非金屬複合材料護環的裝配方法
2023-06-12 13:09:36 1
專利名稱：非金屬複合材料護環的裝配方法
技術領域：
本發明涉及護環的裝配方法，屬於電機轉子裝配技術領域。
背景技術：
護環是電機中保護和固定轉子繞組端部的零部件，是電機中承受應力最大的部件。在目前運行的電機中，常採用的護環結構形式有剛性護環和懸掛式護環，如圖1所示。
剛性護環的特點是在電機的各種工況下，護環1與轉子2、護環1與中心環4、中心環4與轉子軸5始終保持接觸，不能分離。目前採用的裝配工藝是先將中心環4熱套在轉子軸5上，用環鍵或螺釘固定，再把護環1熱套在轉子2和中心環4上，在護環1與轉子2、護環1與中心環4、中心環4與轉子軸5之間的3個接觸面形成三處過盈配合。
懸掛式護環的特點是護環1的一端熱套在轉子2上，另一端熱套在中心環4上，而中心環4和轉子軸5不是過盈配合，在護環1與轉子2、護環1與中心環4之間的接觸面形成兩處過盈配合。這種結構的護環加工容易，裝配簡單，在當今國內外大容量汽輪發電機轉子上應用最多。
無論是哪種結構的護環，裝配時都需要用熱套工藝來實現過盈配合，即利用金屬材料熱脹冷縮的特性，先將護環加熱，使其膨脹，安裝到位並冷卻後，護環收縮，形成過盈配合。
發明內容
熱套工藝適用於金屬材料製成的護環。對於非金屬複合材料製成的護環，由於複合材料的熱脹係數很小，甚至小於0，而且複合材料不能高溫加熱，所以不能使用常用的熱套工藝來安裝護環。為此，本發明的目的是提出適用於非金屬複合材料護環的裝配工藝。
本發明提供的非金屬複合材料護環的裝配方法，需要藉助一個特殊設計的中心環來實現，具體步驟如下1)利用等厚度圓盤模型，通過如下公式計算在電機旋轉時剛性中心環的內圓半徑的徑向位移u1和外圓半徑的徑向位移u2u1=k(D12)3[3+1-+2]n2,u2=k(D22)3[1+3+1-2]n2,]]>
其中，係數α＝D1/D2，係數k=E1-4g(30)2,]]>D1表示中心環內圓直徑，D2表示中心環外圓直徑，μ表示泊松係數，n表示轉速；ρ表示材料密度，E表示彈性係數，g表示重力加速度；2)根據護環的材料、尺寸及形狀參數，按照現有的護環計算方法計算護環在與所述中心環連接處的徑向位移l；3)通過選擇合適的材料，改變式第1)步公式中材料密度與模量之比 使計算得出的中心環的外圓半徑徑向位移u2大於護環的徑向位移l，用滿足這一要求的材料製造中心環；4)適當調整中心環的內圓直徑D1，使中心環內圓與轉子軸之間的過盈配合量大於中心環內圓半徑的徑向位移u1，從而使得在各種工況下，中心環與轉子軸之間始終保持過盈配合；調整中心環的外圓直徑D2，使得在電機靜止時，中心環的外圓與護環之間為過渡配合；5)用調整後的D1、D2數值，按照第1)步、第3)步所述方法重新計算中心環的外圓半徑的徑向位移u2，確保u2＞l，否則需要重新調整D1、D2，或重選滿足上述條件的中心環材料；6)根據第4)步確定的過盈配合量，採用傳統的熱套工藝將中心環安裝在電機轉子軸上；然後，不採用熱套工藝，直接手工將所述護環套在轉子和中心環上，保證護環與轉子、護環與中心環之間形成過渡配合，以使得在電機旋轉時，護環和中心環形成過盈配合。
與現有的各種護環裝配工藝相比，本發明提出的裝配工藝的創新性在於，按照權利要求中的裝配步驟來裝配護環，可以實現如下效果1)當電機靜止時，護環與轉子、護環與中心環之間的接觸面為兩處過渡配合，中心環與轉子軸之間的配合面為過盈配合。
2)當電機旋轉時，中心環在自身離心力的作用下發生徑向位移，該位移量大於護環發生的徑向位移量，中心環與護環之間由過渡配合變成過盈配合。此時，護環與中心環、中心環與轉子軸之間形成兩處過盈配合。
從而解決了非金屬複合材料護環的定位裝配難題。
