對超重型核電轉子.ppt

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1、對超重型核電轉子專用數(shù)控軸向輪槽銑床的介紹,機械工程 李志偉,什么是超重型核電轉子專用數(shù)控軸向輪槽銑床 本次實習的任務和進展 對改進超重型核電轉子專用數(shù)控軸向輪槽銑床的一些構想,超重型核電轉子專用數(shù)控軸向輪槽銑床（簡稱為核電轉子輪槽銑床）是專門用來加工核電轉子輪槽的關鍵設備 。,現(xiàn)代機械制造向著高效率、高速度、高質(zhì)量和高精度發(fā)展，同時隨著我國制造業(yè)的不斷完善，超大型設備的研發(fā)和制造越來越受到國家的重視.,核電轉子輪槽銑床是加工核電轉子輪槽的關鍵設備，它性能的好壞直接決定著核電轉子的加工精度和是否能正常的投入實際生產(chǎn)當中。,由于核電轉子零件價值量高，焊接毛坯就要8000多萬，精車完成后價值差不

2、多達到1個億，因此要求機床有較高的精度和精度保持性、有較高的可靠性和加工效率。,由于超重型核電轉子專用數(shù)控軸向輪槽銑床的研究，歸屬于2011年高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備科技重大專項的項目二（重點領域關鍵設備）之課題14（轉子軸向輪槽銑床）。,本課題自主開發(fā)研制的國產(chǎn)化核電轉子輪槽銑床，將滿足能源動力領域中百萬等級核電轉子軸向輪槽加工需要，在核電設備轉子制造行業(yè)進行示范應用。,課題將圍繞2臺核電轉子輪槽銑樣機，進行整機優(yōu)化設計和制造技術、大扭矩高剛性主傳動系統(tǒng)的設計與制造技術、帶阻尼技術的重載滾動導軌副的設計和制造技術、高精度分度回轉裝置和重型支撐裝置的設計與制造技術、核電轉子輪槽銑加工工藝研究

3、和輪槽成形刀具設計技術、核電轉子輪槽銑床熱變形規(guī)律及對策、核電轉子輪槽銑床的檢測和補償技術等進行研究，在此基礎上開展相關技術規(guī)范和技術標準研究。,西南科技大學承擔對核電轉子輪槽銑床熱變形規(guī)律及對策研究/核電轉子輪槽銑床設計、制造和運行可靠性分析。 其中包含三個具體的研究內(nèi)容：,1.實現(xiàn)超重載轉子輪槽銑床現(xiàn)場可靠性考核方法 2.提高超重載轉子輪槽銑床的可靠性和加工穩(wěn)定性 3.對機床加工的熱變形規(guī)律進行研究，提出熱變形預測和補償方法,解決的主要技術難點和問題：,1.核電轉子輪槽銑床可靠性設計 在機床設計階段，建立可靠性分配設計準則和可靠性綜合設計方法。 2.核電轉子輪槽銑床可靠性制造 通過關鍵工序

4、、工藝過程和關鍵配套件、外購件的可靠性保證來實現(xiàn)超重載轉子輪槽銑床可靠性制造。在產(chǎn)品制造、裝配等工藝過程，對關鍵制造工序和裝配工序建立可靠性保證體系。,3.核電轉子輪槽銑床運行可靠性 將核電轉子輪槽銑床早期故障暴露和消除在機床投入實際生產(chǎn)之前，要在產(chǎn)品樣機總裝后進行可靠性試驗。通過試驗有針對性的暴露產(chǎn)品潛在故障，研究和分析故障源，確切診斷故障模式和故障部位，進行故障部位、模式、原因分析，研究和開發(fā)故障糾正的技術措施，消除隱患，既能排除早期故障，又能促使可靠性增長。,根據(jù)可靠性試驗結果，對存在的問題進行設計、工藝等方面的改進，提高產(chǎn)品可靠性指標，使項目產(chǎn)品可以達到或接近國際同類產(chǎn)品可靠性水平。

5、可靠性試驗過程發(fā)生故障時間的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)可靠性評估體系和評價方法，對研發(fā)的超重載轉子輪槽銑床進行可靠性評價。,4.核電轉子輪槽銑床熱變形規(guī)律及對策研究 機床在運動及加工過程中將產(chǎn)生大量的熱，這將對機床的精度及加工造成嚴重的影響。因此在機床設計時應充分考慮其熱變形規(guī)律，采用相應結構來保持其熱平衡性，保證機床精度的穩(wěn)定性。主要研究內(nèi)容為：,（1）機床熱變形的產(chǎn)生和熱源 機床在工作中受到多種熱源的影響，熱源產(chǎn)生的熱量通過各種不同的方式傳遞給機床，造成床身翹曲、導軌彎曲等，即機床熱變形，加工過程中出現(xiàn)的熱源包括（切削熱、運動副的摩擦熱和動力源的發(fā)熱、輻射與周圍環(huán)境等其他熱源）。,除了加工時的切屑熱

