度要求
。
11.进一步的，步骤
s53
中，评估要求为：镗模外圆和机床主轴外圆测量数据圆度拟合偏差控制在
0.02mm
以内；镗模平面
、
机床立柱基准平测量数据平面度拟合偏差控制在
0.02mm
以内，超出偏差数据点作为杂点剔除，数据的有效率不低于
95%
，如果测量数据拟合精度无法满足
0.02mm
以内的要求，则重新进行数据采集
。
12.进一步的，步骤
s5
中，采用百分表复检机床与工件找正情况，用百分表检查镗模平面水平及垂直位移偏差，找正偏差
≤0.02mm
；用百分表检查镗模外圆或内圆的轴向位移偏差，圆周均匀对称测量至少8个点位，对点找正偏差
≤0.02mm。
13.进一步的，步骤
s6
中，所述联轴孔的加工方法包括下述步骤：
s61、
使用百分表找镗模孔中心，根据镗模孔中心半精加工第1个法兰上的联轴孔，单边余量不小于
0.5mm
；
s62、
再使用百分表重新找镗模孔中心，偏差
≤
φ
0.01mm
，精加工第1个联轴孔；
s63、
再使用内径千分尺在孔深度中间位置对称的两个方向检查该联轴孔的加工尺寸；
s64、
使用百分表沿孔轴线方向检查联轴孔与把合面的垂直度，偏差
≤0.02mm
，使用百分表检查法兰联轴孔与镗模对应孔的同心度，偏差
≤
φ
0.02mm
；
s65、
不施压条件下，装入检验销检查，确定联轴孔符合要求，当联轴孔尺寸不符合要求时，重复步骤
s61~s62
，再二次精加工第1个联轴孔，并装配匹配相应大小的销子或销套；
s66、
按步骤
s61~s65
加工并检查其余孔；
s67、
最后按镗模孔编号一一对应标记法兰上的联轴孔
。
14.进一步的，使用激光跟踪仪进行测量时，仪器预热时间不少于
20min
，预热完成后进行前后视精度检查并校准补偿，前后视角度偏差控制万分之五度以内，打开激光跟踪仪
ifm
干涉测距功能，使用球度为
±
0.003mm
的光学球棱镜进行数据采集，数据采集时避免测量现场由于振动
、
气流扰动影响测量精度
。
15.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：一
、
本发明中，在不使用大型卧车和大型数控镗床的条件下，可在水电站现场原位实现老旧主轴联轴孔修复，采用“可移动可调节式三坐标镗床
+
激光跟踪仪”即可精准完成联轴销孔或销套孔的加工，该方法已得到工程应用，效果优异，大幅降低了改造机组水轮机主轴修复的周期和成本
。
16.二
、
本发明中，使用激光跟踪仪辅助标定找正机床与工件，所述机床是三坐标落地镗床，工件指主轴与镗模找正后的把合整体，所述三坐标落地镗床为可移动
、
可调节方位的三坐标落地镗床，该三坐标落地镗床的主轴方位上可调距离
0~5mm
，使机床主轴与工件同心
、
平行，该机床本身具备重量轻
、
易调位的优点
。
大型工件因重量重
、
尺寸大原因难以微调方位，因此，本方案中使工件不动，调整机床，最终实现主轴的修复
。
附图说明
17.图1是本发明涉及的装置图示
。
18.图2是激光跟踪仪辅助镗模与主轴找正图示
。
19.图3是激光跟踪仪辅助机床与工件找正方案示意图
。
20.图4是图3中工件的右视图
。
21.图5是转轮端法兰与镗模的剖面示意图
。
22.图6是图3中镗床的示意图
。
23.图7是联轴孔加工流程图示
。
24.图8是实际测量
、
计算的示意图
。
25.图中：
1、
发电机端法兰；
2、
主轴支撑装置；
3、
主轴；
4、
激光跟踪仪；
5、
滑转子；
6、
转轮端法兰；
7、
镗模；
8、
镗床主轴；
9、
镗床立柱；
10、
联轴孔；
11、
镗模孔；
12、
定位锥销孔或把合螺孔
。
具体实施方式
26.下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此
。
27.实施例1本实施例以一种水轮发电机组增容改造更换转轮，对原老旧水轮机主轴联轴孔进行扩孔修复的工艺为例，进一步说明本方案的水轮机主轴修复方法，同样适用于水泵水轮机主轴联轴孔的扩孔修复，属于水轮机或水泵水轮机技术领域
。
28.一种水轮机主轴修复方法，参考图
1-8
，包括下述步骤：步骤一
、
全面清理主轴后，将主轴吊装在主轴支撑装置2上
