專利名稱：非金屬復(fù)合材料護環(huán)的裝配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及護環(huán)的裝配方法，屬于電機轉(zhuǎn)子裝配技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
護環(huán)是電機中保護和固定轉(zhuǎn)子繞組端部的零部件，是電機中承受應(yīng)力最大的部件。在目前運行的電機中，常采用的護環(huán)結(jié)構(gòu)形式有剛性護環(huán)和懸掛式護環(huán)，如圖1所示。
剛性護環(huán)的特點是在電機的各種工況下，護環(huán)1與轉(zhuǎn)子2、護環(huán)1與中心環(huán)4、中心環(huán)4與轉(zhuǎn)子軸5始終保持接觸，不能分離。目前采用的裝配工藝是先將中心環(huán)4熱套在轉(zhuǎn)子軸5上，用環(huán)鍵或螺釘固定，再把護環(huán)1熱套在轉(zhuǎn)子2和中心環(huán)4上，在護環(huán)1與轉(zhuǎn)子2、護環(huán)1與中心環(huán)4、中心環(huán)4與轉(zhuǎn)子軸5之間的3個接觸面形成三處過盈配合。
懸掛式護環(huán)的特點是護環(huán)1的一端熱套在轉(zhuǎn)子2上，另一端熱套在中心環(huán)4上，而中心環(huán)4和轉(zhuǎn)子軸5不是過盈配合，在護環(huán)1與轉(zhuǎn)子2、護環(huán)1與中心環(huán)4之間的接觸面形成兩處過盈配合。這種結(jié)構(gòu)的護環(huán)加工容易，裝配簡單，在當(dāng)今國內(nèi)外大容量汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子上應(yīng)用最多。
無論是哪種結(jié)構(gòu)的護環(huán)，裝配時都需要用熱套工藝來實現(xiàn)過盈配合，即利用金屬材料熱脹冷縮的特性，先將護環(huán)加熱，使其膨脹，安裝到位并冷卻后，護環(huán)收縮，形成過盈配合。

發(fā)明內(nèi)容
熱套工藝適用于金屬材料制成的護環(huán)。對于非金屬復(fù)合材料制成的護環(huán)，由于復(fù)合材料的熱脹系數(shù)很小，甚至小于0，而且復(fù)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(huán)。為此，本發(fā)明的目的是提出適用于非金屬復(fù)合材料護環(huán)的裝配工藝。
本發(fā)明提供的非金屬復(fù)合材料護環(huán)的裝配方法，需要借助一個特殊設(shè)計的中心環(huán)來實現(xiàn)，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(zhuǎn)時剛性中心環(huán)的內(nèi)圓半徑的徑向位移u1和外圓半徑的徑向位移u2u1=k(D12)3α[3+μ1-μ+α2]n2,u2=k(D22)3α[1+3+μ1-μα2]n2,]]>
其中，系數(shù)α＝D1/D2，系數(shù)k=ρE1-μ4g(π30)2,]]>D1表示中心環(huán)內(nèi)圓直徑，D2表示中心環(huán)外圓直徑，μ表示泊松系數(shù)，n表示轉(zhuǎn)速；ρ表示材料密度，E表示彈性系數(shù)，g表示重力加速度；2)根據(jù)護環(huán)的材料、尺寸及形狀參數(shù)，按照現(xiàn)有的護環(huán)計算方法計算護環(huán)在與所述中心環(huán)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(huán)的外圓半徑徑向位移u2大于護環(huán)的徑向位移l，用滿足這一要求的材料制造中心環(huán)；4)適當(dāng)調(diào)整中心環(huán)的內(nèi)圓直徑D1，使中心環(huán)內(nèi)圓與轉(zhuǎn)子軸之間的過盈配合量大于中心環(huán)內(nèi)圓半徑的徑向位移u1，從而使得在各種工況下，中心環(huán)與轉(zhuǎn)子軸之間始終保持過盈配合；調(diào)整中心環(huán)的外圓直徑D2，使得在電機靜止時，中心環(huán)的外圓與護環(huán)之間為過渡配合；5)用調(diào)整后的D1、D2數(shù)值，按照第1)步、第3)步所述方法重新計算中心環(huán)的外圓半徑的徑向位移u2，確保u2＞l，否則需要重新調(diào)整D1、D2，或重選滿足上述條件的中心環(huán)材料；6)根據(jù)第4)步確定的過盈配合量，采用傳統(tǒng)的熱套工藝將中心環(huán)安裝在電機轉(zhuǎn)子軸上；然后，不采用熱套工藝，直接手工將所述護環(huán)套在轉(zhuǎn)子和中心環(huán)上，保證護環(huán)與轉(zhuǎn)子、護環(huán)與中心環(huán)之間形成過渡配合，以使得在電機旋轉(zhuǎn)時，護環(huán)和中心環(huán)形成過盈配合。
與現(xiàn)有的各種護環(huán)裝配工藝相比，本發(fā)明提出的裝配工藝的創(chuàng)新性在于，按照權(quán)利要求中的裝配步驟來裝配護環(huán)，可以實現(xiàn)如下效果1)當(dāng)電機靜止時，護環(huán)與轉(zhuǎn)子、護環(huán)與中心環(huán)之間的接觸面為兩處過渡配合，中心環(huán)與轉(zhuǎn)子軸之間的配合面為過盈配合。
2)當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，中心環(huán)在自身離心力的作用下發(fā)生徑向位移，該位移量大于護環(huán)發(fā)生的徑向位移量，中心環(huán)與護環(huán)之間由過渡配合變成過盈配合。此時，護環(huán)與中心環(huán)、中心環(huán)與轉(zhuǎn)子軸之間形成兩處過盈配合。
從而解決了非金屬復(fù)合材料護環(huán)的定位裝配難題。


圖1是護環(huán)及電機轉(zhuǎn)子示意圖；
圖2是金屬內(nèi)襯復(fù)合材料護環(huán)在電機中的具體應(yīng)用原理圖；圖3是剛性中心環(huán)受力分析模型；圖4是簡化后的護環(huán)分析模型。
具體實施例方式
如圖2所示，護環(huán)1為金屬內(nèi)襯復(fù)合材料護環(huán)，外層為碳纖維、環(huán)氧樹脂復(fù)合材料增強層，內(nèi)層為鈦金屬內(nèi)襯。電機為同步發(fā)電機，最高轉(zhuǎn)速18000r/min。
1)本實施例中使用的是剛性中心環(huán)，利用等厚度圓盤模型，計算在電機旋轉(zhuǎn)時的徑向位移量，中心環(huán)計算模型如圖3所示。計算時用到的符號D1-中心環(huán)內(nèi)圓直徑(cm)；D2-中心環(huán)外圓直徑(cm)；n-轉(zhuǎn)速(rpm)；ρ-材料密度(kg/cm3)；μ-泊松系數(shù)；E-彈性系數(shù)(kg/cm2)；g-重力加速度(cm/s2)；α＝D1/D2-比值；系數(shù)k=ρE1-μ4g(π30)2.---(1)]]>中心環(huán)內(nèi)圓半徑的徑向位移為u1=k(D12)3α[3+μ1-μ+α2]n2,cm---(2)]]>中心環(huán)外圓半徑的徑向位移為u2=k(D22)3α[1+3+μ1-μα2]n2;cm---(3)]]>2)按照現(xiàn)有的護環(huán)計算方法，計算護環(huán)1在與中心環(huán)4連接處的徑向位移l。護環(huán)的材料、尺寸、形狀不同，徑向位移量也不同。
將護環(huán)1等效為薄壁圓筒，簡化的理論分析模型如圖4所示。
護環(huán)復(fù)合材料、Ti、繞組端部的內(nèi)圈半徑分別為0.131m、0.13m、0.092m。
護環(huán)復(fù)合材料、Ti、繞組端部的重心半徑分別為0.144m、0.1305m、0.1125m。
護環(huán)復(fù)合材料、Ti、繞組端部的厚度分別為0.025m、0.001m、0.038m。
護環(huán)復(fù)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，溫度變化范圍為100℃。
當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達到18000r/min時，對護環(huán)1的應(yīng)力及變形情況進行分析。鈦金屬以及碳纖維、環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)及溫度特性表1所示
