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摘要從理論上對(duì)百萬千瓦級(jí)核電外機(jī)座測(cè)試系統(tǒng)的研制、測(cè)試方法的選擇、測(cè)量原理、精度分析等進(jìn)行全面的論述，并對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行客觀的總結(jié)。

關(guān)鍵詞汽輪發(fā)電機(jī)；核電機(jī)組；外機(jī)座；測(cè)試系統(tǒng)；準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡；同軸度

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1引言

百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組是東方電機(jī)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱東電公司)與法國(guó)阿爾斯通公司合作生產(chǎn)的，機(jī)組將安裝在廣東嶺澳核電站。東電公司承擔(dān)了部分大型零部件的裝焊與加工任務(wù)，“外機(jī)座”就是其中難度最大的任務(wù)之一。

百萬千瓦級(jí)核電外機(jī)座是核電機(jī)組的關(guān)鍵部件，體積龐大，噸位重，在裝焊和加工過程中對(duì)機(jī)械加工設(shè)備及檢測(cè)方法都有較為特殊的要求。東電公司為了確保核電機(jī)組外機(jī)座的加工質(zhì)量，花巨資對(duì)W250HC鏜床進(jìn)行了數(shù)控改造。改造后的加工設(shè)備雖然基本滿足了外機(jī)座加工的需要，但仍然缺乏重型回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，客觀上造成了外機(jī)座無法調(diào)頭加工。因此，一系列急待解決的問題就這樣提出來了。如外機(jī)座裝焊加工時(shí)，如何確定工件的軸線；多環(huán)裝焊、多段組焊時(shí)，如何保證各環(huán)的同軸度；調(diào)頭分段加工時(shí)需2次裝卡、翻身，怎樣確定工件的軸線并保證其同軸度符合要求；彈簧板座裝配、基板裝配時(shí)，怎樣確保6塊板同軸；總裝時(shí)怎樣找出機(jī)組的中心線等等。這些都是困擾核電外機(jī)座生產(chǎn)的最關(guān)鍵的問題，也是本課題所要解決的問題。

由東電公司計(jì)測(cè)處、工藝處和重金工分廠等單位工程技術(shù)人員共同努力，研制成功了百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組外機(jī)座中心測(cè)試系統(tǒng)，用于核電外機(jī)座的裝焊加工等生產(chǎn)實(shí)際之中，取得了顯著的效果。

2核電外機(jī)座基本結(jié)構(gòu)及測(cè)試要求

核電外機(jī)座總長(zhǎng)11020mm，最大寬度6300mm，最大高度5390mm，外徑5120mm，內(nèi)徑4000mm，重約160t，由15道環(huán)板分4段精心裝焊而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造過程中需要一些特殊的測(cè)量，以確保其加工質(zhì)量。

(1)外機(jī)座分4段裝焊而成，各段分別裝焊時(shí)，各環(huán)板的同軸度可以通過中心柱準(zhǔn)確測(cè)量。但段與段之間組合時(shí)，則需要用特殊的方法找同心，因?yàn)?段安裝時(shí)總高度達(dá)12000mm左右。

(2)外機(jī)座裝焊后，在W250HC鏜床上加工兩端面和端板內(nèi)圓等部位。由于該鏜床無回轉(zhuǎn)工作臺(tái)(阿爾斯通公司使用回轉(zhuǎn)工作臺(tái))，外機(jī)座只能分步調(diào)頭加工，即一端加工完后，將外機(jī)座吊轉(zhuǎn)180°再加工另一端。這對(duì)11000mm長(zhǎng)的工件來說，只有采用特殊的測(cè)量方法找正，才能確保兩端的同軸度。

(3)外機(jī)座端面加工直徑4400mm，內(nèi)孔3960mm，4塊彈簧板與2塊基板切向不均勻分布在外機(jī)座的內(nèi)表面。加工時(shí)要確保這6塊長(zhǎng)約7000mm的板與端面內(nèi)圓同心(這是核電外機(jī)座關(guān)鍵尺寸之一)，就必須使用專門的測(cè)量方法找正。