。
29.步骤二
、
安装镗模7，将镗模7安装在主轴转轮端法兰6面处，沿镗模7外圆方向检查镗7模与主轴转轮端法兰6把合面间隙，要求基本为0，使局部偏差
≤0.02mm。
30.步骤三
、
使用激光跟踪仪4辅助标定找正镗模7与主轴3，主轴转轮端法兰6外圆及止口锈蚀严重，不能作为找正基准，因此以主轴发电机端法兰1外圆及滑转子5外圆拟合轴线为基准找正，镗模7定位后，把紧镗模7的固定螺栓，与主轴3同钻铰至少2个定位锥销孔
12
，本实施例中设置4个定位锥销孔
12
，装入锥销，固定镗模
。
31.本步骤中，涉及的找正方法包括下述操作步骤：
s31、
在主轴两侧设置两个激光跟踪仪测量站位点，两个站位位于主轴轴线中间位置，分别记为a站和b站，参考图
1。
32.s32、
在主轴下方，发电机端法兰1位置布置至少5个（一般设计
5~6
个基准点）激光跟踪仪转站基准点，基准点空间分布高低错落，基准点轴向长度不低于主轴总长的
80%。
33.s33、
使用激光跟踪仪4采集
a、b
站相应数据，在a站对主轴的发电机端法兰1外圆
、
滑转子
5、
镗模7外圆进行测量，测量数据密度要求为：周向和径向测量点间距控制在
50
±
5mm。
34.使用激光跟踪仪4采集数据时，在测量前将激光跟踪仪4预热时间不少于
20min
，预热完成后进行前
、
后视精度检查并校准补偿，前后视角度偏差控制万分之五度以内
。
并打开激光跟踪仪4的
ifm
干涉测距功能，使用球度为
±
0.003mm
的光学球棱镜进行数据采集，数据采集时测量现场尽量避免有较强振动
、
气流扰动等影响测量精度的环境因素，实际操作时，
激光跟踪仪专业测量人员靠经验判断振动和气流情况，以采集满足要的数据
。
35.s34、
当a站数据采集完成后，对采集的测量数据进行可靠性评估，如果评估合格，则对转站基准点空间位置坐标进行采集并进入下一步；如果评估后不合格（即测量数据拟合精度无法满足
0.03mm
的要求），则需重新进行数据采集
。
36.该步骤中，测量数据进行可靠性评估要求为：发电机端法兰1外圆和镗模7外圆测量数据圆度拟合偏差控制在
0.03mm
以内，超出偏差数据点作为杂点剔除；滑转子5测量数据进行圆柱拟合，拟合偏差控制在
0.03mm
以内，超出偏差数据点作为杂点剔除，被剔除的杂点不超过
5%
，若杂点超过
5%
应重新选取数据点进行考察
。
37.s35、a
站测量数据拟合精度经确认满足要求后，将激光跟踪仪4搬运至b站，对转站基准点空间位置坐标进行采集，通过转站基准点将b站激光跟踪仪4测量坐标系原点变换到a站激光跟踪仪的坐标系原点，转站基准点转换对齐偏差控制在
0.01mm/m
内，再在b站采集发电机端法兰1外圆
、
滑转子
5、
镗模7外圆的数据，并对采集后的测量数据进行可靠性评估，b站发电机端法兰1外圆
、
滑转子
5、
镗模7外圆的数据采集和数据可靠性评估与a站相同
。
38.该步骤中，测量数据进行可靠性评估要求为：发电机端法兰1外圆和镗模7外圆测量数据圆度拟合偏差控制在
0.03mm
以内，超出偏差数据点作为杂点剔除；滑转子5测量数据进行圆柱拟合，拟合偏差控制在
0.03mm
以内，超出偏差数据点作为杂点剔除，被剔除的杂点不应超过
5%
，若杂点超过
5%
应重新选取数据点进行考察
。
39.s36、
将a站和b站采集的数据进行合并
。
40.s37、
利用合并后的测量数据，分别对发电机端法兰1外圆
、
滑转子
5、
镗模7外圆进行拟合，测量数据显示的圆度
、
圆柱度控制在
0.04mm
以内
。
41.s38、
以滑转子5中心和发电机端法兰1中心连接的轴线为基准，计算出镗模7中心偏差（
x,y
），其中，
x
为水平方向偏差，y大地铅锤方向偏差
。
42.s39、
根据测量结果调整镗模7，最终保证
x≤0.03mm、y≤0.03mm
，以滑转子5中心和发电机端法兰1中心连接的轴线与镗模7平面的垂直度
≤0.05mm
，镗模7自身的平面度
≤0.03mm
，使镗模7与主轴3间隙满足
s2
要求
。
43.步骤四
、
使用激光跟踪仪4辅助标定找正机床与工件，所述机床是三坐标落地镗床，工件指主轴与镗模找正后的把合整体；所述三坐标落地镗床为可移动
