Учебное пособие 800196
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Воронежский государственный технический университет
Г.А.ПАРХОМЕНКО
Технология электромашиностроения
Учебное пособие
Воронеж 1999
1
УДК 621.313.001
Технология электромашиностроения: Учеб. пособие / Г.А.Пархоменко; Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1999. С.107
Пособие содержит описание типовых и перспективных технологических процессов производства механических деталей, шихтованных магнитопроводов и коллекторов электрических машин и соответствует требованиям программы курса «Технология электромашиностроения». Приведенные в пособии перспективные техпроцессы апробированы в промышленном производстве.
Материалы работы могут быть полезны студентам выпускных курсов специальностей 180100 «электромеханика», 311400 «электрификация и автоматизация сельского хозяйства» при изучении теоретических курсов, а также в курсовом и дипломном проектировании. Изложенные в пособии сведения могут быть полезны и специалистам, занятым в производстве, обслуживании или ремонте электрических машин.
Рукопись набрана в текстовом редакторе Word 97 и размещена на двух дискетах 1,44 Мбайт в виде файлов“Технол. ЭМ(стр.1-55).doc” и “Технол.
ЭМ(стр.56-107).doc”
Илл. 57. Библиогр. 29 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского отдела Воронежского государственного технического университета.
Научный редактор: докт. техн. наук, профессор Е.В.Кононенко
Рецензенты: кафедра электротехники Воронежского государственного агроуниверситета; Вице-президент ФНПЦ – концерна “ЭНЕРГИЯ”, канд. техн наук Э.Г.Кузнецов.
Пархоменко Г.А., 1999 Воронежский государственный технический университет,1999
2
Введение
Производство электрических машин - важная отрасль электротехнической промышленности. Уровень развития технологии этого производства непосредственно влияет на другие отрасли хозяйства, на состояние экономики страны в целом. Достаточно сказать, что подавляющая часть электроэнергии в мире вырабатывается электрическими машинами - генераторами. При этом более половины этой энергии потребляется другими электрическими машинами – асинхронными электродвигателями, широко применяемыми для привода производственного оборудования. К этому следует добавить множество электродвигателей других типов, используемых для создания электроприводов со специальными характеристиками. Немало электрической энергии потребляют электрические машины малой мощности, используемые в различного рода автоматических устройствах, бытовых электроприборах, электроинструментах и др.
Электрические машины изготавливают на специализированных предприятиях, которые чаще всего называют электромеханическими заводами (ЭМЗ). Здесь производят электрические машины, начиная, например, с микроэлектродвигателей мощностью в доли ватта, и до мощных двигателей для прокатных станов, для привода винтов морских судов, турбо - и гидрогенераторов мощностью в сотни тысяч киловатт. Электрические машины отличаются не только по мощности, но и по принципу работы, конструкции, условиям применения, используемым материалам, многочисленным другим признакам. Все эти машины требуют при изготовлении различных приемов формообразования, воздействия на физические свойства материалов, условий сборки, регулировки и промышленных испытаний, то есть всего того, что изучается в курсе «Технология электромашиностроения».
Важной составной частью технологии производства электрических машин является обеспечение минимальной технологической себестоимости при безусловном обеспечении соответствия их параметров требованиям регламентирующих документов (технического задания, технических условий или стандарта). Поэтому инженер - технолог должен владеть не только знаниями традиционных приемов изготовления (типовых технологических процессов). На основе своих инженерных знаний, а также осведомленности о достижениях технологии в своей и смежных отраслях промышленности, он должен уметь выбрать наиболее экономичный способ решения конкретной технологической задачи. Известно, что технологическая себестоимость любого изделия - один из важных показателей эффективности производства.
Процесс изготовления изделия определяется не только набором конкретных технологических операций, но и выбранным вариантом его конструкции. Поэтому во время конструирования изделия предусмотрен специальный технологический контроль конструкторских чертежей. Все это ставит перед разработчиками задачу обеспечения так называемой технологичности конструкции. В результате удается выбрать близкое к
3
оптимальному сочетание конструктивных решений, и технологических приемов производства. Это обеспечит изделию требуемые эксплуатационные свойства при минимальных затратах в производстве. Одновременно следует помнить, что было бы неправильным оценивать экономическую эффективность изделия только сферой его производства. Этот показатель должен учитываться и в сфере эксплуатации изделия. Экономические издержки в сферах производства и эксплуатации изделия взаимосвязаны. Так, снижение производственных затрат может вызвать увеличение затрат при эксплуатации изделия, или - наоборот.
