风力发电机转子机座筒体冷卷成型工艺皮勇刚

风力发电机转子机座筒体冷卷成型工艺皮勇刚
发布时间：2021-08-09T07:34:41.415Z 来源：《中国科技人才》2021年第12期作者：皮勇刚
[导读] 本文对风力发电机转子机座筒体制造过程中涉及到关键工序进行了分析总结，明确了下料、成型、校圆等工艺过程中涉及到的要点，解决了大直径筒体冷卷的工艺难题。

皮勇刚
东方电气集团东方电机有限公司四川德阳 618000
摘要：本文对风力发电机转子机座筒体制造过程中涉及到关键工序进行了分析总结，明确了下料、成型、校圆等工艺过程中涉及到的要点，解决了大直径筒体冷卷的工艺难题。

关键词：转子；筒体；成型；冷卷
1.前言
随着风电机组的大型化，转子机座筒体直径越来越大，因其壁厚较薄，受筒体板料自重的影响，在三辊上成型时保证筒体的圆度难度大，把相关尺寸要求控制在最佳状态，是保证整个筒体质量的关键。

本文以长度为2000mm，筒体最小厚度为54mm，筒体内直径为
Φ5300mm的单节筒体为例，对筒体卷制成型过程中的各个工序进行了总结。

2.钢板的下料
板料在三辊卷板机上成型时，由于受到辊子的碾压，板材厚度会降低，长度会增加。

基于以上原因，实际下料尺寸应比理论尺寸小。

减薄量、伸长量与卷板机的结构形式、成型工艺有关。

根据该筒节的板厚、直径和长度尺寸，在大三辊卷板机上冷卷成型几乎是纯弯曲作用，可不考虑伸长量。

板材在弯曲成型过程中，内表面受压，外表面受拉，在其端面上会存在一个过渡层即不受拉又不受压，在弯曲成型时应力等于0，这一过渡层称为中性层。

实践证明弯曲半径r与板材厚度t的比值r/t＞5时，中性层基本上处于材料的端面中心层。

当r/t＜5时，中性层会向筒体的内表面移动。

如果筒体内径r为5300mm，板厚t为54mm，r/t＞5，以中性层来计算板料的展开长度为17000mm。

在三辊卷板机上成型时，应考虑钢板两端头的剩余直边无法成型，在长度方向两端分别留出压头量500mm。

因此，筒体的最终下料长度应为 18000mm。

转子机座筒体的长度为2000mm，考虑到纵焊缝坡口须留加工量、成型后会产生的错边等因素，下料的宽度尺寸最终确定为2040mm。

由此计算出下料钢板的重量为33吨，由于受钢厂轧制设备规格尺寸以及运输的限制，该下料钢板在长度方向上采取均分二拼一的方式。

3.钢板的接料
成型钢板下料尺寸为-54×2040×9000=2件，长度方向均分二拼一装焊。

为减少焊接变形，对接缝开成非对称的X形坡口；组焊前检查钢板的毛坯尺寸、平面度和对角线公差≤2mm，同时须对坡口进行外观检查无缺陷。

当来料钢板对角线公差超差时，应划线找基准定位，以保证对接后的尺寸满足成型要求。

先划出两对接板的中心线，再划出垂直平分线。

把一张钢板在轨道钢上铺好，另一张钢板用行车吊，慢慢落在铺好的轨道钢上，根据划线调整钢板位置，保证两钢板对接后中心处的直线度≤2mm，同时调节错变量≤3mm，合格后点焊固定。

为减少焊接变形，施焊过程中一定要注意及时翻面，先焊接坡口大的一侧，待焊到近二分之一的位置时，翻面焊小坡口侧，填满后再翻面焊接大坡口侧。

整个焊接过程中要随时检查焊接变形情况，根据变形情况及时翻面调整焊接顺序。

4.划压头线和基准线
为方便成型过程中对板料进行找正，成型前须标记好钢板中心点，在钢板的一端约2米的位置划出中心线的垂线作为检查基准。

为确定成型合口后压头的气割位置，应先将钢板两端多余的压头气割位置线划出，以便气割时查找定位。

5.筒体成型
5.1成型方式的选择：
筒节的成型弯曲过程是钢板的塑性变形过程。

在成型过程中产生的塑性变形程度沿钢板厚度方向是变化的：外圆伸长，内圆缩短，中性层不变。

外圆伸长率的公式为：
ε=CS/R %，其中：
C-系数，对于碳钢，C可取50，对于高强度低合金钢，C可取65；
S-钢板厚度；
R-弯卷后的半径；
钢板在卷制时塑性变形的大小直接影响到材料冷作硬化的程度。

钢板厚度越大或卷制的筒节直径越小，则钢板的塑性变形越大，其冷作硬化越严重，则内应力也就越大。

冷作硬化程度高会严重地影响筒节的制造质量，当内应力超过材料的屈服极限时甚至产生裂纹而导致筒节报废。

为避免筒体卷制时出现以上情况，冷卷时的外圆周伸长率应根据材料不同控制在以下范围：碳素钢、16MnR，外圆周的伸长率：ε≤3%；高强度低合金钢，外圆周的伸长率：ε≤2.5%；超过上述范围时，应采取温卷或热卷的方案。