(4)機(jī)組總裝時(shí)，原有的找中心方法已無法滿足外機(jī)座、內(nèi)定子、端蓋、軸承和轉(zhuǎn)子等大型部件找同心的需要，必須研究新的找中心測(cè)量方法。

3測(cè)試方案的選擇

據(jù)有關(guān)資料顯示，確保核電機(jī)組外機(jī)座這么大部件的位置測(cè)量精度，國(guó)內(nèi)尚無較成熟的測(cè)量方法。若與科研院所合作開發(fā)研制，費(fèi)用高(報(bào)價(jià)22萬元)，研制周期長(zhǎng)，滿足不了東電公司核電外機(jī)座生產(chǎn)進(jìn)度要求；若購(gòu)置國(guó)外的激光準(zhǔn)直儀，基本技術(shù)參數(shù)滿足不了核電外機(jī)座測(cè)量要求，而且費(fèi)用更高(約15萬美元)。因此必須進(jìn)行認(rèn)真研究和可行性分析，尋求最佳的測(cè)試方案。

對(duì)于2(1)項(xiàng)裝焊時(shí)找同心問題，運(yùn)用準(zhǔn)確度較高的美制數(shù)顯卷尺等分圓周與拉鋼絲掛重錘相結(jié)合的測(cè)試方法，確定各環(huán)板裝焊時(shí)的位置精度，然后分段組合相互間定位，確保整體裝焊同軸符合圖紙要求。

對(duì)于2(2)、2(3)、2(4)項(xiàng)的問題，著眼于現(xiàn)有測(cè)量設(shè)備的功能，將測(cè)量微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡自準(zhǔn)直系統(tǒng)與望遠(yuǎn)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，并對(duì)其配套設(shè)施進(jìn)行更新改造，使小功能靈巧地轉(zhuǎn)換成大功能，增強(qiáng)了剛性，擴(kuò)大了量程。與此同時(shí)，還將反射目標(biāo)靶心精確定位在鏜床鏜桿軸線上，與測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡自準(zhǔn)直光軸合理匹配，組成一套具有東電公司特色的測(cè)試系統(tǒng)(如圖1所示)，比較準(zhǔn)確地建立起與鏜床鏜桿軸線延長(zhǎng)線相重合的基準(zhǔn)線，滿足了加工工藝要求。

核電外機(jī)座測(cè)試系統(tǒng)主要由下列幾部分組成：

(1)測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡；

(2)大目標(biāo)(含反射大目標(biāo)、可調(diào)反射大目標(biāo)和透射大目標(biāo)等)；

(3)安裝望遠(yuǎn)鏡附件(含可調(diào)架、水平座、球體、球座、球夾等)；

(4)自準(zhǔn)直光源(含法蘭盤、自準(zhǔn)直光源及目標(biāo)照明器等)；

(5)儀器支架(6個(gè)自由度可微調(diào))；

(6)W250HC鏜床專用插頭式反射目標(biāo)靶；

(7)分中找水平測(cè)量裝置；

(8)彈簧板找正測(cè)量裝置。

測(cè)試系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下(單位：mm)：

讀數(shù)格值0.02

水平和垂直方向測(cè)

微器微調(diào)量±1.2

靶標(biāo)適應(yīng)范圍ø500～4000

測(cè)量距離18000

調(diào)焦不直線度

(在0～18000范圍內(nèi))0.05

整套裝置的測(cè)量不確定度＜0.5

在W250HC鏜床工作臺(tái)上，對(duì)外機(jī)座核心部分的基準(zhǔn)軸線定位問題，則依據(jù)圖紙起始尺寸要求，專門設(shè)計(jì)了2套長(zhǎng)3000mm，分度值為0.02mm，帶有分中找水平的投射目標(biāo)瞄準(zhǔn)裝置，直接安裝在外機(jī)座核心部分兩端的專用基板上，2個(gè)目標(biāo)靶中心連線與基準(zhǔn)軸線平行，可視為輔助基準(zhǔn)線。應(yīng)用這套測(cè)量裝置的另一個(gè)目的，是用于確定鏜頭中心空間點(diǎn)的位置。

