CN112091452B - 特大型高压水环真空泵异形内壁衬套及其加工装配方法 - Google Patents

特大型高压水环真空泵异形内壁衬套及其加工装配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了特大型高压水环真空泵异形内壁衬套及其加工装配方法。异形内壁衬套由多个异形内壁单段衬套组成，以一个异形内壁单段衬套为例，其沿轴向长100‑300mm，外壁呈圆筒状，横截面一半的内壁壁厚相同，另一半壁厚经逐渐变厚、变薄和再变厚之后，与内壁壁厚相同的一半衬套圆滑连接。加工时，首先利用激光切割机将整体等厚衬套切割为等厚分段衬套；后将等厚分段衬套通过工装夹具固定在立式数控铣床的工作台上；通过周铣刀对等厚分段衬套采用周边铣削的加工方法进行加工，得到异形内壁单段衬套；后将异形内壁衬套逐个安装于泵体，安装时将后一单段衬套的凸台嵌入前一单段衬套的凹槽中，安装完毕后，对凸出泵体的单段衬套部分通过立式车床车掉。

Description

特大型高压水环真空泵异形内壁衬套及其加工装配方法
技术领域
本发明属于水环式真空泵技术领域，特别涉及特大型高压水环真空泵异形内壁衬套及其加工装配方法。
背景技术
水环真空泵内部装有固定叶片且偏心布置的叶轮，叶轮通过旋转将机械能转化为水的动能形成旋转的水环，不可压缩的旋转水环与偏心布置的叶轮形成容积变化的气室，产生压力的变化达到抽吸真空的目的。由于水环真空泵因其所具有的气体等温压缩优点，作为一种输送气体的流体机械，被广泛的应用于煤矿瓦斯抽采系统中。
随着煤层开采的深度不断加深、煤层瓦斯含量增加、瓦斯抽采管网的长度不断加长以及复杂管网造成的负压损失等问题的产生，传统的单台小型水环真空泵或者并联多台小型水环真空泵抽采方式已经不能满足抽采达标需求，亟待研制能够提供大抽气量、高负压、低能耗的特大型水环真空泵。
传统的水环真空泵泵体的内壁为圆形，很难在内壁为圆形的基础上提高水环真空泵的负压。通过自由曲面变形方法和气液两相流场重构的水环泵泵体型线响应面优化算法，建立了水环泵泵体型线、叶片型线与进气口真空度之间的响应关系，找到了进气口真空度最优的复杂样条非圆泵体型线。为了实现此复杂样条非圆泵体型线，需要在传统的泵体内部装配上大型异形内壁衬套，但是大型薄壁衬套的加工仍是无法解决的技术难题。
发明内容
针对大型、薄壁、不等壁厚非圆泵体型线整体衬套加工的行业共性技术难题，提出了一种特大型高压水环真空泵异形内壁衬套及其加工装配方法。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
一种特大型高压水环真空泵异形内壁衬套，其特征在于：异形内壁衬套由多个异形内壁单段衬套组成，以一个异形内壁单段衬套为例，异形内壁单段衬套沿轴向长100-300mm，外壁呈圆筒状，其横截面一半的内壁壁厚相同，另一半壁厚经逐渐变厚、变薄和再变厚之后，与内壁壁厚相同的一半衬套圆滑连接；多个异形内壁单段衬套同轴线依次无缝对接，相邻对接端面均布有配合对接的凸台或凹槽，构成同一轴向位置厚度相同的异形内壁衬套。凸台、凹槽侧面的延长面相交于轴线，两延长面交角为7-9度。
所述的特大型高压水环真空泵异形内壁衬套，异形内壁单段衬套端面设有3-5个配合对接的凸台或凹槽。
所述的特大型高压水环真空泵异形内壁衬套，异形内壁单段衬套外壁直径为3670mm，壁厚相同部分内壁半径为1725mm。
所述的特大型高压水环真空泵异形内壁衬套，异形内壁单段衬套上的凸台高50mm，凹槽深50mm，凸台、凹槽侧面的延长面相交于轴线，两延长面交角为8度。
