支撑环装配工具的设计

欧阳孔良

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

支撑环装配工具的设计

欧阳孔良

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

介绍了核电主泵电机定子装配过程中支撑环部分的安装过程，详细介绍了支撑环装配工具的总体结构、各主要部件的详细结构、工作原理及所起作用、关键部件的强度分析、计算方法。最后介绍了整个工具的使用步骤、注意事项和应用范围等。

屏蔽电机；支撑环；支撑套筒；屏蔽套

0 引言

核电主泵电机是屏蔽电机。对于屏蔽电机来说，在定子端部线圈位置都安装有屏蔽套，屏蔽套为薄壁的圆筒结构。为了保护和支撑屏蔽套，在定子端部线圈和屏蔽套之间就要安装支撑套筒。以往的屏蔽电机支撑套筒部分都是一个整体的圆筒形结构，安装时要在支撑套筒的端面上钻吊攀孔，然后再通过吊攀孔将支撑套筒装配到定子端部。现在，改进后的核电主泵电机中的支撑套筒部分是由多个单独的支撑环组成的，不是一个整体结构，所以无法采用以往的吊装方式进行安装。为此就急需设计一套核电主泵电机中的支撑环装配工具。

1 支撑环装配工具简介

核电主泵电机中的支撑套筒部分，从外形上看是由多个单独的圆环叠加起来的圆筒形结构。这其中单独的圆环就被称为支撑环。这些个单独的支撑环又分为端部支撑环、主支撑环和连接支撑环。各部分支撑环的内外径之差一般较小，厚度不完全相同。叠装后的支撑环部分需要在整体的外围缠绕一层绝缘层，然后再将其整体装配到定子铁心端部。装配后的支撑环外圆和定子端部线圈内孔之间的间隙较小。支撑环装配后的整体高度大致在600 mm左右，最外端的支撑环基本和定子线圈的端部平齐。所以要想采用支撑环单个装配后，再整体缠绕绝缘层的方法是无法实现的。因为没有缠绕绝缘层的操作空间。所以只能通过工具将各支撑环按顺序在定子铁心外部叠装成一整体，再缠绕上绝缘层，最后通过工具将其整体吊运到定子铁心端部。

下面就详细的介绍一下支撑环装配工具的整体结构及各主要部件的结构。

2 支撑环装配工具的整体结构，各主要部分的具体结构、工作原理

支撑环及工具的整体结构见图1。

图1 支撑环及工具的整体结构

整个支撑环装配工具主要由4部分组成：上吊板部分、中心连接体部分、支撑弧板部分、底座部分等。

支撑环装配工具整体结构见图2。

1.上吊板部分；2.中心连接体部分；3.支撑弧板部分；4.底座部分。 图2 支撑环装配工具整体结构

2.1 上吊板部分

上吊板部分放大图见图3。

1.吊环螺钉；2.吊板；3.定位螺钉。图3 上吊板部分放大图

上吊板部分是由吊环螺钉、吊板、定位螺钉等组成。上吊板部分位于工具的最上端，承受着整个工具和产品的总重量，同时又起到连接整个工具其它部件的作用。其中的吊环螺钉是安装在吊板上的，起到吊装整个工具体和产品的作用。吊板是个圆形的平板，中心有光孔用来安装中心连接体部分的调整螺杆，圆周方向均布着三个腰形孔用来安装支撑弧板部分。在设计时要求吊板的外圆要略小于产品支撑环的内孔，以保证支撑环在叠装时能顺利的套到工具上。定位螺钉使用时需穿过吊板上的腰形孔把合到支撑弧板上。三个支撑弧板安装完成后要求能沿着各自的径向进行滑动，已实现安装和撑紧产品支撑环的作用。为此定位螺钉在设计时就要有一定的定位作用，保证把合后的支撑弧板和吊板之间存在一定间隙，以实现支撑弧板的滑动功能。所以就要求定位螺钉的定位段长度和吊板的厚度尺寸之间有一定的公差要求。定位螺钉在使用时还承受着整个支撑弧板部分和产品部分的重量之和是主要的受力部件，所以其自身的强度也是设计时主要考虑的问题。

定位螺钉的强度校核与设计，按下列公式进行计算。

校核计算公式：

(1)

设计计算公式：

(2)

许用应力计算公式：

(3)