Из изложенного следует, что при изучении курса «Технология электромашиностроения» необходимо не только глубоко изучить типовые технологические процессы, освоенные в отрасли, но и приобрести навыки поиска или разработки различных вариантов решения конкретной производственной задачи и выбора наиболее рационального из них. Последняя цель достигается в значительной степени за счет широкого знакомства со специальной литературой, руководящими техническими материалами, достижениями науки, в том числе - ее прикладных отраслей. Задачей курса является создание у будущего специалиста необходимой основы для дальнейшего самосовершенствования в практической работе.
В связи с этим, изложенные в пособии материалы в большей степени ориентированы на изучение сложившихся типовых техпроцессов производства электрических машин общепромышленного назначения. В то же время автор по возможности в ряде случаев пытается обратиться к последним достижениям отрасли или отклоняется в технологию производства специальных конструкций, которые считаются перспективными.
Глава I
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТОМАШИНОСТРОЕНИЯ
1.1. Развитие отечественного электромашиностроения
Первой электрической машиной с непрерывным вращением ротора был электродвигатель постоянного тока, предложенный членом Петербургской Академии наук Б.С.Якоби в 1834 году. Он имел мощность примерно 500 Вт. Четыре года спустя Якоби демонстрировал на Неве шлюпку с винтом, вращаемым электродвигателем постоянного тока /1/.
Принцип электрического генератора (динамо-машины) был реализован немецким инженером Вернером фон Сименсом, в начале
30-х годов XIX века, вскоре после открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции. Однако, динамо-машина, пригодная для получения электрической энергии в практических целях, была создана только в 1867 году англичанином Леддом. На этом долгом пути от реализации принципа динамо-машины до пригодного для практического использования генератора
4
лежат тысячи придумок, идей, конструкций и открытий, среди которых революционное значение имели открытие в 1833 году русским ученым Э.Х.Ленцем «принципа обратимости» электрических машин и решение В.Сименсом в 1866 году проблемы самовозбуждения.
Сложная в изготовлении конструкция якоря динамо-машины, в частности - его важного элемента коллектора, затрудняла широкое распространение динамо-машины, что сдерживало использование электрической энергии. Новым толчком в развитии электромашиностроения явилось изобретение русским ученым–электротехником П.Н.Яблочковым, оригинальных осветительных устройств, названных «свечами Яблочкова». Актуальной стала проблема получения дешевой электрической энергии. Ее решение было немыслимым без создания недорогого электрического генератора. Этим требованиям отвечала электрическая машина переменного тока фирмы «Compagnie l’Allince» /3/. Вырабатываемый этим генератором переменный ток вполне подходил для целей освещения.
Бурное развитие электрических генераторов переменного тока стало возможным после изобретения трансформатора русским ученым - электротехником Н.Ф.Усагиным. Использование трансформаторов позволило значительно снизить потери мощности и расход дорогостоящего металла при передаче электрической энергии по протяженным проводным линиям.
Очередной этап развития электрических машин и трансформаторов связан с обоснованием русским инженером М.И.Доливо-Добровольским целесообразности использования в системах промышленного электроснабжения трехфазного переменного тока. История зафиксировала триумфальную демонстрацию его электростанции трехфазного электрического тока на Франкфуртской выставке в 1891 году. Преимущество трехфазной системы токов было закреплено изобретением М.И.Доливо-Добровольским трехфазного асинхронного электродвигателя.
Таким образом, к началу XX века сложились все основные принципы промышленной выработки, передачи, преобразования и использования электрической энергии, для чего используются электрические генераторы, трансформаторы и электрические двигатели, представляющие основу современного электромашиностроения.