所述的特大型高压水环真空泵异形内壁衬套，一半壁厚逐渐变厚、变薄和再变厚的壁厚特征是根据变形方法和气液两相流场重构的水环泵泵体型线响应面优化算法，建立水环泵泵体型线、叶片型线与进气口真空度之间的响应关系，得到进气口真空度最优的复杂样条非圆泵体型线。
一种特大型高压水环真空泵异形内壁衬套的加工装配方法，其特征在于采用以下步骤：
1)利用激光切割机，将整体等厚衬套根据异形内壁单段衬套形状特征进行分段切割；
2)将单段等厚分段衬套通过三组工装夹具安装于工作台的合理位置，衬套安装在环形夹具的支撑台上，外壁紧贴环形夹具内壁，利用三段环形夹具进行定位，定位后拧紧螺母，凸台定位板和凹槽定位板通过螺栓固定在环形夹具上，安装等厚分段衬套前段时三个凹槽定位板紧贴凹槽一侧，其中两个凹槽定位板在凹槽同侧，一个凹槽定位板在凹槽另一侧，以防止加工过程中衬套的旋转移动，安装等厚分段衬套中段和等厚分段衬套后段时，三个凸台定位板分别安装在等厚分段衬套中段和等厚分段衬套后段上的三个凸台旁，安装时凸台定位板紧贴凸台，其中两个凸台定位板在凸台同侧，一个凸台定位板在凸台另一侧，以防止加工过程中衬套的旋转移动；
3)完成单段等厚分段衬套的装夹后，根据非圆薄壁体型线特征，编写数控铣床加工程序，通过数控铣床控制的周铣刀采用周边铣削的加工方法对其进行加工，得到异形内壁单段衬套；
4)装配时将异形内壁单段衬套安装于泵体中，泵体轴向长度为4050mm，异形内壁单段衬套与泵体的装配方法为热装法，将泵体加热，使泵体胀大，后安装异形内壁衬套，首先安装异形内壁单段衬套前段，后将异形内壁单段衬套中段逐个安装于泵体中，安装时将后一单段衬套的凸台嵌入前一衬套的凹槽中，最后安装异形内壁单段衬套后段，安装完毕后，对凸出泵体的单段衬套部分通过立式车床车掉，完成整个工艺过程。
所述的特大型高压水环真空泵异形内壁衬套的加工装配方法，步骤2)所述的工装夹具固定于工作台上；工作台上开有等距的定位槽；工装夹具通过定位螺栓与工作台连接，每段工装夹具通过两个定位螺栓固定于工作台上；工装夹具包括环形夹具、凸台定位板和凹槽定位板；凸台定位板和凹槽定位板上开有两个螺纹孔，环形夹具上端开有与凸台定位板和凹槽定位板上的螺纹孔孔距相匹配的多组螺纹孔，凸台定位板和凹槽定位板与环形夹具通过螺栓连接。
环形夹具内壁直径略大于等厚分段衬套外壁直径，且环形夹具具有一定的延展性以保证装夹时内壁与等厚分段衬套的紧密贴合；衬套装夹时，根据等厚分段衬套前段凹槽位置、衬套凸台位置选择位置合适的螺纹孔安装定位板；环形夹具的截面为“L形”。
单段等厚分段衬套通过三组工装夹具装夹在工作台上；衬套安装在环形夹具的支撑台上，外壁紧贴环形夹具内壁，三段环形夹具起单段等厚分段衬套的定位作用，定位后拧紧环形夹具的螺母使其固定于工作台上；三个凹槽定位板分别安装在等厚分段衬套前段的凹槽中，安装时凹槽定位板紧贴凹槽一侧，其中两个凹槽定位板在凹槽同侧，一个凹槽定位板在凹槽另一侧，以防止加工过程中衬套的旋转移动；三个凸台定位板分别安装在等厚分段衬套中段和等厚分段衬套后段上三个凸台旁，安装时凸台定位板紧贴凸台，其中两个凸台定位板在凸台同侧，一个凸台定位板在凸台另一侧。
等厚分段衬套前段在工装夹具装夹时只需更换装夹凸台定位板为凹槽定位板；凹槽定位板安装于等厚分段衬套前段的凹槽中，对等厚分段衬套前段进行定位作用。
本发明的特大型高压水环真空泵异形内壁衬套及其加工装配方法，具有以下优点和效果：
