大型海上风电转子圆柱度加工方法研究

徐佳俊 马 涛 韩海瑞

（宁夏共享精密加工有限公司，宁夏银川 750021）

0 引言

海上风电项目是“十四五”规划期间提出的国家级战略项目，海上具有丰富的风力资源，与陆地风电相比，海上风电风能资源的能量效益比陆地风电场高20%～40%，还具有不占用土地、风速高、沙尘少、电量大、运行稳定以及粉尘零排放等优势，同时能够减少机组的磨损，延长风力发电机组的使用寿命，适合大规模开发。国务院下发的《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》强调：坚持陆海并重，推动风电协调快速发展，完善海上风电产业链，鼓励建设海上风电基地；推动退役风电机组叶片等新兴产业废物循环利用，以及“海上风电+海洋牧场”等低碳农业模式。

全球风电市场需求旺盛，大型海上风电场自2021年启动建设以来规模迅速增长，目前技术领先的风电厂如西门子歌美飒、金风科技、远景能源、维斯塔斯、GE能源等均开展了海上风电项目研发。其中国内风场建设速度最快、数量最多，在全球市场占比达80%以上，为国家清洁能源建设提供了有力支持[1]。对全球海上风电保持快速增长的判断基于以下几个原因：（1）海上风电成本的快速下降；（2）海上风电发展目标的上调，比如欧洲各国、美国以及亚洲的韩国和日本；（3）漂浮式风电的产业化及商务化；（4）海上风电在跨行业协同及全球能源转型中的独特作用。在亚洲，中国将继续成为海上风电最大的贡献者，而越南、日本及韩国市场也会有快速发展。欧洲市场除英国等西欧国家外，东欧国家也将开始海上风电的建设。

1 项目主要技术研究内容和研究过程

1.1 部件结构分布

作为关键零部件之一的转子在整体风机组件中的位置至关重要，在设计方案中起到承上启下的作用，它主要和轮毂、主轴、前机架相连接。转子本体跟随风机转动，内腔安装有磁感线，本体带动电刷切割磁感线。转子内部装有定子，与底座支撑相连接，是风机发电组件中最关键的组成部分，其结构与产品质量决定了风机整体的发电效率，因此关键尺寸的加工要求非常严格。详细的转子装配结构如图1所示。

图1 转子装配结构图

转子前端连接轮毂，叶片与轮毂作为动力接收装置将大气中的风力转化为驱动力首先传递至转子，转子会带动动轴和强大的磁极进行旋转，从而在旋转过程中切割磁感线进行发电，在此过程中转子如果没有很好的圆柱度会导致偏心旋转，从而会有倾倒的风险，这对于风机整体结构将是致命的，因此转子对圆柱度的要求极为严格[2]。

1.2 加工过程主要难点分析

转子本体材质为球墨铸铁EN-GJS-400，轮廓尺寸直径φ9 620 mm，高2 150 mm，铸件毛重74 t，分三瓣分别浇注，整体铸件是空腔薄壁型结构，需要将三瓣装配组合成整圆后加工。如图2所示，主要加工内容有：结合面合缸销孔/螺栓孔加工、内腔内圆加工、周身安装线圈孔钻孔。

图2 转子成品示意图

薄壁零件定义为壁厚与内径或轮廓尺寸之比为1:20，转子直径为D9 620 mm，最小壁厚50 mm，最大壁厚200 mm，最小壁厚位置壁厚与内径之比为1:192.4，最大壁厚位置壁厚与内径之比为1:48.1，为典型的大直径、薄壁类工件。查表8 000～10 000范围内，IT6 级公差0.38 mm，IT7 级公差0.6 mm，转子直径D9 028 mm/D9 060 mm内圆直径尺寸公差±0.2 mm，公差范围0.4 mm，属于IT6级精度要求。加工内腔直径的圆柱度要求最高，φ9 028 mm内圆，高度1 690 mm，要求圆柱度φ0.2 mm，经常会在加工中出现因筒壁变形导致圆柱度和直径尺寸超差等问题。转子主要加工面平面度要求0.2 mm，平行度最大要求0.2 mm。合缸销孔公差φ50（0，+0.025）mm、φ20（0，+0.021）mm，受设计结构影响，机床无法加工，需要钳工在宽400 mm、高500 mm空间操作。