Из изложенного следует, что, российские инженеры и ученыеэлектротехники сделали большой вклад в развитие науки и практики промышленной электроэнергетики. Тем не менее, как это нередко бывало и в другие периоды отечественной истории, большинство разработок российских специалистов было развито и освоено практичным Западом, а Россия же к началу XX века представляла только большой рынок сбыта, западных гигантских электротехнических компаний. Царская Россия имела отсталую электротехническую промышленность. Объем ее продукции в 1913 году составлял всего 2,5 % от мирового. В России было в это время 16 заводов по выпуску различного рода электротехнической продукции. Из них только 4 завода занимались выпуском электрических машин, представляя собой
5
сборочные мастерские, использующие материалы, полуфабрикаты, детали и узлы, производимые крупными зарубежными компаниями. Свыше 57 % электрических машин, трансформаторов и электрических аппаратов ввозились
вРоссию из-за границы.
Врезультате разрухи, связанной с гражданской войной, российские слаборазвитые электротехнические предприятия практически прекратили выпуск продукции. Очередной этап развития отечественного электромашиностроение всецело связан с необходимостью всеохватывающей электрификацией страны в соответствии с планом электрификации страны ГОЭЛРО, принятым еще до окончания гражданской войны в 1920 году. Электрооборудование для первых электростанций, сооружаемых в порядке выполнения указанного плана, импортировалось из-за рубежа. За его производством, транспортировкой и монтажом наряду с зарубежными специалистами наблюдали и российские инженеры, приобретая при этом определенные теоретические и практические навыки электромашиностроения. И если большинство зарубежных средств массовой информации нередко высмеивали советские планы быстрой электрификации огромной страны с разрушенной экономикой, на развитом Западе нашлись специалисты, с восторгом воспринявшие план ГОЭЛРО. В этой связи следует назвать, в первую очередь, крупного специалиста американского электротехнического концерна «Дженерал-Электрик» Чарльза Протеуса Штейнметца. Известно его письмо В.И.Ленину от 16.02.22. г. с пожеланиями успехов и предложениями помощи. Ему удалось провести среди американской научной общественности энергичную компанию в поддержку плана ГОЭЛРО. План, рассчитанный на 1520 лет, фактически был выполнен к концу 1930 года.
Первый этап становления отечественного электромашиностроения, связан с периодом 1921-25 гг., за это время были воспитаны первые инженерные кадры, вступили в строй первые заводы («Электросила» в Ленинграде, «Динамо» в Москве, харьковский электромеханический завод ХЭМЗ). На этих заводах осваивалось производство электрических машин отечественных разработок от асинхронных электродвигателей общепромышленного назначения, до мощных турбо- и гидрогенераторов для строящихся электростанций. И хотя хозяйство страны стало получать недорогие отечественные электрические машины, с увеличением их номенклатуры возникли большие трудности по совершенствованию технологии производства, используемого оборудования, снижению себестоимости изделий.
Второй этап развития отрасли связан со специализацией заводов по выпуску отдельных классов электрических машин. Так, крупные электрические машины стали выпускаться на «Электросиле», асинхронные электродвигатели - на ХЭМЗ, машины постоянного тока, крановые двигатели и др. - на заводе «Динамо». Однако специализация хоть и дала эффект в части совершенствования технологии производства, повышения качества продукции, растущая потребность в продукции этих заводов вынудила осваивать изделия
6
одного типа на разных заводах, что снова создавало трудности в их использовании.
С 1926 года на заводах развернулась работа по проектированию и освоению производств серий однотипных электрических машин малой и средней мощности. Это позволило обеспечить унификацию конструкций и технологических процессов производства, использовать в новых разработках последние достижения науки, смежных отраслей. Так, вес асинхронного электродвигателя мощностью 29 кВт уменьшился с 641 кг до 280 кг /2/. Снизились затраты на производство изделий. Однако и эти серии, спроектированные на разных заводах, имели существенные конструктивные отличия, что вынуждало потребителей ориентироваться на одного производителя. Однотипные машины разных заводов оставались невзаимозаменяемыми.