表1鈦金屬材料與復(fù)合材料力學(xué)及溫度特性

經(jīng)過理論分析可知，護環(huán)1在自身、金屬內(nèi)襯以及繞組端部所產(chǎn)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(huán)制造材料，改變公式(1)中材料的密度與模量之比

當(dāng)中心環(huán)的材料密度與彈性系數(shù)之比，是鋼的密度與彈性系數(shù)之比的4.32倍，即ρE=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(jù)中心環(huán)4的徑向位移u2來確定中心環(huán)的制造材料。中心環(huán)制造材料的密度與彈性系數(shù)之比，應(yīng)當(dāng)大于或等于鋼的密度與彈性系數(shù)之比的4.32倍。滿足此條件時，可以保證在電機靜止時，護環(huán)1與中心環(huán)4之間為過渡配合，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，中心環(huán)4的徑向位移量大于護環(huán)1的最大徑向位移量，護環(huán)1與中心環(huán)4之間保持過盈配合。
中心環(huán)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(diào)整中心環(huán)4內(nèi)圓直徑D1，中心環(huán)4與轉(zhuǎn)子軸5之間采用過盈配合，當(dāng)過盈量大于大于中心環(huán)內(nèi)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(huán)與轉(zhuǎn)子軸5之間始終保持過盈配合，中心環(huán)4與轉(zhuǎn)子軸5始終不分離；調(diào)整中心環(huán)4的外圓直徑D2，在電機靜止時，使中心環(huán)4的外圓與護環(huán)1之間為過渡配合。
5)用調(diào)整后的D1、D2數(shù)值，按照第1)步、第3)步所述方法重新計算中心環(huán)的外圓半徑的徑向位移u2，計算結(jié)果證明u2＞l。如果不能保證u2＞l，則需要重新調(diào)整D1、D2，或重選中心環(huán)材料。
6)根據(jù)第4)步確定的中心環(huán)內(nèi)圓過盈配合量，采用傳統(tǒng)的熱套工藝將中心環(huán)4安裝在電機轉(zhuǎn)子軸5上。中心環(huán)4可以用鍵、螺釘或安裝在轉(zhuǎn)子軸5上的環(huán)等零部件限制軸向位移。最后，不采用熱套工藝，直接手工將護環(huán)1套在轉(zhuǎn)子2和中心環(huán)4上，保證護環(huán)1與轉(zhuǎn)子2、護環(huán)1與中心環(huán)4之間形成過渡配合。護環(huán)1與轉(zhuǎn)子2之間可以用環(huán)鍵、齒等結(jié)構(gòu)固定，限制軸向位移。當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，中心環(huán)4在自身離心力的作用下發(fā)生徑向位移，其位移量大于護環(huán)1在離心力的作用下發(fā)生的位移量，護環(huán)1與中心環(huán)4之間的配合變成過盈配合，在電機的各種工作狀態(tài)下，護環(huán)1與中心環(huán)4始終不脫離。
根據(jù)碳纖維復(fù)合材料護環(huán)最大位移的計算公式可得l＝1.66×10-9n2mm (4)中心環(huán)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(huán)4的徑向位移始終大于護環(huán)1的最大徑向位移，因此電機旋轉(zhuǎn)時，中心環(huán)4與護環(huán)1將始終保持過盈配合，轉(zhuǎn)速越高，過盈量越大。
這種結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子靜止時，在護環(huán)1與轉(zhuǎn)子2、護環(huán)1與中心環(huán)4之間的接觸面是過渡配合，中心環(huán)4與轉(zhuǎn)子軸5之間的接觸面是過盈配合；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，護環(huán)1與中心環(huán)4之間出現(xiàn)間隙，在護環(huán)1與中心環(huán)4、中心環(huán)4與轉(zhuǎn)子軸5之間的接觸面形成兩處過盈配合。