式中：F为单个定位螺钉承受的总载荷N；d为定位螺钉最小截面直径(螺纹小径)mm；σs为定位螺钉材料屈服强度MPa；σ为定位螺钉拉伸强度MPa；S为安全系数，取值范围：S=1.2～1.7。

按上述公式计算后，根据d值的大小可以确定定位螺钉的螺纹直径，根据σ值的大小可以确定定位螺钉的材料和所需的热处理要求。

2.2 中心连接体部分

中心连接体部分放大图见图4。

1.调整螺母；2.调整螺杆；3.弹簧；4.防转销；5.挡板；6.中心体；7.连接板。图4 中心连接体部分放大图

中心连接体部分由调整螺母、调整螺杆、弹簧、防转销、挡板、中心体、连接板等组成。中心连接体部分在整个工具中起到连接三个支撑弧板的作用，同时还起到调节支撑弧板径向位置的作用。安装时需要先通过连接板和销轴将三个支撑弧板部分装配到中心体上。事先还需要将防转销安装到调整螺杆上，再将安装好防转销的调整螺杆装配到中心体的内孔处。同时要使防转销落到中心体底部的凹槽中防止调整螺杆转动，再在中心体底部装配上挡板拧上开槽螺母，防止防转销和调整螺杆从中心体上脱落。然后再在调整螺杆和中心体的上部安装好弹簧，最后将调整螺杆穿过吊板的中心孔，再安装上调整螺母。

使用时首先旋转上端的调整螺母。通过调整螺母的运动就会带动调整螺杆。而由于调整螺杆上防转销的作用，使得调整螺杆无法沿着圆周方向做旋转运动。所以在旋转调整螺母后，调整螺杆只能做上下方向的移动。通过调整螺杆的上下移动和中心体下端挡板的作用，就会带动中心体做上下的运动。再通过连接板的连接作用，就会带动三个支撑弧板的运动。由于支撑弧板上部的吊板和定位螺钉的作用，使得支撑弧板只能沿水平方向做径向移动。而本部分的设计难点就在于怎样使三个支撑弧板的运动步调一致。也就是怎样使中心体做上下运动的时候，三个支撑弧板的扩张和收缩一致，时刻保证三个支撑弧板的最外边在同一个节圆上。

为了解决这个问题，在设计中心体的时候就需要严格控制安装连接板用销孔的形位公差。同时还要求连接板上两销孔之间的距离尺寸公差，一般要控制在0.1 mm以内。其中的弹簧是起到让支撑弧板顺利收缩作用的，所以弹簧应有足够的弹力。

2.3 支撑弧板部分

支撑弧板部分放大图见图5。

1.弧板；2.支撑块；3.托板；4.托板架；5.调整螺钉。图5 支撑弧板部分放大图

支撑弧板部分由弧板、支撑块、托板、托板架、调整螺钉等组成。支撑弧板部分在整个工具中是唯一和产品接触的部分，起到调整各产品支撑环之间的同轴度和支撑产品支撑环的作用。其中的弧板如图5是一段圆弧形的长板。弧板的高度根据产品装配后支撑环的整体高度而定。弧板在使用时其圆弧面直接和产品接触。所以为了保护产品需要在弧板的圆弧面上粘接上一层橡胶板，以达到保护产品的作用。在弧板的背面沿高度方向开有通长的凹槽，用于安装支撑块用。设计时，对凹槽部分要有对称度要求，以保证安装后的支撑块和弧板圆弧面的对中要求。同时，对凹槽底面和圆弧最高点之间还要有尺寸精度要求，以保证三个支撑弧板在运动时的一致性要求。支撑块是通过螺钉把合到弧板凹槽内的，所以支撑块和弧板凹槽之间需要有一个配合要求H7/h7。同时支撑块还通过连接板用销轴同中心体连接到一起。为了保证各支撑弧板运动的一致性，设计时对支撑块上的销孔就要有严格的位置要求。要求各销孔之间的位置要同中心体上的销孔完全一致，各销孔与支撑块底面的距离也要保持一致。托板架和托板是安装在支撑块和弧板底部的，起到支撑产品的作用。安装时需要先将托板通过调整螺钉装配到托板架上，并保证旋转调整螺钉后托板能在托板架的凹槽内自由滑动。然后将托板架把合到支撑块的底部。这样通过旋转调整螺钉后托板就可以在托板架内沿着弧板的径向进行滑动。当托板滑出弧板圆弧面时，托板的伸出部分就可以起到支撑产品的作用了。由于托板承受着整个产品的重量是主要的受力部件，所以托板的强度计算也是很关键的步骤。下面详细地介绍一下托板的强度计算过程。