Следующим этапом развития отрасли стала разработка в специализированных научных центрах и КБ единых общесоюзных серий однотипных электрических машин. И хоть эта работа пришлась на период Великой Отечественной войны, специалисты с задачей справились. Были разработаны серии машин, как общего применения, так и специализированных (крановых, шахтных и мн. др.). В 1950 году было завершено освоение крупносерийного производства единой серии асинхронных двигателей «А» с мощностью до 100 кВт. Число типоразмеров этих машин сократилось со 179 до 17. Производство их, включая обдуваемое исполнение «АО», было распределено уже на восьми специализированных заводах, что позволило в короткий срок нарастить массовое производство. В последующие годы серия была расширена до 1000 кВт. Синхронные двигатели стали выпускаться, как модификации асинхронных машин. Принцип серийного проектирования был распространен на синхронные генераторы, машины постоянного тока (серия «П» с диапазоном мощностей 0,3-200 кВт). Последние впервые по техникоэкономическим характеристикам (вес, к.п.д. и др.) сравнялись с лучшими зарубежными разработками. Внедрение единых общесоюзных серий электрических машин дало народному хозяйству огромную экономию, как в производстве, так и в сфере их эксплуатации. Потребность народного хозяйства в электрических машинах различных типов стала в основном удовлетворяться, что способствовало ускоренному развитию других отраслей. К 1965 году выпуск только асинхронных двигателей достиг 4,5 млн. штук в год /2/.
Одновременно накапливались новые возможности для совершенствования производства: появлялись новые активные и конструкционные материалы, новые прогрессивные технологические процессы, разработчики получали более глубокие знания об электромеханических процессах в самих машинах. Возникали и новые требования к электрическим машинам, появилась необходимость согласования их характеристик с требованиями международной электротехнической комиссии (МЭК). Поэтому к 1958 году был разработан и утвержден новый проект единой серии асинхронных двигателей А2 и АО2. Она включала уже 8 габаритов с
7
измененной шкалой мощности, согласованной с международными рекомендациями. Двигатели имели меньшую трудоемкость, были более экономичными. Отечественные электрические машины стали пользоваться спросом и за рубежом.
Освоение производства электродвигателей серии А2 и АО2 сопровождалось одновременными исследованиями и разработками, направленными на создание более современных конструкций. Был разработан проект новой серии А3, и к 1960 году серия была практически готовой к освоению. Однако анализ состояния вопроса показал, что уже в процессе освоения производства серия устареет и потеряет свою конкурентоспособность. Главная причина такого результата состояла в том, что разработка серии велась по старой схеме: исследования, проектирование, разработка технологии, создание нового оборудования, производства и, наконец, освоение. В это время наука и производство развивались ускоренными темпами. Был сделан вывод, что серию А3 осваивать нецелесообразно, более рационально - приступить к созданию новой серии с учетом допущенных ошибок.
Для создания новой серии асинхронных электродвигателей 4А была образована группа специалистов, куда вошли кроме советских профессионалов, представители стран СЭВ, а работы велись по нескольким направлениям одновременно: исследования, проектирование изделий, разработка технологии производства, проектирование и изготовление нового оборудования. Серия была создана в рекордно короткий срок. Ее освоение проводилось путем создания новых заводов с последующей реконструкцией старых, производивших двигатели серии А2. В первой половине 70-х годов освоение базовой серии 4А было практически завершено. Далее шли разработки и освоение множества ее модификаций. Производство этих двигателей отличалось использованием принципиально новых технологических процессов: поперечно-клиновая прокатка валов, автоматизация штамповочношихтовочного производства, полная механизация обмотки статоров и др. Все это послужило не только укреплению позиций отечественного электромашиностроения на мировом рынке, но и повысило авторитет отечественной науки.
Глубокие научные исследование, непрерывное совершенствование конструкций, технологии их производства были характерны в этот период и для других типов электрических машин и трансформаторов. Среди заказчиков отечественных силовых трансформаторов появились фирмы США, Франции, других стран. Отечественные турбогенераторы, в том числе с форсированным охлаждением, по мощности превысили 1000 мВатт, их стали использовать не только на отечественных электростанциях, но и за рубежом.
В послевоенные годы особенно бурное развитие получили электрические машины малой мощности, широко используемые в устройствах автоматики, вычислительной техники, в промышленности и быту. Так, например, в период с 1955 по 1966 гг. выпуск электрических машин малой мощности вырос в 13 раз, а среднегодовой прирост их выпуска достигал 20 %, что превышает темпы
8
развития других отраслей электротехнической промышленности. Об успехах отечественного электромашиностроения свидетельствуют такие факты, как создание быстродействующих микроэлектродвигателей постоянного тока (в серии МИГ электромеханическая постоянная времени отдельных исполнений была сокращена до 1,3 мсек.), освоение крупносерийного выпуска микро электродвигателей серий ДПМ и ДПР (последние неоднократно были удостоены главных призов на международных конкурсах), создание совершенно новых видов электрических микромашин: шаговые двигатели, бесконтактные двигатели постоянного тока, большая группа информационных машин и преобразователей. Производство электрических машин малой мощности превратилось в самостоятельную подотрасль, по своей специфике приближающуюся к прецизионному приборостроению. В настоящее время экономически целесообразно выпускать в год на одном предприятии от 0,5 до 1,5 млн. электродвигателей одного габарита.