本發(fā)明所述的中心環(huán)為剛性中心環(huán)結(jié)構(gòu)，但是對于彈性中心環(huán)結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計彈性中心環(huán)的形狀，降低中心環(huán)的剛度，使其在旋轉(zhuǎn)時，受到離心力作用發(fā)生的徑向位移始終大于護環(huán)的最大位移，就可以使護環(huán)與中心環(huán)之間保持過盈配合。如果同時對彈性中心環(huán)的制造材料以及中心環(huán)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，也可以實現(xiàn)手工裝配護環(huán)。
權(quán)利要求
1.非金屬復(fù)合材料護環(huán)的裝配方法，其特征在于，該裝配方法需要借助一個特殊設(shè)計的中心環(huán)來實現(xiàn)，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(zhuǎn)時剛性中心環(huán)的內(nèi)圓半徑的徑向位移u1和外圓半徑的徑向位移u2u1=k(D12)3α[3+μ1-μ+α2]n2,u2=k(D22)3α[1+3+μ1-μα2]n2,]]>其中，系數(shù)α＝D1/D2，系數(shù)k=ρE1-μ4g(π30)2,]]>D1表示中心環(huán)內(nèi)圓直徑，D2表示中心環(huán)外圓直徑，μ表示泊松系數(shù)，n表示轉(zhuǎn)速；ρ表示材料密度，E表示彈性系數(shù)，g表示重力加速度；2)根據(jù)護環(huán)的材料、尺寸及形狀參數(shù)，按照現(xiàn)有的護環(huán)計算方法計算護環(huán)在與所述中心環(huán)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(huán)的外圓半徑徑向位移u2大于護環(huán)的徑向位移l，用滿足這一要求的材料制造中心環(huán)；4)適當(dāng)調(diào)整中心環(huán)的內(nèi)圓直徑D1，使中心環(huán)內(nèi)圓與轉(zhuǎn)子軸之間的過盈配合量大于中心環(huán)內(nèi)圓半徑的徑向位移u1，從而使得在各種工況下，中心環(huán)與轉(zhuǎn)子軸之間始終保持過盈配合；調(diào)整中心環(huán)的外圓直徑D2，使得在電機靜止時，中心環(huán)的外圓與護環(huán)之間為過渡配合；5)用調(diào)整后的D1、D2數(shù)值，按照第1)步、第3)步所述方法重新計算中心環(huán)的外圓半徑的徑向位移u2，確保u2＞l，否則需要重新調(diào)整D1、D2，或重選滿足上述條件的中心環(huán)材料；6)根據(jù)第4)步確定的過盈配合量，采用傳統(tǒng)的熱套工藝將中心環(huán)安裝在電機轉(zhuǎn)子軸上；然后，不采用熱套工藝，直接手工將所述護環(huán)套在轉(zhuǎn)子和中心環(huán)上，保證護環(huán)與轉(zhuǎn)子、護環(huán)與中心環(huán)之間形成過渡配合，以使得在電機旋轉(zhuǎn)時，護環(huán)和中心環(huán)形成過盈配合。
全文摘要
非金屬復(fù)合材料護環(huán)的裝配方法，屬于電機轉(zhuǎn)子裝配技術(shù)領(lǐng)域。為了解決非金屬復(fù)合材料制成的護環(huán)，無法采用傳統(tǒng)熱套工藝來裝配的技術(shù)難題，本發(fā)明公開了一種非金屬復(fù)合材料護環(huán)的裝配方法，步驟如下首先計算在電機旋轉(zhuǎn)時剛性中心環(huán)的內(nèi)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(yōu)先權(quán)日2004年9月24日
發(fā)明者楊國軍, 孫卓, 孫衛(wèi)東, 時振剛, 刁興中, 周世新 申請人:清華大學(xué)