修复导叶的自动堆焊及磨削成套设备研制

文献概况与技术背景

本文发表于《大电机技术》2001年第4期，作者来自甘肃工业大学。水轮机活动导叶是多泥沙河流上水轮机的重要部件，长期承受泥沙磨蚀，磨损严重后需要修复。传统的修复方法采用手工堆焊加手工修型，效率低、质量不稳定，且修型磨削量大。文献针对这一问题，研究并完成了满足导叶堆焊和磨削的自动堆焊及磨削成套设备。

核心技术方案

自动带极堆焊工艺

自动带极堆焊是本文采用的核心堆焊工艺。带极堆焊利用带极作为电极，通过带极与工件之间的电弧产生热量，熔化带极和工件表面，形成堆焊层。与焊丝堆焊相比，带极堆焊具有以下优势：

文献指出，利用自动带极堆焊的方法，在磨蚀导叶的曲面上得到了光滑平整的耐磨金属层，使修型磨削量仅为手工堆焊的1/4。这一成果显著提高了修复效率，降低了修复成本。

离线编程与运动轨迹控制

文献采用离线编程的方法，使堆焊、磨削操作机和导叶旋转驱动机构的各向运动有机组合，得到了近于理想型面曲线的运动轨迹。这一技术方案的核心在于：

1. 导叶三维建模：通过三维测量技术获取导叶的精确几何信息，建立数学模型。
2. 运动轨迹规划：基于导叶模型，规划堆焊和磨削的运动轨迹，确保各轴运动的协调配合。
3. 离线编程：将规划的运动轨迹转换为数控程序，实现自动化的堆焊和磨削操作。

磨削精度控制

文献表明，采用离线编程的方法，磨削曲面的误差小于0.2 mm，符合导叶修复的质量要求。这一精度水平对于水轮机导叶的修复至关重要，因为导叶的型面精度直接影响水轮机的效率和稳定性。

设备组成与工作原理

自动堆焊及磨削成套设备组成

该成套设备主要由以下部分组成：

1. 自动带极堆焊系统：包括带极送进机构、弧压调节装置、保护气体系统、电源系统等。
2. 磨削系统：包括砂轮主轴、磨削进给机构、冷却系统等。
3. 导叶旋转驱动机构：包括旋转工作台、驱动电机、位置检测系统等。
4. 数控系统：包括计算机、运动控制器、伺服驱动系统等。

工作流程

1. 导叶安装与定位：将磨损的导叶安装在旋转工作台上，进行精确定位。
2. 表面清理：清除导叶表面的泥沙和氧化物，为堆焊做准备。
3. 自动带极堆焊：按照预设的运动轨迹，在导叶曲面上堆焊耐磨金属层。
4. 修型磨削：按照预设的运动轨迹，对堆焊层进行磨削，恢复导叶的原始型面。
5. 质量检测：对修复后的导叶进行尺寸检测和性能测试。

工程实践应用

多泥沙河流上的水轮机导叶修复

多泥沙河流上的水轮机导叶长期承受泥沙磨蚀，磨损速度远快于清水河流。导叶磨损后，其型面发生变化，影响水轮机的过流能力和效率。传统的修复方法采用手工堆焊加手工修型，存在以下问题：

• 效率低：手工堆焊和修型耗时长，修复周期长。
• 质量不稳定：手工操作难以保证堆焊层和型面的均匀性。
• 成本高等：修型磨削量大，材料浪费严重。

采用自动堆焊及磨削成套设备后，修复效率显著提高，质量稳定可靠，成本大幅降低。

修复质量评估

修复后的导叶需要满足以下质量要求：

关键技术难点与解决思路

复杂曲面堆焊

水轮机导叶的型面为复杂曲面，堆焊过程中需要保证堆焊层均匀覆盖整个曲面，且厚度均匀。这对堆焊轨迹规划和运动控制提出了很高的要求。

解决思路：采用离线编程技术，将导叶型面离散化为多个堆焊道，规划每道堆焊的运动轨迹，确保堆焊层均匀覆盖。

磨削精度保证

导叶型面精度要求高，磨削过程中需要保证磨削量的均匀性和型面的精确性。

解决思路：采用高精度磨削系统和实时位置反馈控制，确保磨削轨迹与预设轨迹一致。

设备自动化集成

自动堆焊及磨削成套设备涉及多个子系统的集成和协调，对数控系统和运动控制提出了很高的要求。

解决思路：采用先进的数控系统和运动控制技术，实现各子系统的精确协调和自动化操作。

学习心得与启示

本文展示了自动堆焊及磨削成套设备在水轮机导叶修复中的应用，体现了自动化技术在重型设备修复领域的重要价值。通过研读本文，我深刻认识到自动化技术对于提高修复效率、保证修复质量、降低修复成本的重要作用。在工程实践中，应当积极推广自动化修复技术，提高重型设备修复的现代化水平。同时，离线编程和运动轨迹规划技术的成熟，为复杂曲面堆焊和磨削提供了可行的解决方案，值得在更多领域推广应用。