Восьмидесятые годы ознаменованы разработкой и освоением новой базовой серии асинхронных электродвигателей «5И» с перспективой полной автоматизации производственного процесса.
Авторитет и достижения отечественного электромашиностроения подтверждаются и в настоящее время, когда страна находится в экономическом кризисе, а многие предприятия простаивают. Ведущие зарубежные фирмы стремятся к сотрудничеству с российскими производителями электрических машин. Ученые и специалисты продолжают работу по развитию отрасли, использованию прогрессивных технологий, расширению эксплуатационных возможностей новых конструкций.
1.2. Характеристика технологии электромашиностроения
Качество проектирования и конструкция электрической машины в значительной степени определяют ее эксплуатационные показатели. Однако, в не меньшей (а порой - и в большей) степени эти показатели зависят от организации производства, от способа изготовления отдельных деталей, сборочных единиц, обмотки, от сборки и регулировки машины в целом - то есть, от уровня технологии ее производства. Любая электрическая машина представляет собой специфическую конструкцию, многие ее части изготовляют из специальных материалов, физические свойства которых сильно отличаются друг от друга. В процессе производства часто требуется направленное изменения этих свойств. Поэтому важной особенностью технологии электромашиностроения является чрезвычайное многообразие используемых в производстве технологических процессов.
Все составные части электрической машины можно разделить на две группы:
а) активные части; б) механические или конструктивные части.
9
К первой группе относятся элементы, непосредственно участвующие в преобразовании энергии. Эти элементы выполняются из специальных материалов, обладающих необходимыми электромагнитными характеристиками. К активным частям можно отнести: магнитопроводы, обмотки, изоляцию, щеточно-коллекторный узел и др.
Ко второй группе относятся детали и узлы, обеспечивающие необходимую ориентацию активных частей друг относительно друга, воспринимающие и передающие механические усилия, защищающие активные части от повреждений и воздействий окружающей среды и т.п.
Механические части электрических машин изготовляются по технологическим процессам, принятым в общем машиностроении. Для электромашиностроения характерно тесное сотрудничество и взаимообмен опытом и с другими смежными отраслями: кабельное производство, металлургия, органическая и неорганическая химия, приборостроение, электроника, электроаппаратостроение и многими другими. Практически от всех этих отраслей постоянно заимствуются приемы формообразования, воздействия на свойства материалов, контроля качества и т.п. Все это способствует ускоренному развитию отрасли электромашиностроения.
В то же время в электромашиностроении используется множество технологических процессов, специфических только для этой отрасли. Этими техпроцессами характеризуется производство в основном активных частей электрической машины. В качестве примера специфических для отрасли техпроцессов можно назвать: изготовление шихтованных магнитопроводов с обеспечением требуемых электромагнитных свойств и изолировкой листов магнитопровода друг от друга; изготовление, изолировка, пропитка и контроль различных обмоток электрических машин; изготовление коллектора и щеточноконтактных узлов; сборка, регулировка и промышленные испытания готовых изделий и др.
Справедливости ради следует отметить, что в электрических машинах практикуются решения, когда одни и те же части могут совмещать и чисто механические и активные функции (станина машины постоянного тока, валротор турбогенератора и др.). В этих случаях приходится корректировать заимствованные техпроцессы машиностроения с учетом требований, предъявляемых к активным частям изделия.
Качество выполнения всех этих процессов определяют такие важные свойства электрической машины, как ее к.п.д., надежность, срок службы и др. Трудоемкость изготовления, расход материалов и энергетических ресурсов, эксплуатационные параметры машины зависят от рационального построения технологического процесса, используемого оборудования, его размещения, степени использования материала, применяемых инструментов и приспособлений, уровня механизации и автоматизации производства.
Электромашиностроение характеризуется большим удельным весом производств, связанных с загрязнением окружающей среды, с угрозой здоровью персонала. К ним следует отнести применение материалов на основе
10