托板的强度按下列公式进行计算。

弯曲强度计算公式：

(4)

剪切强度计算公式：

(5)

式中：F为单个托板承受的总载荷N；L为产品作用在托板上的位置到托板在托板架上支撑面的距离mm；b为托板截面的宽度尺寸mm；h为托板截面的高度尺寸mm；[σb]托板材料的许用弯曲强度MPa；[τ]为托板材料的许用剪切强度MPa。

只有托板的计算结果同时满足弯曲和剪切强度后，才能认定托板的结构符合设计要求。

2.4 底座部分

底座部分放大图见图6。

1. 底座体；2.吊环螺钉。图6 底座部分放大图

底座部分由底座体和吊环螺钉等组成。底座部分是产品支撑环在外部叠装时，临时放置工具和产品使用的。其中吊环螺钉只是用来吊装底座部分使用的。底座体整体为一圆环形，上面加工有凹止口，止口直径略大于产品支撑环外径。产品叠装时工具和支撑环就放置在凹止口底面上。底座体沿圆周方向还均布着三个凹槽，是用来避让托板架和托板的。另外在底座体的凹止口底平面上还需要粘接一层绝缘板，已达到保护产品的作用。还需要注意的是使用时，底座部分应放置在较平稳的平面上，以防止叠装后的产品及工具整体发生倾倒。

3 支撑环装配工具的使用方法、注意事项

首先应按图2的结构，将支撑环装配工具中的各部分装配成一个整体。在产品叠装之前还需要对工具进行一些调整和准备工作。首先要将底座部分放置在一个平稳的平台或基面上，以保证工具和产品叠装时的稳定性。然后再通过旋转调整螺钉将托板调整到弧板圆弧面外部，并保证托板的最外端要小于叠装后产品支撑环的外圆，以保证支撑环能顺利地安装到定子端部上。然后将工具整体吊运到底座部分上，旋转上端的调整螺母，通过弹簧的作用使中心体向下移动。通过连接板和上吊板部分中定位螺钉的共同作用，使三个支撑弧板部分沿着弧板圆弧面的径向，向内做水平运动。将三个支撑弧板的圆弧面调整到略小于产品支撑环内径的位置即可。做好以上准备工作之后，就可以叠装产品支撑环了。

将各产品支撑环按照连接支撑环、主支撑环和端部支撑环的顺序分别套到工具的弧板上，最下端的支撑环座到工具的托板上。当所有的支撑环都叠装完毕后，再反方向旋转工具上方的调整螺母，使三个支撑弧板向外运动，达到撑紧产品支撑环和调整各支撑环同心的作用。然后在支撑环的外部缠绕上绝缘层后，通过工具上端的吊环螺钉，将工具和产品一同吊装到定子端部，完成产品的安装。最后再旋转工具上方的调整螺母，使三个支撑弧板向内运动，同时带动托板向内运动，调整到托板完全脱离产品支撑环即可，将工具吊出定子端部后放到底座上，至此就完成了整个产品支撑环的安装。

4 结语

支撑环装配工具在加工过程中也出现过一些小问题。对弧板外圆弧面选择粘接橡胶材料时，在胶的选择上走了一些弯路。开始设计时，对胶的类型没有做明确的规定。车间使用的就是常规的粘接剂。粘接后发现橡胶轻易地就脱落了。经查找资料和咨询厂家，得知橡胶和金属粘接大多都使用瞬干类的粘接剂。而本工具的粘接面积较大，瞬干类的粘接剂单只容量又很少，一般也就是20 ml或50 ml。本工具粘接用量要很大，成本会很高。为此，我们专门找来了一些不同类型的粘接剂做了一些试验。经多次试验后找到了一种既便宜、又好用的粘接剂氯丁胶。使用后效果显著，完全满足使用要求且成本低廉。现工具已加工完成并交付给了使用车间。经使用车间反映工具的使用效果很好，装配精度和效率都满足要求。此工具不仅可以使用在本机组上，同时也可以使用在其它类似结构的机组上。本工具的设计成功，还为其它圆环类和薄壁圆筒类结构零件的安装提供了设计样本，有长期的指导意义。