6、量、運動部件運行產(chǎn)生的熱量會影響機床的精度和工件加工精度外，核電轉子輪槽加工時間長達40天以上，機床精度受環(huán)境溫度變化影響也很大。研究機床的發(fā)熱源及發(fā)熱機理，找出規(guī)律和解決辦法也是必須的。,（2）研究熱變形對機床加工精度的影響 （3）機床熱變形的控制與防止 提高機床熱態(tài)加工精度的方法有許多，但主要可分為結構熱優(yōu)化設計、溫度控制技術和熱補償技術三類。,熱誤差補償技術 通過傳感器對機床在線采集數(shù)據(jù)(如熱位移或溫度)，進行AD轉換，再經(jīng)過建立的熱誤差模型，對誤差進行預測，然后進行補償。它的關鍵技術就是建立好的熱誤差模型和誤差補償策略。還可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡的方法進行熱誤差補償。,核電轉子輪槽銑床可靠性具

7、體研究,由于核電轉子輪槽銑床的體積較龐大，價格較昂貴，在使用條件下不確定因素較多，許多故障只有在用戶使用中才能暴露出來，機床的可靠性強調(diào)在生產(chǎn)現(xiàn)場運轉中的功能維持性，所以通過現(xiàn)場實際運行暴露出的故障，才能反映發(fā)生故障的真實情況，故采用現(xiàn)場試驗方法采集故障信息。,按數(shù)控機床可靠性現(xiàn)場試驗規(guī)范選擇CX056和CX062輪槽銑床作為現(xiàn)場試驗的樣本，數(shù)控系統(tǒng)配置是西門子系列，主要配套件如裝卡附件、液壓系統(tǒng)和轉塔刀架等均為國產(chǎn)。機床已經(jīng)投入實際生產(chǎn)，每天兩班制生產(chǎn)，滿負荷工作。（注:參考機床2011年1月-12月故障記錄）,可靠性指標評價,故障間隔時間分布模型的參數(shù)估計和假設檢驗 采用定時截尾的試驗方法

8、，收集了核電轉子輪槽銑床40條故障數(shù)據(jù)，當故障間隔時間服從指數(shù)分布時，記 ，t0，采用矩法估計進行參數(shù)估計，d檢驗法進行假設檢驗。,故障部位分析,1 故障部位統(tǒng)計 將機床分為20個子系統(tǒng)。本次試驗過程有14個子系統(tǒng)發(fā)生故障，累計故障數(shù)40個，每個子系統(tǒng)發(fā)生故障的次數(shù)與頻率見表1,,由表1可看出國產(chǎn)超重型核電轉子專用數(shù)控軸向輪槽銑床的電器系統(tǒng)是發(fā)生故障最頻繁的部位，故障率遠遠高于其他子系統(tǒng)，主要是因為電器元器件松動而造成接觸不良；液壓系統(tǒng)的故障主要是因為液、油滲漏；裝卡附件的故障，主要是因為拉桿與卡盤內(nèi)套連接的螺紋松動等原因；刀具夾緊系統(tǒng)的故障主要是因為刀架內(nèi)部機械錯位和刀架編碼錯誤

9、。,2 故障模式分布 機床的故障模式分為損壞型、松動型、滲漏或堵塞型、失調(diào)型、功能型、狀態(tài)型、工藝型和其它型等8大類。結合一年的故障記錄，每種故障模式發(fā)生故障的次數(shù)與頻率見表2,,由表2看出，最頻繁的故障模式是運動部件誤動作和不能正常操作，依次為工作精度超標，液、油滲漏，元器件功能喪失，主軸失調(diào)和轉位、移位不到位等。,3 故障原因分析 為了探尋產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用過程中，產(chǎn)生故障涉及到的環(huán)節(jié)和職能部門，對國產(chǎn)機床按產(chǎn)品生命周期過程進行分類，即將發(fā)生故障的原因分為設計、制造、裝配、外購/外協(xié)和用戶使用。每類故障的頻率見表3,從表3可看出，外購/外協(xié)件、裝配過程、制造工藝及用戶使用不當是造成國產(chǎn)超重型