根据所选择的筒节的实际尺寸计算伸长率为 1.4%。

因此，该筒体应采用冷卷成型的工艺。

5.2成型
筒节通常是在卷板机上进行成型。

生产中常用的卷板机分为三辊卷板机和四辊卷板机。

根据成型尺寸和设备条件选择在三辊卷板机MG4160上实施卷制。

设备成型能力：冷卷极限尺寸为4000mm宽×150mm厚，最大直径Di=3500mm，材质屈服极限σS =345MPa，预弯厚度是130mm；随着材料规格厚度的变化，须根据极限能力进行换算是否具备卷制能力。

MG4160三辊卷板机上辊不进行上下移动只是旋转而，两个边辊作上下摆动，转动轴心固定；钢板在上下辊之间夹紧后往复压制产生弯曲塑性变形，最终使整块钢板卷成圆筒形。

5.2.1找正
卷制之前应将板料的中心线对中，用样板检查调整使板料的纵向中心线与辊子轴线平行，以防止成型后筒体的垂直度超差。

用行车配合工装夹具起吊把钢板送入三辊内，须保证上辊可以看到基准线。

将钢板平稳落到两下辊上，在基准线一侧用角尺靠在上辊测量到基准线的距离，调整钢板位置使其基准线与上辊切线平行度≤2mm。

检查合格后大三辊把钢板压紧，再次检测钢板与上辊切线的平行度。

5.2.2预弯
由于大三辊是对称式滚圆机，三根轴心呈等腰三角形，在弯曲过程中工件的两端必然会留有一段直头，这部分直头在三辊滚圆机上是无法解决的，通常称为直边段。

直边段的长度与卷板机的结构有关，对于常用的对称三辊卷板机，直边段约为其两下辊中心距的一半。

MG4160采用三辊独立驱动，而不是只是上辊驱动，从而增强了咬入能力，缩短了直边段。

为了获得完整的圆筒形，在弯卷前，必须先将钢板的两端进行预弯，使两端直边弯曲到所需的曲率半径后再卷弯。

把钢板滚动送回到下辊的内侧，到1m位置后退100mm下辊升起2～3mm，慢慢的向回退使钢板压头线压在上辊最底部，但要注意端头不要从下辊上滑出。

下辊上升一般为10mm，把钢板开出1m左右，再重复上述过程，用自制样板检测，压头线过去400mm的长度圆弧足够便可停止预弯，做好标记，再预弯另一端压头。

5.2.3卷制筒体
两端压头预弯好后，下辊减压到把钢板夹紧的状态，钢板开到已压好的位置，同时起下辊，起10mm左右，开动三辊，使钢板走到另一端压头处，再起10mm，开动三辊走回原位置。

重复此过程一直到压头抄拢再起，但不能超过压头线。

在卷制成型过程中，使用弧形样板检查成型曲率是否符合工艺要求。

由于板材冷卷时有回弹现象，必须施加一定的工艺过卷量。

在所需的过卷量达到要求后还应在该曲率下多次卷制以消除应力、稳定成型尺寸。

5.2.4气割压头
成型曲率达到工艺要求后，打开大三辊将筒体吊出，根据划线位置气割压头及纵缝坡口。

根据坡口样板在压头线处划出坡口尺寸，采用半自动气割制备坡口，在筒体内部铺设半自动气割轨道时，一定要注意轨道要与压头线平行。

气割出一端坡口后，检查外圆实际测量周长是否符合理论展开尺寸，确认无误后继续开另一端坡口。

气割过程中须调节火焰距离和气流量，以保证切割表面质量。

气割后打磨坡口表面去除割渣并满足探伤要求，对坡口面进行目视检查合格。

5.2.5收口、焊接纵缝
坡口制备完毕后，将筒体用行车吊进大三辊内再次卷制进行最终的收口。

收口过程中要注意控制错边量≤3mm。

合格筒体两端头采用工装板点焊固定。

筒体成型时对口处不得出现外凸形或桃尖，应内凹或平直，以减小应力集中。

5.2.6校圆
校圆时应先释放冷作应力，上辊将筒体压紧后调节下辊上升2mm，将筒体滚动三圈。

再将筒体落到自然状态测量筒体内径，若筒体椭圆度大于8mm，则把尺寸超差的最大点滚至三辊下方，两下辊降筒体夹紧后同时起5mm后左右摆动数次，最后落辊至自由状态后再次测量
内径，直至将不圆度校正至合格范围内。

6.总结
6.1钢板下料时要考虑坡口加工留量、成型时产生的端口错边量等因素，同时要根据单张钢板的厚度考虑分段下料减轻成型重量，避免自重引起筒体圆度变化。

6.2为保证筒体成型的精度，成型前必须准确的划出基准线和检查线，成型过程中根据划线找正、预弯，防止成型后筒体高度误差超标。

6.3成型收口后气割掉压头并开坡口，需要注意正反交替控制纵缝的棱角度，避免应力集中。

6.4纵焊缝焊接完毕后必须经历校圆工序，使用标准样板检查成型的曲率，保证内圆的公差满足图纸、标准要求。

6.5由于精心的操作和严格的工序质量控制，使筒节成型质量满足技术要求，组对后各项尺寸均满足了图纸尺寸要求，对风力发电机薄壁转子机座的成型工艺积累了丰富的经验。

作者简介：皮勇刚，男，1986.11出生，毕业于合肥工业大学，工程师，主要从事机械设备的制造工艺、质量管理相关工作。