CN117895727B - 变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抽水蓄能机组转子冷却技术领域，公开了变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件及其加工方法，通过抽水蓄能机组转子上的相邻铜排绕组间的结构尺寸，选择与相邻铜排绕组间尺寸相匹配的矩管进行铝垫块的加工，主要包括弯曲和扭转两个步骤，且扭转过程中是在设计扭转角度的基础上，增加了一个过扭量，确保扭转时只需要经过一次扭转即可达到设计扭转角度，从而提升了对弯曲变形后的矩管扭转加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及抽水蓄能机组转子冷却技术领域，公开了一种变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件及其加工方法。
背景技术
在现代工业和机械设计中，变转速抽水蓄能机组转子中针对铜排绕组的冷却要求，需要在两个相邻铜排绕组之间设置用于通风冷却的铝垫块。为使铝垫块更好地与扭曲的铜排绕组相贴合，铝垫块一般设计为中空曲面，因其独特的结构和功能需求，成为了设计和制造的重点和难点。
这种铝垫块通常需要在内部结构中实现特定的扭转角度，以满足机组的动力传输和能量转换效率要求。然而，铝垫块的加工具有较高的技术难度，主要由于其中空且扭转的几何特性，这要求在加工过程中不仅要实现精确的几何尺寸和形状，还要保证其三维内部结构的完整性和功能性不被破坏。
传统的金属加工方法在处理此类复杂几何形状铝垫块时面临诸多挑战，尤其是在保持内部结构完整性的同时实现精确的扭转形状。作为一种替代方案，金属3D打印技术（也称为增材制造技术）提供了一种制造复杂内部结构的零部件的有效途径。这种技术能够通过逐层叠加材料来构建零部件，从而实现传统加工方法难以达到的复杂内部几何形状和扭转特性。然而，金属3D打印的成本相对较高，不仅材料成本高昂，而且设备和操作的成本也较为昂贵，这在一定程度上限制了其在成本敏感型行业的应用。
此外，现有的加工方法无法保证加工参数的精准控制，尤其是对于零件的扭转角度，往往存在扭转过量或者扭转不到位的情况，需要人工反复操作扭转，不仅效率低下，还容易在反复扭转调整过程中引发零部件疲劳损伤，大大增加了制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件及其加工方法，能够确保扭转时只需要经过一次扭转即可达到设计扭转角度，从而提升了对弯曲变形后的矩管扭转加工效率。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工方法，所述中空曲面零部件为嵌设于转子相邻铜排绕组之间的铝垫块，所述铝垫块与铜排绕组接触面为扭转曲面结构，所述铝垫块内设置有冷剂流道；所述加工方法包括：
根据相邻铜排绕组间的结构尺寸，获得用于加工铝垫块的矩管的长度、宽度、高度，以及获得矩管的弯曲角度和设计扭转角度，所述弯曲角度为弯曲变形后的矩管两个端头切向夹角；
根据所述弯曲角度，沿矩管宽度方向中轴线向矩管施加作用力，使矩管弯曲变形；
将弯曲变形后的矩管两个端头通过夹具固定，通过控制夹具转动对矩管进行扭转，且实际扭转角度大于设计扭转角度，使矩管与铜排绕组接触的端面形成扭转曲面。
进一步地，所述实际扭转角度为在设计扭转角度的基础上增加过扭量，所述过扭量根据分析获得，其中/>为扭转过程中对矩管的过扭量，单位为弧度，/>为施加到弯曲变形后的矩管的扭矩，/>为矩管的长度，/>为矩管的宽度，/>为矩管的高度，/>为矩管的剪切模量，/>为矩管材料的屈服强度，/>为矩管材料的弹性模量。
进一步地，所述弯曲角度为8～14°，所述扭转角度为5～10°。
进一步地，所述夹具包括对向设置的固定夹具和扭转夹具；所述固定夹具安装于底座上，用于夹持弯曲变形后的矩管的一个端头；所述扭转夹具通过轴承座安装于所述底座上，用于夹持弯曲变形后的矩管的另一端头；所述底座上还设置有用于驱动扭转夹具转动的驱动电机。
进一步地，扭转过程中扭转的速度0.05转/分钟。
为实现上述技术效果，本发明还提供了变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件，所述中空曲面零部件由所述的变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工方法加工而得。