1)本发明通过激光切割机，对整体等厚衬套根据异形内壁单段衬套形状特征进行分段处理。
2)本发明首次提出大型薄壁衬套分段周铣的加工方法，通过数控铣床控制的周铣刀采用周边铣削的加工方法对每一单段等厚分段衬套进行周铣加工，得到异形内壁单段衬套，数控铣削加工精度高。
3)本发明通过工装夹具对等厚分段衬套进行装夹，通过定位螺栓将工装夹具固定在工作台上，夹具定位精度高。
4)本发明解决了大型、薄壁、不等壁厚非圆泵体型线整体衬套加工的行业共性技术难题。
附图说明
图1为本发明的整体等厚衬套示意图；
图2为本发明的激光切割后等厚分段衬套示意图；
图3为本发明的等厚分段衬套示意图；
图4为本发明的加工过程示意图；
图5为本发明的工装夹具示意图；
图6为本发明的等厚分段衬套前段装夹示意图；
图7为本发明的等厚分段衬套和异形内壁单段衬套内壁特征对比示意图；
图8为本发明的异形内壁单段衬套示意图；
图9为本发明的装配示意图。
其中：1-整体等厚衬套，2-等厚分段衬套，201-等厚分段衬套前段、202-等厚分段衬套中段、203-等厚分段衬套后段，3-工作台，4-工装夹具，401-1、401-2、401-3-环形夹具，402-1、402-2、402-3-凸台定位板，403-1、403-2、403-3-凹槽定位板，5-周铣刀，6-泵体，7-异形内壁单段衬套，701-异形内壁单段衬套前段，702-异形内壁单段衬套中段，703-异形内壁单段衬套后段。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
如图1所示，本发明的整体等厚衬套1。
如图2所示，本发明的等厚分段衬套2是由整体等厚衬套1通过激光切割的分段结构；单段等厚分段衬套2上具有凸台和凹槽。
如图3所示，本发明的等厚分段衬套2由等厚分段衬套前段201、多个等厚分段衬套中段202和等厚分段衬套后段203组成。
如图4所示，本发明的加工示意图，工作台3上开有等距的定位槽，以等厚分段衬套后段203为例，等厚分段衬套后段203通过三组工装夹具4装夹在工作台3上；通过数控铣床控制周铣刀5对等厚分段衬套后段203进行周铣加工。
如图5所示，本发明的工装夹具4示意图；衬套安装在环形夹具401-1、401-2、401-3的支撑台上，外壁紧贴环形夹具401-1、401-2、401-3内壁，三段环形夹具401-1、401-2、401-3起单段等厚分段衬套2的定位作用，定位后拧紧螺母；三个凸台定位板402-1、402-2、402-3分别安装在等厚分段衬套中段202和等厚分段衬套后段203上三个凸台旁，安装时凸台定位板402-1、402-2、402-3紧贴凸台，其中两个凸台定位板402-1、402-2固定在凸台同侧，一个凸台定位板402-3固定在凸台另一侧，以防止加工过程中衬套的旋转移动；环形夹具401的截面为“L形”，底部的支撑台可防止周铣刀5与工作台3撞刀。
如图6所示，本发明的等厚分段衬套前段201加工示意图，等厚分段衬套前段201通过工装夹具4固定在工作台3上，三个凹槽定位板403-1、403-2、403-3分别安装在等厚分段衬套前段201的凹槽中，安装时凹槽定位板403-1、403-2、403-3紧贴凹槽一侧，其中凹槽定位板403-1、403-2在凹槽同侧，一个凹槽定位板403-3在凹槽另一侧，以防止加工过程中衬套的旋转移动。
如图7所示，本发明的等厚分段衬套2和异形内壁单段衬套7内壁特征对比示意图，等厚分段衬套2内壁为等厚圆形泵体型线，异形内壁单段衬套7内壁为薄壁、不等壁厚非圆泵体型线。