用7∶24錐度專用插頭式反射目標(biāo)靶與W250HC鏜床鏜頭自動(dòng)定心，定中心反射面與鏜頭軸線不垂直度控制在20〃以內(nèi)，其目的是用光學(xué)方法把鏜床軸線延伸出去，作為調(diào)整上述分中測(cè)量裝置兩目標(biāo)靶中心連線的定位基準(zhǔn)。

4測(cè)量原理與步驟

41測(cè)量原理

將測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡自準(zhǔn)直原理與望遠(yuǎn)系統(tǒng)光學(xué)原理有機(jī)地結(jié)合起來，可對(duì)不同距離聚焦。這些聚焦點(diǎn)的連線可視為1條理想的基準(zhǔn)直線，利用3點(diǎn)固定1條直線自由度的原理，分段接長(zhǎng)，巧妙地將小功能轉(zhuǎn)換成大功能，實(shí)現(xiàn)鏜床鏜頭軸線與核電外機(jī)座兩端面孔中心連線相重合。

但由于受光能量損耗隨距離增長(zhǎng)而增大的影響，透射目標(biāo)靶最大可見距離為18000mm，而自準(zhǔn)直反射目標(biāo)靶最大可見距離小于6000mm，所以在實(shí)際使用過程中，先要利用自準(zhǔn)直原理建立起垂直于鏜床鏜頭豎直平面基準(zhǔn)線，然后再用透射目標(biāo)靶接長(zhǎng)，以滿足生產(chǎn)的需要。

4.2測(cè)量步驟

(1)將鏜床專用插頭式反射目標(biāo)靶安裝在W250HC鏜床鏜桿上，開機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察反射目標(biāo)靶心在轉(zhuǎn)動(dòng)中是1個(gè)固定點(diǎn)，還是形成1個(gè)小圓圈。若是小圓圈，則需要精心調(diào)整專用插冰式反射目標(biāo)靶，直至轉(zhuǎn)動(dòng)中靶心為1個(gè)固定點(diǎn)為止，然后調(diào)整鏜頭高度，使其與安裝在鏜床工作臺(tái)上的外機(jī)座中的兩透射目標(biāo)靶的高度一致。

(2)在距離鏜頭約5000mm處，將測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)反射目標(biāo)靶心，利用測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡自準(zhǔn)直原理，建立與鏜桿軸線的延長(zhǎng)線相復(fù)合的基準(zhǔn)線。

(3)離反射目標(biāo)靶心3000～4000mm處，在已建立的基準(zhǔn)線上安裝2個(gè)透射目標(biāo)靶，靶心都必須在已建立的基準(zhǔn)線上。

(4)將測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡移至離鏜桿反射目標(biāo)靶16000mm處后，瞄準(zhǔn)2個(gè)透射目標(biāo)靶心和反射目標(biāo)靶心。望遠(yuǎn)鏡觀察到3個(gè)目標(biāo)靶心在1條直線上，則表明測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡光軸與已建立的基準(zhǔn)線重合。

(5)將2個(gè)透射目標(biāo)靶移至離鏜床13000～14000mm處，同樣用上述方法調(diào)整兩透射目標(biāo)靶心在已建立的基準(zhǔn)線上。其目的是檢查加工過程中外機(jī)座基準(zhǔn)軸線是否發(fā)生了變化。

(6)調(diào)整安裝在鏜床工作臺(tái)上的外機(jī)座，使外機(jī)座內(nèi)兩透射目標(biāo)靶心連線與已建立的基準(zhǔn)線重合。從望遠(yuǎn)鏡中觀察5個(gè)目標(biāo)靶心在1條直線上即為合格。

(7)用安裝在外機(jī)座兩側(cè)的2臺(tái)水準(zhǔn)儀瞄準(zhǔn)外機(jī)座上的水平定位目標(biāo)刻線，此有助于外機(jī)座調(diào)頭后找水平和起到保持定位基準(zhǔn)不變動(dòng)的作用。

(8)取下反射目標(biāo)靶，裝好鏜刀，升至圖紙標(biāo)準(zhǔn)的空間定位尺寸，進(jìn)入加工狀態(tài)。

5精度分析

(1)由儀器說明書可查出，在18000mm范圍內(nèi)，測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦誤差為0.05mm，即：