进一步地，所述矩管内还设置有沿长度方向的隔板条，所述隔板条将所述矩管内腔分割为至少两个冷剂流道。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明通过抽水蓄能机组转子上的相邻铜排绕组间的结构尺寸，选择与相邻铜排绕组间尺寸相匹配的矩管进行铝垫块的加工，主要包括弯曲和扭转两个步骤，且扭转过程中是在设计扭转角度的基础上，增加了一个过扭量，确保扭转时只需要经过一次扭转即可达到设计扭转角度，从而提升了对弯曲变形后的矩管扭转加工效率。
附图说明
图1为实施例1或2中铝垫块的结构示意图；
图2为实施例2中铝垫块在夹具上的扭转结构示意图；
图3为实施例1或2中铝垫块在转子的铜排绕组件的安装结构示意图；
其中，1、铜排绕组；2、铝垫块；3、冷剂流道；4、固定夹具；5、扭转夹具；6、底座；7、驱动电机；8、隔板条。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
参见图1、图3，变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工方法，所述中空曲面零部件为嵌设于转子相邻铜排绕组1之间的铝垫块2，所述铝垫块2与铜排绕组1接触面为扭转曲面结构，所述铝垫块2内设置有冷剂流道3；所述加工方法包括：
根据相邻铜排绕组1间的结构尺寸，获得用于加工铝垫块2的矩管的长度、宽度、高度，以及获得矩管的弯曲角度和设计扭转角度，所述弯曲角度为弯曲变形后的矩管两个端头切向夹角；
根据所述弯曲角度，沿矩管宽度方向中轴线向矩管施加作用力，使矩管弯曲变形；
将弯曲变形后的矩管两个端头通过夹具固定，通过控制夹具转动对矩管进行扭转，且实际扭转角度大于设计扭转角度，使矩管与铜排绕组1接触的端面形成扭转曲面。
在本实施例中，通过抽水蓄能机组转子上的相邻铜排绕组1间的结构尺寸，选择与相邻铜排绕组1间尺寸相匹配的矩管进行铝垫块2的加工，主要包括弯曲和扭转两个步骤，且扭转过程中是在设计扭转角度的基础上，增加了一个过扭量，确保扭转时只需要经过一次扭转即可达到设计扭转角度，从而提升了对弯曲变形后的矩管扭转加工效率。
基于相同的发明构思，本实施例还提供了变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件，所述中空曲面零部件由所述的变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工方法加工而得。本实施例中，所述矩管内还设置有沿长度方向的隔板条8，所述隔板条8将所述矩管内腔分割为至少两个冷剂流道3。
实施例2
参见图1-图3，本实施例以某型变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工为例，对本发明的变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工方法流程进行详细说明，具体包括如下步骤：
步骤一、根据相邻铜排绕组1间的结构尺寸，获得用于加工铝垫块2的矩管的长度、宽度、高度，以及获得矩管的弯曲角度和设计扭转角度，所述弯曲角度为弯曲变形后的矩管两个端头切向夹角；
本实施例中选用的是6061退火状态的铝合金材料，根据相邻铜排绕组1间的结构尺寸，获得用于加工铝垫块2的矩管的长度为500mm（矩管初始工件的实际长度为520mm，两端需预留10mm的夹持量，用于夹具对弯曲后的矩管两端进行夹持固定）、宽度/>为160mm、高度/>为20mm，以及获得矩管的弯曲角度8°和设计扭转角度10°。
此外经试验测量，选用的铝合金6061矩管材料的弹性模量为68.2GPa，屈服强度为54.7MPa，泊松比0.33，剪切模量/>为25.6GPa。
步骤二、进行矩管切割：将宽度、高度符合要求的中空矩管按照要求长度切割后，得到初始工件。
步骤三、根据所述弯曲角度，沿矩管宽度方向中轴线向矩管施加作用力，使矩管弯曲变形；
本实施例中，根据所述弯曲角度，沿矩管宽度方向中轴线向矩管施加作用力，使矩管弯曲变形，使初始工件成圆弧状态，弯曲变形后的矩管两个端头切向夹角为8°；弯曲成圆弧状态的目的是保证扭转后的铝垫块2朝向转子轴的一面与能够与其对应的接触面贴合。