圖1是護環及電機轉子示意圖；
圖2是金屬內襯複合材料護環在電機中的具體應用原理圖；圖3是剛性中心環受力分析模型；圖4是簡化後的護環分析模型。
具體實施例方式
如圖2所示，護環1為金屬內襯複合材料護環，外層為碳纖維、環氧樹脂複合材料增強層，內層為鈦金屬內襯。電機為同步發電機，最高轉速18000r/min。
1)本實施例中使用的是剛性中心環，利用等厚度圓盤模型，計算在電機旋轉時的徑向位移量，中心環計算模型如圖3所示。計算時用到的符號D1-中心環內圓直徑(cm)；D2-中心環外圓直徑(cm)；n-轉速(rpm)；ρ-材料密度(kg/cm3)；μ-泊松係數；E-彈性係數(kg/cm2)；g-重力加速度(cm/s2)；α＝D1/D2-比值；係數k=E1-4g(30)2.---(1)]]>中心環內圓半徑的徑向位移為u1=k(D12)3[3+1-+2]n2,cm---(2)]]>中心環外圓半徑的徑向位移為u2=k(D22)3[1+3+1-2]n2;cm---(3)]]>2)按照現有的護環計算方法，計算護環1在與中心環4連接處的徑向位移l。護環的材料、尺寸、形狀不同，徑向位移量也不同。
將護環1等效為薄壁圓筒，簡化的理論分析模型如圖4所示。
護環複合材料、Ti、繞組端部的內圈半徑分別為0.131m、0.13m、0.092m。
護環複合材料、Ti、繞組端部的重心半徑分別為0.144m、0.1305m、0.1125m。
護環複合材料、Ti、繞組端部的厚度分別為0.025m、0.001m、0.038m。
護環複合材料、Ti、繞組端部的長分別為0.235m、0.235m、0.195m。
繞組端部重量為45kg，溫度變化範圍為100℃。
當電機轉速達到18000r/min時，對護環1的應力及變形情況進行分析。鈦金屬以及碳纖維、環氧樹脂複合材料的力學及溫度特性表1所示
表1鈦金屬材料與複合材料力學及溫度特性
經過理論分析可知，護環1在自身、金屬內襯以及繞組端部所產生的離心力作用下，最大位移l不超過0.5380mm。
3)選擇合適的中心環製造材料，改變公式(1)中材料的密度與模量之比
當中心環的材料密度與彈性係數之比，是鋼的密度與彈性係數之比的4.32倍，即E=4.32]]>(ρ鋼/E鋼)則k＝4.32×7.3×10-15＝31.536×10-15。將k帶入(2)、(3)可得u1＝0.1348mmu2＝0.5383mm＞l＝0.5380mm。
根據中心環4的徑向位移u2來確定中心環的製造材料。中心環製造材料的密度與彈性係數之比，應當大於或等於鋼的密度與彈性係數之比的4.32倍。滿足此條件時，可以保證在電機靜止時，護環1與中心環4之間為過渡配合，當電機旋轉時，中心環4的徑向位移量大於護環1的最大徑向位移量，護環1與中心環4之間保持過盈配合。
中心環4的材料可以是鉑(Pt)等高密度、低模量的純金屬材料，也可以是其他高密度、低模量的合金材料。
4)調整中心環4內圓直徑D1，中心環4與轉子軸5之間採用過盈配合，當過盈量大於大於中心環內圓半徑的徑向位移量u1＝0.1348mm時，可以保證在電機的各種工況下，中心環與轉子軸5之間始終保持過盈配合，中心環4與轉子軸5始終不分離；調整中心環4的外圓直徑D2，在電機靜止時，使中心環4的外圓與護環1之間為過渡配合。
5)用調整後的D1、D2數值，按照第1)步、第3)步所述方法重新計算中心環的外圓半徑的徑向位移u2，計算結果證明u2＞l。如果不能保證u2＞l，則需要重新調整D1、D2，或重選中心環材料。