如图8所示，本发明的异形内壁单段衬套7示意图，异形内壁单段衬套7是由异形内壁单段衬套前段701、多个异形内壁单段衬套中段702和异形内壁单段衬套后段703组成。
如图9所示，本发明的装配示意图，异形内壁单段衬套7安装于泵体6中，异形内壁衬套与泵体6的装配方法为热装法，将泵体加热，使泵体胀大，后安装异形内壁衬套；首先安装异形内壁单段衬套前段701，后将异形内壁单段衬套中段702逐个安装于泵体中，安装时将后一单段衬套的凸台嵌入前一衬套的凹槽中，最后安装异形内壁单段衬套后段703；安装完毕后，对凸出泵体的单段衬套部分通过立式车床车掉；完成整个工艺过程。
特大型高压水环真空泵异形内壁衬套及其加工装配方法，具体步骤如下：
1)首先利用激光切割机，将整体等厚衬套1根据异形内壁单段衬套7形状特征进行分段处理。
2)将单段等厚分段衬套2通过工装夹具401-1、401-2、401-3安装于工作台3的合理位置；衬套安装在环形夹具401-1、401-2、401-3的支撑台上，外壁紧贴环形夹具401-1、401-2、401-3内壁，利用三段环形夹具401-1、401-2、401-3进行定位，定位后拧紧螺母；凸台定位板402-1、402-2、402-3和凹槽定位板403-1、403-2、403-3通过定螺栓固定在环形夹具401-1、401-2、401-3上；安装等厚分段衬套前段201时三个凹槽定位板403-1、403-2、403-3紧贴凹槽一侧，其中两个凹槽定位板403-1、403-2在凹槽同侧，一个凹槽定位板403-3在凹槽另一侧，以防止加工过程中衬套的旋转移动；安装等厚分段衬套中段202和等厚分段衬套后段203时，三个凸台定位板402-1、402-2、402-3分别安装在等厚分段衬套中段202和等厚分段衬套后段203上的三个凸台旁，安装时凸台定位板402-1、402-2、402-3紧贴凸台，其中两个凸台定位板402-1、402-2在凸台同侧，一个凸台定位板402-3在凸台另一侧，以防止加工过程中衬套的旋转移动。
3)完成单段等厚分段衬套2的装夹后，根据非圆薄壁体型线特征，编写数控铣床加工程序，通过数控铣床控制的周铣刀5采用周边铣削的加工方法对其进行加工，得到异形内壁单段衬套7。
4)将异形内壁单段衬套7安装于泵体6中，异形内壁单段衬套7与泵体6的装配方法为热装法，将泵体加热，使泵体胀大，后安装异形内壁单段衬套7；将异形内壁单段衬套中段702逐个安装于泵体中，安装时将后一单段衬套的凸台嵌入前一衬套的凹槽中，最后安装异形内壁单段衬套后段703；安装完毕后，对凸出泵体泵体6的异形内壁单段衬套7部分通过立车的车削方除去；完成整个工艺过程。
但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上加工工艺方法所作的任何简单的修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种特大型高压水环真空泵异形内壁衬套的加工装配方法，其特征在于采用以下步骤：
1）利用激光切割机，将整体等厚衬套(1)根据异形内壁单段衬套(7)形状特征进行分段切割；