步骤四、将弯曲变形后的矩管两个端头通过夹具固定，通过控制夹具转动对矩管进行扭转，且实际扭转角度大于设计扭转角度，使矩管与铜排绕组1接触的端面形成扭转曲面；
本实施例中所述夹具包括对向设置的固定夹具4和扭转夹具5；所述固定夹具4安装于底座6上，用于夹持弯曲变形后的矩管的一个端头；所述扭转夹具5通过轴承座安装于所述底座6上，用于夹持弯曲变形后的矩管的另一端头；所述底座6上还设置有用于驱动扭转夹具5转动的驱动电机7。本实施例中，选用的是YS6324电机，额定功率0.18kW，额定转速1400rpm，电机输出端配设NMRV型减速机，减速机输出扭矩88N‧m，扭转过程中扭转的速度0.05转/分钟。所述实际扭转角度为在设计扭转角度的基础上增加过扭量，所述过扭量根据分析获得，其中/>为扭转过程中对矩管的过扭量，单位为弧度，/>为施加到弯曲变形后的矩管的扭矩，/>为矩管的长度，/>为矩管的宽度，/>为矩管的高度，/>为矩管的剪切模量，/>为矩管材料的屈服强度，/>为矩管材料的弹性模量。相关参数值数据计算得到扭转过程中的过扭量为0.025rad，换算为角度为1.4°，即本实施例中实际扭转角度为11.4°。
本实施例对矩管扭转过程中的过扭量计算时，考虑到了铝合金矩管塑性变形、弹性变和矩管结构刚度的影响，所得到的过扭量能够更加准确的反应在对弯曲变形后的矩管扭转时实际所需要的扭转角度，不仅保证了扭转变形后的矩管扭转曲面能与对应铜排接触面充分接触，还确保了只需要经过一次扭转即可达到设计扭转角度，从而提升了对弯曲变形后的矩管扭转加工效率。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工方法，所述中空曲面零部件为嵌设于转子相邻铜排绕组(1)之间的铝垫块(2)，所述铝垫块(2)与铜排绕组(1)接触面为扭转曲面结构，所述铝垫块(2)内设置有冷剂流道(3)；其特征在于，所述加工方法包括：
根据相邻铜排绕组(1)间的结构尺寸，获得用于加工铝垫块(2)的矩管的长度、宽度、高度，以及获得矩管的弯曲角度和设计扭转角度，所述弯曲角度为弯曲变形后的矩管两个端头切向夹角；
根据所述弯曲角度，沿矩管宽度方向中轴线向矩管施加作用力，使矩管弯曲变形；
将弯曲变形后的矩管两个端头通过夹具固定，通过控制夹具转动对矩管进行扭转，且实际扭转角度大于设计扭转角度，使矩管与铜排绕组(1)接触的端面形成扭转曲面；所述实际扭转角度为在设计扭转角度的基础上增加过扭量，所述过扭量根据分析获得，其中/>为扭转过程中对矩管的过扭量，单位为弧度，/>为施加到弯曲变形后的矩管的扭矩，/>为矩管的长度，/>为矩管的宽度，/>为矩管的高度，/>为矩管的剪切模量，/>为矩管材料的屈服强度，/>为矩管材料的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工方法，其特征在于，所述弯曲角度为8～14°，所述扭转角度为5～10°。
3.根据权利要求1所述的变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工方法，其特征在于，所述夹具包括对向设置的固定夹具(4)和扭转夹具(5)；所述固定夹具(4)安装于底座(6)上，用于夹持弯曲变形后的矩管的一个端头；所述扭转夹具(5)通过轴承座安装于所述底座(6)上，用于夹持弯曲变形后的矩管的另一端头；所述底座(6)上还设置有用于驱动扭转夹具(5)转动的驱动电机(7)。
4.根据权利要求3所述的变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工方法，其特征在于，扭转过程中扭转的速度0.05转/分钟。
5.变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件，其特征在于，所述中空曲面零部件由权利要求1-4中任意一项所述的变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件加工方法加工而得。
6.根据权利要求5所述的变转速抽水蓄能机组转子中空曲面零部件，其特征在于，所述矩管内还设置有沿长度方向的隔板条(8)，所述隔板条(8)将所述矩管内腔分割为至少两个冷剂流道(3)。
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