6)根據第4)步確定的中心環內圓過盈配合量，採用傳統的熱套工藝將中心環4安裝在電機轉子軸5上。中心環4可以用鍵、螺釘或安裝在轉子軸5上的環等零部件限制軸向位移。最後，不採用熱套工藝，直接手工將護環1套在轉子2和中心環4上，保證護環1與轉子2、護環1與中心環4之間形成過渡配合。護環1與轉子2之間可以用環鍵、齒等結構固定，限制軸向位移。當電機旋轉時，中心環4在自身離心力的作用下發生徑向位移，其位移量大於護環1在離心力的作用下發生的位移量，護環1與中心環4之間的配合變成過盈配合，在電機的各種工作狀態下，護環1與中心環4始終不脫離。
根據碳纖維複合材料護環最大位移的計算公式可得l＝1.66×10-9n2mm (4)中心環4外圓半徑的徑向位移為u2＝4.32×3.8455×10-9n2＝1.6613×10-9n2mm(5)比較式(4)、(5)可知，中心環4的徑向位移始終大於護環1的最大徑向位移，因此電機旋轉時，中心環4與護環1將始終保持過盈配合，轉速越高，過盈量越大。
這種結構中，轉子靜止時，在護環1與轉子2、護環1與中心環4之間的接觸面是過渡配合，中心環4與轉子軸5之間的接觸面是過盈配合；當轉子旋轉時，護環1與中心環4之間出現間隙，在護環1與中心環4、中心環4與轉子軸5之間的接觸面形成兩處過盈配合。
本發明所述的中心環為剛性中心環結構，但是對於彈性中心環結構，通過設計彈性中心環的形狀，降低中心環的剛度，使其在旋轉時，受到離心力作用發生的徑向位移始終大於護環的最大位移，就可以使護環與中心環之間保持過盈配合。如果同時對彈性中心環的製造材料以及中心環的結構進行設計，也可以實現手工裝配護環。
權利要求
1.非金屬複合材料護環的裝配方法，其特徵在於，該裝配方法需要藉助一個特殊設計的中心環來實現，具體步驟如下1)利用等厚度圓盤模型，通過如下公式計算在電機旋轉時剛性中心環的內圓半徑的徑向位移u1和外圓半徑的徑向位移u2u1=k(D12)3[3+1-+2]n2,u2=k(D22)3[1+3+1-2]n2,]]>其中，係數α＝D1/D2，係數k=E1-4g(30)2,]]>D1表示中心環內圓直徑，D2表示中心環外圓直徑，μ表示泊松係數，n表示轉速；ρ表示材料密度，E表示彈性係數，g表示重力加速度；2)根據護環的材料、尺寸及形狀參數，按照現有的護環計算方法計算護環在與所述中心環連接處的徑向位移l；3)通過選擇合適的材料，改變式第1)步公式中材料密度與模量之比 使計算得出的中心環的外圓半徑徑向位移u2大於護環的徑向位移l，用滿足這一要求的材料製造中心環；4)適當調整中心環的內圓直徑D1，使中心環內圓與轉子軸之間的過盈配合量大於中心環內圓半徑的徑向位移u1，從而使得在各種工況下，中心環與轉子軸之間始終保持過盈配合；調整中心環的外圓直徑D2，使得在電機靜止時，中心環的外圓與護環之間為過渡配合；5)用調整後的D1、D2數值，按照第1)步、第3)步所述方法重新計算中心環的外圓半徑的徑向位移u2，確保u2＞l，否則需要重新調整D1、D2，或重選滿足上述條件的中心環材料；6)根據第4)步確定的過盈配合量，採用傳統的熱套工藝將中心環安裝在電機轉子軸上；然後，不採用熱套工藝，直接手工將所述護環套在轉子和中心環上，保證護環與轉子、護環與中心環之間形成過渡配合，以使得在電機旋轉時，護環和中心環形成過盈配合。
全文摘要
非金屬複合材料護環的裝配方法，屬於電機轉子裝配技術領域。為了解決非金屬複合材料製成的護環，無法採用傳統熱套工藝來裝配的技術難題，本發明公開了一種非金屬複合材料護環的裝配方法，步驟如下首先計算在電機旋轉時剛性中心環的內圓半徑的徑向位移u
文檔編號H02K3/50GK1588765SQ200410078319
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月24日 優先權日2004年9月24日
發明者楊國軍, 孫卓, 孫衛東, 時振剛, 刁興中, 周世新 申請人:清華大學