蔣 佳 馳

(中國水利水電第五工程局有限公司 機電制造安裝分局，四川 成都 610225)

1 概 述

制動器是水輪發(fā)電機組不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，其主要具有兩個作用：(1)在機組停機過程中，當轉(zhuǎn)速降低至額定轉(zhuǎn)速的15%～20%時，通過對發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行連續(xù)制動，使機組能夠迅速停機；(2)在機組檢修和安裝過程中，利用高壓油頂起轉(zhuǎn)子。由此可以看出：制動器質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響到水輪發(fā)電機組的運行可靠性，因此，在安裝前必須按設(shè)計要求和規(guī)范對其進行嚴密性耐壓試驗以檢查產(chǎn)品制造的質(zhì)量。

目前，制動器嚴密性耐壓試驗的方法是制作一個臨時鋼框架，然后將制動器手動推入鋼框架內(nèi)進行嚴密性耐壓試驗。試驗過程中，通過鋼框架保證制動器活塞能夠在設(shè)計行程范圍內(nèi)活動；同時防止回復(fù)彈簧過度壓縮。某水電站制動器嚴密性耐壓試驗的試驗壓力采用16 MPa，單個重量約為0.5 t，單臺機組布置8臺制動器，若采用現(xiàn)有技術(shù)無法進行試驗時再將制動器手動推入鋼框架內(nèi)，該環(huán)節(jié)需要多投入2～3人。為減少人員投入、提高施工效率，需要研發(fā)一種可重復(fù)使用的自動化輔助裝置，用以實現(xiàn)自動化流水線作業(yè)。

2 輔助裝置的設(shè)計

2.1 初步設(shè)計

該裝置主要由試驗架、電動機、齒輪、帶齒條的滑塊(試驗臺)、槽形滑軌、限位開關(guān)、控制箱組成。其中試驗架由多塊厚20 mm的Q235鋼板制作而成，為制動器提供外部約束，齒輪與齒條配套加工，滑塊與槽形滑軌配套加工，限位開關(guān)控制滑塊的移動，避免滑塊脫軌，控制箱控制電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

2.2 深化設(shè)計

(1)試驗架的三維仿真設(shè)計。

試驗架的作用主要是為制動器提供外部約束力，保證試驗人員和制動器的安全。如圖1所示，技術(shù)人員主要是利用proe軟件完成試驗架三維設(shè)計及仿真，根據(jù)制動器的外形尺寸確定試驗架的內(nèi)部尺寸，試驗架的外部尺寸則結(jié)合制動器進行嚴密性耐壓試驗的壓力值進行合理設(shè)計，試驗架所用鋼板的厚度均為20 mm。

圖1 試驗架三維圖

(2)試驗臺及傳動機構(gòu)三維仿真設(shè)計。

試驗前，通過電動機將制動器和試驗臺移動至試驗位置。在試驗過程中，試驗臺需承受來自制動器底座傳遞的試驗壓力和制動器自身重量；試驗結(jié)束后，再利用電動機將制動器和試驗臺移出試驗位置。利用proe軟件完成試驗臺及傳動機構(gòu)三維設(shè)計及仿真。傳動機構(gòu)由兩臺電動機、齒輪和齒條以及控制系統(tǒng)組成。試驗臺上部兩側(cè)加工成齒條，與電動機齒輪配套加工；試驗臺下部兩側(cè)與試驗架滑軌配套加工，采用限位開關(guān)控制試驗臺的位移、避免脫軌，控制系統(tǒng)主要通過一臺變頻器同時控制兩臺電動機，用以實現(xiàn)同步和自動滑動功能。

(3)輔助裝置的裝配。

如圖2所示，利用proe軟件之零件組合功能，將試驗架、試驗平臺、齒輪和電動機等部件進行裝配。裝配完成后可以拖動試驗平臺檢查運動路徑是否通暢，亦可在電動機輸出軸添加一個角加速度讓電動機帶動傳動機構(gòu)，模擬試驗臺和制動器運動(圖3)。

(4)電動機選型設(shè)計。

電動機選型前需先確定負載物(制動器)的傳送速度，然后根據(jù)傳送速度計算電動機需要輸出的軸的轉(zhuǎn)速，最后根據(jù)計算結(jié)果確認其是否需要減速裝置。筆者主要介紹了通過配置變頻器控制電動機輸出轉(zhuǎn)速的方法。

①電動機輸出軸轉(zhuǎn)速n的計算。

(1)