、
可调节方位的三坐标落地镗床，该三坐标落地镗床的主轴方位上可调距离
0~5mm
，使机床主轴与工件同心
、
平行
。
44.步骤五
、
复检工件与机床找正；该步骤中，机床找正方法包括下述步骤：
s51、
在主工件和机床之间设置激光跟踪仪测量站点位，记为c站，参考图3，c站确保激光测量位置能覆盖镗模7外圆
1/2、
平面
、
镗床主轴8外圆
1/2
区域
、
镗床立柱9基准平面
。
45.s52、
采用激光跟踪仪4在c站对镗模7外圆及平面
、
镗床主轴8外圆
、
镗床立柱9基准平面进行测量，测量数据密度要求为：周向和径向测量点间距控制在
50
±
5mm。
46.使用激光跟踪仪4采集数据时，在测量前将激光跟踪仪4预热时间不少于
20min
，预热完成后进行前
、
后视精度检查并校准补偿，前后视角度偏差控制万分之五度以内
。
并打开激光跟踪仪4的
ifm
干涉测距功能，使用球度为
±
0.003mm
的光学球棱镜进行数据采集，数据采集时测量现场不应有较强振动
、
气流扰动等影响测量精度的环境因素，实际操作时，激光
跟踪仪专业测量人员靠经验判断振动和气流情况，以采集满足要的数据
。
47.s53、c
站数据采集完成后，对采集的测量数据进行可靠性评估，评估结果符合要求时，进入下一步；评估结果不符合要求（即测量数据拟合精度无法满足
0.02mm
）时，需重新进行数据采集，重复步骤
s51~s52
；步骤
s53
中，评估要求为：镗模7外圆和镗床主轴8外圆测量数据圆度拟合偏差控制在
0.02mm
以内；镗模7平面
、
镗床立柱9基准平测量数据平面度拟合偏差控制在
0.02mm
以内，超出偏差数据点作为杂点剔除，数据的有效率不低于
95%
，如果测量数据拟合精度无法满足
0.02mm
以内的要求，则重新进行数据采集
。
48.s54、
根据前述测量结果计算出镗模7平面和镗床立柱7基准平面的平行度，要求平行度
≤0.02
；计算出镗模7中心和镗床主轴8中心连接的轴线与镗模7平面的垂直度，要求垂直度
≤0.02mm
；再根据测量计算结果调整机床，最终保证平行度和垂直度要求
。
49.本步骤中采用百分表复检工件与机床找正情况，用百分表检查镗模平面水平及垂直位移偏差，找正偏差
≤0.02mm
；用百分表检查镗模4外圆或内圆的轴向位移偏差，圆周均匀对称测量至少8个点位，对点找正偏差
≤0.02mm。
50.步骤六
、
进行联轴孔
10
的加工，使加工后的联轴孔
10
与镗模7上的镗模孔
11
一一对应；该步骤中，所述联轴孔
10
的加工方法包括下述步骤：
s61、
使用百分表找镗模孔
11
中心，参考图6，根据镗模孔
11
中心半精加工第1个法兰上的联轴孔
10
，单边余量不小于
0.5mm
；
s62、
再使用百分表重新找镗模孔
11
中心，偏差
≤
φ
0.01mm
，精加工第1个联轴孔
10
；
s63、
再使用内径千分尺在孔深度中间位置对称的两个方向检查该联轴孔
10
的加工尺寸；
s64、
使用百分表沿孔轴线方向检查联轴孔
10
与把合面的垂直度，参考图6，偏差
≤0.02mm
，使用百分表检查法兰联轴孔
10
与镗模7对应孔的同心度，偏差
≤
φ
0.02mm
；
s65、
不施压条件下，装入检验销检查，参考图6，确定联轴孔
10
符合要求，当联轴孔
10
尺寸不符合要求时，重复步骤
s61~s62
，再二次精加工第1个联轴孔
10
，并装配匹配相应大小的销子或销套；
s66、
按步骤
s61~s65
加工并检查其余孔；
s67、
最后按镗模孔
11
编号一一对应标记法兰上的联轴孔
10。
51.步骤七
、
将修复后的主轴3装配在转轮上
。
52.采用本方法可实现在不使用大型卧车和大型数控镗床的条件下，在水电站现场原位实现老旧主轴联轴孔修复，采用“可移动可调节式三坐标镗床
+
激光跟踪仪
”ꢀ
即可精准完成联轴销孔或销套孔的加工，该方法已得到工程应用，效果优异，大幅降低了改造机组水轮机主轴修复的周期和成本
。
53.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改
、
等同变化，均落入本发明的保护范围之内
。