经过试验分析，引起变形的主要原因有两点：（1）铸件整体加工直径达到φ9 060 mm，最小壁厚却只有50 mm，属于大型薄壁类工件，在车削过程中车刀刀尖与工件接触面积较整体铸件来说过于集中，相当于点接触，局部受力大、应力集中容易导致铸件变形[3]；并且铸件为空腔、薄壁结构，综合考虑材质影响，局部受力将会放大变形量。（2）加工内腔高度为1 690 mm，需要车削的面积范围大，并且铸件上部开口，加工过程中开口部位没有约束，会导致铸件加工面上、中、下三部分在切削过程中受力不一致，呈现张口趋势，越往上部开口处变形越严重，从而导致开口部位圆柱度超差最严重（图3）。

图3 圆柱度检验测试结果图

按照常规加工方式加工完成后，使用激光跟踪仪进行检测，首次测量发现转子圆柱度超差严重。底部打点测量一圈显示圆柱度大部分在公差范围内，但是局部形状为椭圆；中间层打点测量一圈显示圆度较底层较好，但是圆柱度局部超差；顶部打点测量显示圆柱度超差严重。整体加工结果呈现上大下小的喇叭口，圆柱度超差严重。

2 改进过程及效果验证

2.1 过程监控与测量

为确保最终转子圆柱度合格，需要进行过程检测监控，避免最终加工结束后圆柱度超差。转子直径已达9 m，无法使用常规内径千分尺等方式直接测量，需要使用精度等级0.001 mm的激光跟踪仪进行打点检测，收集检测数据后拟合成圆柱体与三维理论数模进行比对并评价圆柱度结果。考虑到产品尺寸过大，采集数据样本需要覆盖全部内腔面才能反馈真实的铸件状态。试验过程将圆柱面等分成120列，每列再等分3～5个层面进行采点，最终将360～600个点的坐标值拟合形成圆柱面。

2.2 装夹改进

根据多次拟合测量结果，要想保证整体圆柱的垂直度，首先要确定装夹工装支撑平稳，保证铸件安装水平。设计8个可以调整高度的装夹工装（图4），均布在工作台上，可起到有效支撑的作用。支撑的数量少于8个会产生较大的空隙，铸件局部会产生塌陷；支撑数量多于8个则矫正次数又过多，设计成本过高，不利于实际生产。此外，可调的支顶装置可以灵活调节铸件安装的高度和位置，也利于铸件的找平找正，能够提升铸件的装夹和加工效率。

图4 装夹工装

2.3 加工消应力改进

控制圆柱度另一个关键因素是解决铸件上层张口问题，车削过程中铸件高速旋转会产生离心力，如果有侧向约束或者侧向支撑可以有效避免离心力造成铸件张口。但是由于工作台直径限制，无法在侧面增加支撑来对冲离心力，只能设计其他方案来抵消离心力。通过约束力公式计算，只要增加个别方向的约束即可转化成径向的约束力，从而减少张口的风险，有效解决圆柱度超差问题[4]。

具体方案为安装倒链，将铸件侧面与底部工装固定，一方面提前释放了张口的伸缩量，使铸件旋转过程中均匀承受离心力而没有更多的变形量导致大幅张口，另一方面增加的约束有一定的角度，可以转化成径向的约束力从而抵消一部分离心力。

3 检测结果

通过这一方法加工结束后，使用精度等级0.001 mm的激光跟踪仪器进行检测，发现圆柱度评价结果显著提升，如图5所示。

图5 圆柱度终检检测结果

拟合的圆柱度结果显示上、中、下三层每层的圆柱度结果均在图纸要求公差之内，并且最大、最小值差值不超过0.05 mm，整体圆柱度有大幅改进和提升，从而证明以上三种改进方式——过程监测并及时调整切削量和切削参数、调节不同部位支撑的受力、增加铸件开口部位的约束是有效的。

4 结束语

本文通过合理的过程检测监控发现圆柱度的影响因素，从而对症下药，设计有效的控制方案，解决了转子圆柱度加工的难点，对于整体风机组件平稳运行起到了至关重要的作用。本研究方案不仅从技术难点去考虑，还综合考虑了设计成本、现场生产的可操作性和工作效率，通过可靠的方式有效解决了大型铸件圆柱度加工超差问题，为后期类似产品加工生产提供了可靠的样本案例，有利于推动海上风电行业的快速发展，降低风电行业的成本，为国家大力发展海上风电项目提供技术支持和坚实后盾。本文的研究为今后国家自主研究12 MW及以上大型海上风电技术的国产化积累了丰富的经验，奠定了坚实的基础。