△1=0.05mm

(2)每個(gè)目標(biāo)靶由多個(gè)同心圓組成，按制造廠標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同心圓定中心的允許誤差為0.01mm。在建立基準(zhǔn)線時(shí)，目標(biāo)靶出現(xiàn)5次，所以目標(biāo)靶定中心誤差為：

△2=5×0.01mm

＝0.05mm

(3)測(cè)試中須按不同的距離調(diào)整目標(biāo)靶聚焦，每個(gè)目標(biāo)靶都要調(diào)整到測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡光靶視場(chǎng)內(nèi)。因最小微調(diào)格值為0.02mm，所以測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡光靶視場(chǎng)調(diào)整誤差為：

△3=5×0.02mm

＝0.10mm

(4)不同距離瞄準(zhǔn)估讀一般不超過一個(gè)格值(0.02mm)，5個(gè)目標(biāo)靶要瞄準(zhǔn)5次，所以測(cè)微準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)估讀誤差為：

△4=5×0.02mm

＝0.10mm

(5)由調(diào)焦不直線度可知，調(diào)整分中找水平2透射目標(biāo)靶連線與建立的基準(zhǔn)線不重合度必須小于0.05mm，即：

△5＝0.05mm

(6)分中找水平測(cè)量裝置本身重量和移動(dòng)到中間點(diǎn)的測(cè)量裝置的重量引起的撓度，在實(shí)際操作過程中通過實(shí)測(cè)加以修正而消除，即：

△6＝0

(7)鏜床鏜頭通過帶有7∶24錐度的專用插頭式反射目標(biāo)靶把鏜頭軸線延伸出去，目標(biāo)靶定中心反射面的不垂直度(小于20〃)直接影響外機(jī)座兩端面加工垂直度，即產(chǎn)生誤差△7。如圖2所示，外機(jī)座兩端面加工孔徑為4000mm，延伸出去光軸距離鏜頭反射目標(biāo)靶約16000mm，則由平面幾何關(guān)系得：

△7＝4000mm×tg20〃

＝0.39mm

(8)實(shí)際操作是在車間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的，測(cè)量裝置與鏜床和工作至少等溫24h以上，所以溫度是一致的，溫度誤差的影響為零。即：

△8＝0





綜上所述，考慮到諸影響因素的隨機(jī)性，屬正態(tài)分布，用白塞爾公式計(jì)算整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的總誤差為：



即測(cè)試系統(tǒng)裝置的總誤差±0.424mm，小于被測(cè)工件誤差±1.5mm的1/3，滿足生產(chǎn)要求。

6結(jié)論

東電公司克服重重困難，攻下一道又一道難關(guān)，終于研制成功百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組外機(jī)座測(cè)試系統(tǒng)，用于嶺燠核電外機(jī)座金加工中確定空間基本軸線及劃線位置和復(fù)核彈簧板座及內(nèi)機(jī)座支承梁的裝焊尺寸、形位公差，使外機(jī)座加工質(zhì)量達(dá)到了國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的最好水平，為公司用光學(xué)測(cè)準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡及其測(cè)量系統(tǒng)對(duì)超長(zhǎng)件精確測(cè)量開創(chuàng)先例，在國(guó)內(nèi)也屬首創(chuàng)。實(shí)踐證明這套測(cè)試系統(tǒng)裝置原理正確，測(cè)試方法合理，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。該課題創(chuàng)新部分有如下幾項(xiàng)：

(1)將普通的測(cè)微自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡自準(zhǔn)直原理巧妙地與望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)光學(xué)原理結(jié)合起來，取得了將小功能轉(zhuǎn)換成大功能的預(yù)期效果。

(2)利用平面幾何2點(diǎn)連1條直線和3點(diǎn)固定1條直線的原理，實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)件多圓內(nèi)孔中心同軸。

(3)利用錐度反射目標(biāo)靶與鏜床鏜頭合理匹配自動(dòng)定中心的方法，實(shí)現(xiàn)了鏜頭軸線與超長(zhǎng)件兩端面孔中心連線重合。

(4)設(shè)計(jì)出專用分中測(cè)量裝置，建立與超長(zhǎng)件兩端面孔中心連線平行的輔助基準(zhǔn)線，較準(zhǔn)。