10、核電轉子專用數(shù)控軸向輪槽銑床可靠性不高的重要原因。,4 核電轉子輪槽銑床危害度分析 故障模式分析不僅是對每種故障模式發(fā)生故障的次數(shù)與頻率的數(shù)理統(tǒng)計(故障模式分布)，也是進一步分析各種故障模式對CNC機床造成的危害程度。CNC機床危害度分析是研究每一故障模式的嚴酷度等級及零部件基本故障率的綜合影響。,CNC機床發(fā)生故障的14個子系統(tǒng)，其危害度依次為電氣系統(tǒng)CR1、裝卡附件CR2、CNC系統(tǒng)CR3、轉塔刀架CR4、液壓系統(tǒng)CR5、主軸組件CR6、防護裝置CR7、主軸箱CR8、主傳動系統(tǒng)CR9、X軸進給系統(tǒng)CR10、電源CR11、Z軸進給系統(tǒng)CR12、初始化模塊CR13和伺服控制單元CR14。,零部

11、件i以故障模式j發(fā)生故障致使該零部件發(fā)生故障的危害度CRij，計算公式為 零部件i對整機的危害度為: CR =,CR =,為零部件i以故障模式j發(fā)生故障的概率，計算公式為: 依據(jù)試驗紀錄得到14個了系統(tǒng)(零部件i)出現(xiàn)各種故障模式(故障模式j)的次數(shù)可以求出 ,如表4所示。 表示發(fā)生故障造成損傷，稱為條件概率。當 = 1. 0時，肯定發(fā)生損傷； =0. 5時，可能發(fā)生損傷； =0. 1時，很少發(fā)生損傷； =0時，表示無影響。,入表示零部件i的基本故障率，本文為通過現(xiàn)場試驗得到的平均故障率,5 機床危害度統(tǒng)計及分析 記錄超重型核電轉子專用數(shù)控軸向輪槽銑床現(xiàn)場試驗的累積工作時間為576

12、0 h(雙班制)，由(4)式算得發(fā)生故障的14個子系統(tǒng)的平均故障率。14個子系統(tǒng)發(fā)生的故障模式及其危害度見表4,,由表4可見，電器系統(tǒng)危害度最高，其次是裝卡附件、刀具裝夾系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、主軸組件、防護裝置、主軸箱、主傳動系統(tǒng)、X軸進給系統(tǒng)、電源、Y軸進給系統(tǒng)、初始化模塊、伺服控制單元。其中，電氣系統(tǒng)、裝卡附件、刀具裝夾系統(tǒng)、CNC系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是其最薄弱的環(huán)節(jié)，應重點進行可靠性改進。,6 機床平均間隔時間與固有可用度 綜上分析可得超重型核電轉子專用數(shù)控軸向輪槽銑床的平均故障間隔時間(MTBF)為： MTBF= h 平均維修時間MTTR和固有可用度 平

13、均維修時間的觀測值是維修時間的總和與修復的產(chǎn)品數(shù)之比。該型數(shù)控車床平均維修時間觀測值按下式求得: MTTR=,固有可用度又稱穩(wěn)態(tài)有效度，它綜合了可靠度和維修度的廣義可靠性特征量，其表達式為： = 可見 越大，表示整機有效工作程度越高。增大固有可用度的途徑是增大MTBF并減小MTTR。,核電轉子輪槽銑床可靠性改進措施,通過上述分析，對超重型核電轉子專用數(shù)控軸向輪槽銑床的可靠性有了一定認識，提出一些可靠性設計改進措施。,1.電氣設計采用模塊化設計，同時根據(jù)用戶的要求，不斷地增加新模塊，全部電氣件要經(jīng)過多次層層選擇，凡是用戶反饋意見中發(fā)現(xiàn)易出故障的電氣件，堅決換掉，重新選擇新件。改進

14、工件及刀具的冷卻系統(tǒng)，冷卻油可隨不同的刀具位置而調(diào)節(jié)，這樣既提高了冷卻工件及刀具的可靠性，又節(jié)約了冷卻油。改進潤滑系統(tǒng)，采用阻尼系統(tǒng)對各不同的潤滑點按比例進行精確供油，使?jié)櫥_到最佳效果。,2.數(shù)控機床的許多故障與關鍵工序和裝配過程密切相關，為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平，必須對關鍵工序和裝配過程采取有力的措施。控制加工設備的精度，定期檢查設備的精度；用模具、檢具控制主軸的配合而和主要加工而的尺寸、形狀精度；關鍵工序道道檢查；定期校對量具、檢具精度。電氣裝配應采取的措施有:裝配時，核對每件元件、器件的型號、規(guī)格；接線中，核對每個節(jié)點的位置與牢固度以及接頭號碼的正確性；進行接地絕緣電阻檢測和安全試驗。,3.關鍵配套件的可靠性保證措施。關鍵配套件的可靠性保證措施主要包括配套件優(yōu)選原則、采購方針、入庫和裝配前檢驗和篩選等。,