圖2 輔助裝置效果圖

圖3 設(shè)備運行模擬圖

式中v為負載物傳送速度,取0.1 m/s；π為圓周率，取3.14；D為齒輪分度圓直徑，m,取0.04 m。

根據(jù)式(1)可得n=47.8 r/min。由于市面上沒有適合該低轉(zhuǎn)速的電動機，因此，需考慮利用變頻器調(diào)節(jié)速度。

②電動機選型計算。

a.齒輪、齒條驅(qū)動下的負載轉(zhuǎn)矩TL和必要轉(zhuǎn)矩TM的計算：

F=FA+mg(sinα+μcosα)

(2)

(3)

式中D取0.04 m；η為機械效率，取0.9；FA為負載物所受外力，取0；μ為摩擦系數(shù)，取0.15；m為負載重量，kg，這里指試驗臺及制動器重量，約為650 kg，單個電動機負載重量為325 kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；α為傾斜角度，由于齒輪條是水平運動，故傾斜角度取0。

由式(2)可得F=325×9.8×0.15=477.75(N)，由式(3)可得：

考慮安全系數(shù)Sf=1.2，

=12.72(N·m)

將負載轉(zhuǎn)矩換算為電動機輸出軸的數(shù)值，求得必要轉(zhuǎn)矩TM。

(4)

式中i為減速比，取1；ηG為減速機效率，一般為0.6～0.8，由于未設(shè)置減速機，故取1。

由式(4)可得TM=TL=12.72(N·m)，因此，只需選擇起動轉(zhuǎn)矩大于12.72 N·m的電動機即可。

T=9 550·P/n

(5)

式中P為電動機額定功率，kW。

以Y100L1-4電動機為例，該電動機額定功率為2.2 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 420 r/min，由此計算出啟動力矩T=9 550×2.2/1 420=14.8>12.72 N·m，所選用的電動機能夠滿足負載要求。

b.變頻器工作頻率計算。

(6)

式中：p為電動機繞組極數(shù)，Y100L1-4電動機繞組極數(shù)為2；n為47.8 r/min；s為電機轉(zhuǎn)差率，一般為5%。

目前，變頻器低壓通用變頻輸出電壓為380～650 V，輸出功率為0.75～400 kW,工作頻率為0～400 Hz，因此可選擇SKIV100A2D2G-4變頻器，其低頻段輸出頻率f為0～20 Hz，能夠滿足需求。在一般額定頻率(50 Hz)之下調(diào)速采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速模式，當變頻器輸出頻率減小時，電動機轉(zhuǎn)速和電壓相應(yīng)減小，電動機輸出轉(zhuǎn)矩和電流恒定不變，均為額定值。所選用的變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，該變頻器電動機自帶正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)功能，1臺變頻器可以同時控制2臺電動機、進而保證其同步性。

(5)控制系統(tǒng)設(shè)計及接線圖。

控制系統(tǒng)由變頻器、斷路器、電動機、限位開關(guān)等組成。控制原理為變頻器控制2臺電動機同步運轉(zhuǎn)，限位開關(guān)控制試驗臺行程，當變頻器收到限位開關(guān)觸發(fā)信號時，變頻器自動關(guān)閉電動機運轉(zhuǎn)、實現(xiàn)緊急制動。其接線方式見圖4。

圖4 接線圖

3 操作方法

試驗架和試驗平臺按照三維設(shè)計尺寸制作完成后，對試驗架進行強度校核試驗，待試驗通過后進行其余部件的安裝。輔助裝置全部組裝完成后進行傳動系統(tǒng)和限位裝置的調(diào)試，以保證試驗平臺能夠在限定的行程范圍內(nèi)自動滑動、無卡阻現(xiàn)象。調(diào)試完成后，啟動變頻器，如圖4所示按下運行按鈕，電動機正轉(zhuǎn)，將試驗臺移至合適位置后按下停止按鈕，利用吊車將制動器放置在試驗臺上，切換正反啟動電動機反轉(zhuǎn)將制動器和試驗臺移動至試驗位置，利用高壓油頂起活塞使制動器上端與試驗架接觸，逐漸上升油壓至設(shè)計值，保壓30 min用以檢查制動器是否有漏油現(xiàn)象。試驗結(jié)束后，啟動電動機將制動器和試驗臺移出，然后進行下一個制動器嚴密性耐壓試驗。

4 結(jié) 語

制動器嚴密性耐壓試驗輔助裝置研發(fā)成功后，已實際應(yīng)用到水電站機電設(shè)備安裝工作中，該裝置投入使用后具有以下優(yōu)點：

(1)省時高效：由于制動器數(shù)量較多，單臺約重0.5 t，完全靠人力搬運至試驗位置費時費力，在使用該裝置后可以在工地上實現(xiàn)自動化流水作業(yè)，減少了人力投入，提高了試驗效率。

(2)重復(fù)利用：該裝置亦可以在其他項目重復(fù)使用，從而避免了資源浪費。