2）将单段等厚分段衬套(2)通过三组工装夹具(4)安装于工作台(3)的合理位置，衬套安装在环形夹具(401)的支撑台上，外壁紧贴环形夹具(401)内壁，利用三段环形夹具(401)进行定位，定位后拧紧螺母，凸台定位板(402)和凹槽定位板(403)通过螺栓固定在环形夹具(401)上，安装等厚分段衬套前段(201)时三个凹槽定位板(403)紧贴凹槽一侧，其中两个凹槽定位板(403)在凹槽同侧，一个凹槽定位板(403)在凹槽另一侧，以防止加工过程中衬套的旋转移动，安装等厚分段衬套中段(202)和等厚分段衬套后段(203)时，三个凸台定位板(402)分别安装在等厚分段衬套中段(202)和等厚分段衬套后段(203)上的三个凸台旁，安装时凸台定位板(402)紧贴凸台，其中两个凸台定位板(402)在凸台同侧，一个凸台定位板(402)在凸台另一侧，以防止加工过程中衬套的旋转移动；
3）完成单段等厚分段衬套(2)的装夹后，根据非圆薄壁体型线特征，编写数控铣床加工程序，通过数控铣床控制的周铣刀(5)采用周边铣削的加工方法对其进行加工，得到异形内壁单段衬套(7)；
4）装配时将异形内壁单段衬套(7)安装于泵体(6)中，泵体(6)轴向长度为4050mm，异形内壁单段衬套(7)与泵体(6)的装配方法为热装法，将泵体加热，使泵体胀大，后安装异形内壁衬套，首先安装异形内壁单段衬套前段(701)，后将异形内壁单段衬套中段(702)逐个安装于泵体中，安装时将后一单段衬套的凸台嵌入前一衬套的凹槽中，最后安装异形内壁单段衬套后段(703)，安装完毕后，对凸出泵体的单段衬套部分通过立式车床车掉，完成整个工艺过程。
2.根据权利要求1所述的特大型高压水环真空泵异形内壁衬套的加工装配方法，其特征在于：步骤2）所述的工装夹具(4)固定于工作台(3)上，工作台(3)上开有等距的定位槽，工装夹具(4)通过定位螺栓与工作台(3)连接，每段工装夹具(4)通过两个定位螺栓固定于工作台(3)上，工装夹具(4)包括环形夹具(401)、凸台定位板(402)和凹槽定位板(403)，凸台定位板(402)和凹槽定位板(403)上开有两个螺纹孔，环形夹具(401)上端开有与凸台定位板(402)和凹槽定位板(403)上的螺纹孔孔距相匹配的多组螺纹孔，凸台定位板(402)和凹槽定位板(403)与环形夹具(401)通过螺栓连接；
环形夹具(401)与等厚分段衬套(2)之间为间隙配合，且环形夹具(401)具有一定的延展性以保证装夹时内壁与等厚分段衬套(2)的紧密贴合，衬套装夹时，根据等厚分段衬套前段(201)凹槽位置、衬套凸台位置选择位置合适的螺纹孔安装定位板，环形夹具(401)的截面为“L形”；
单段等厚分段衬套(2)通过三组工装夹具(4)装夹在工作台(3)上，衬套安装在环形夹具(401)的支撑台上，外壁紧贴环形夹具(401)内壁，三段环形夹具(401)起单段等厚分段衬套(2)的定位作用，定位后拧紧环形夹具(401)的螺母使其固定于工作台(3)上，三个凹槽定位板(403)分别安装在等厚分段衬套前段(201)的凹槽中，安装时凹槽定位板(403)紧贴凹槽一侧，其中两个凹槽定位板(403)在凹槽同侧，一个凹槽定位板(403)在凹槽另一侧，以防止加工过程中衬套的旋转移动，三个凸台定位板(402)分别安装在等厚分段衬套中段(202)和等厚分段衬套后段(203)上三个凸台旁，安装时凸台定位板(402)紧贴凸台，其中两个凸台定位板(402)在凸台同侧，一个凸台定位板(402)在凸台另一侧；
等厚分段衬套前段(201)在工装夹具(4)装夹时只需更换装夹凸台定位板(402)为凹槽定位板(403)，凹槽定位板(403)安装于等厚分段衬套前段(201)的凹槽中，对等厚分段衬套前段(201)进行定位作用。
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