趙 學(xué) 王煥朋

(①蘭州理工大學(xué)數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，甘肅蘭州 730050;②蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050)

壓力容器在石油化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、科研和軍工等國民經(jīng)濟(jì)的各個部門都起著重要的作用。在煉化廠用的反應(yīng)器均存在帶有壓力傳感器、溫度傳感器的進(jìn)料口和卸料口等法蘭接口。容器使用過程中法蘭密封面必然存在銹蝕、徑向劃痕、裂紋等缺陷，影響到法蘭的密封性時，通常有以下幾種處理方法［1］。

(1)加大法蘭螺栓的緊固力矩值 這種方法適用于銹蝕、劃痕比較輕微的法蘭密封面。

(2)使用研磨環(huán)進(jìn)行人工現(xiàn)場研磨修復(fù) 用于密封面小面積的局部堆焊。

(3)離線修復(fù) 對于裂紋或缺陷嚴(yán)重，必須處理的密封面，且在線無法修復(fù)或滿足不了要求時，通常采用此方法。即拆卸容器，運(yùn)至制造廠，先去除裂紋，補(bǔ)焊，熱處理，再上大型的數(shù)控裝置加工。容器的拆卸運(yùn)輸要用大型的起重機(jī)和運(yùn)輸設(shè)備，費(fèi)用昂貴，工期長，給石化企業(yè)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。

由于壓力容器小法蘭現(xiàn)場加工與修復(fù)存在種種弊端與不便，本文設(shè)計了一種針對小法蘭現(xiàn)場加工裝置，它直接安裝在法蘭上進(jìn)行加工。該機(jī)床能對壓力容器小法蘭密封面、密封槽在線加工，可以用于壓力容器制造廠對法蘭密封面的終加工，也可以用于壓力容器使用廠對法蘭密封面的維修加工。

1 裝置的組成及工作原理［2］

1.1 裝置的組成

裝置的總體布局由3個部分組成:控制柜、機(jī)床和手持控制操作盒(圖1)。

圖2是法蘭機(jī)械加工裝置的結(jié)構(gòu)圖，該裝置的基本組成是:伸縮腳13固定在法蘭的螺栓分布圓端面上，通過4個垂直的支腿12安裝在法蘭上。電動機(jī)7與行星齒輪減速器6直連，行星齒輪減速器的殼體與轉(zhuǎn)臂3旋轉(zhuǎn)盤的固定套固定，行星齒輪減速器的輸出端連接轉(zhuǎn)盤8，轉(zhuǎn)盤由軸承定位在固定套的內(nèi)孔，轉(zhuǎn)盤上用燕尾連接轉(zhuǎn)臂，轉(zhuǎn)臂可以進(jìn)行伸縮調(diào)整，并用楔塊螺栓夾緊轉(zhuǎn)臂。機(jī)架用加強(qiáng)筋使機(jī)器整體強(qiáng)度加強(qiáng)。轉(zhuǎn)臂上安裝刀架1，步進(jìn)電動機(jī)通過絲杠驅(qū)動十字滑臺刀架上下左右移動。

1.2 工作原理

機(jī)床在法蘭上安裝時，利用法蘭外圓面找正。調(diào)節(jié)4個不同方向的伸縮腿，用螺栓把支腿與法蘭相連，通過調(diào)節(jié)螺栓的進(jìn)給量使車刀回轉(zhuǎn)中心與法蘭的軸心重合，然后固定。

接通電源后，根據(jù)切削加工給出參數(shù)操作，控制變頻器驅(qū)動電動機(jī)無級變速，從而控制車刀的切削速度。電動機(jī)經(jīng)減速器帶動轉(zhuǎn)臂，轉(zhuǎn)臂繞法蘭軸心旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)臂上安裝有刀架，在手持操作盒上設(shè)置參數(shù)，一臺步進(jìn)電動機(jī)通過絲杠驅(qū)動刀架沿法蘭端面移動，可以加工φ300～700 mm尺寸范圍的法蘭外徑;另外一臺在刀架背面的步進(jìn)電動機(jī)由絲杠控制刀架的軸向運(yùn)動，可以加工法蘭密封槽最大深度30 mm。刀架的2個方向的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了直線、圓弧插補(bǔ)。

2 裝置的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)組成

(1)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)傳動 轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)是由變頻電動機(jī)通過行星齒輪減速器驅(qū)動。變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由控制盒設(shè)定，設(shè)定值為0% ～100%

(2)刀架的移動 刀架的徑向移動和軸向移動均由各自的步進(jìn)電動機(jī)通過一對齒輪傳給絲杠實(shí)現(xiàn)。刀架的運(yùn)動速度與移動量由操縱盒上的數(shù)字鍵設(shè)定，正、反向運(yùn)動由設(shè)定距離的正負(fù)號決定。點(diǎn)動由操縱盒的正、反啟動按鈕決定。

(3)底部圓弧V形槽運(yùn)動的實(shí)現(xiàn) 斜面及圓弧運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)是通過同時啟動步進(jìn)電動機(jī)11和2，按斜面比例關(guān)系和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動合成。

3 基于PLC的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)［3］

本CNC控制系統(tǒng)(圖3)要實(shí)現(xiàn)以下3個方面的控制:轉(zhuǎn)臂電動機(jī)系統(tǒng)控制，步進(jìn)電動機(jī)控制［4］，進(jìn)給運(yùn)動操作及進(jìn)給運(yùn)動狀態(tài)界面顯示控制。根據(jù)裝置的工藝控制要求，設(shè)計如下控制系統(tǒng)。

由 PLC［5－6］的模擬量輸出模塊 FX2N －2DA 下達(dá)速度指令，控制變頻器驅(qū)動2.2 kW的異步電動機(jī)無級調(diào)速，帶動轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主運(yùn)動。通過FX2N－20GM兩軸運(yùn)動模塊與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對單軸最大輸出頻率可達(dá)200 kHz，兩軸插補(bǔ)最大輸出頻率可達(dá)100 kHz。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的控制，然后由驅(qū)動器控制相應(yīng)的步進(jìn)電動機(jī)在轉(zhuǎn)臂上的自由移動，實(shí)現(xiàn)直線、圓弧插補(bǔ)功能，以便完成密封槽加工所需要的徑向和軸向的進(jìn)給。人機(jī)操作顯示屏采用臺達(dá)公司的DOP－A57BSTD。它與PLC經(jīng)通訊口連接，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定以及各種操作均在觸摸屏上進(jìn)行。

4 裝置的技術(shù)參數(shù)

接管法蘭外徑尺寸范圍:φ300～700 mm;

接管法蘭密封槽直徑范圍:φ200～500 mm;

接管法蘭端面直徑加工范圍:φ0～550 mm;

接管法蘭螺栓孔分布圓直徑范圍:φ250～640 mm;

接管法蘭密封槽最大深度:30 mm;

架沿端面移動最大距離:165 mm;

接管法蘭密封槽形狀:直槽、雙23°梯形槽等;

轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速范圍:9～90 r/min(無級);

端面移動脈沖當(dāng)量:0.001 mm;

直槽移動脈沖當(dāng)量:0.001 mm;

端面移動進(jìn)給速度:0～500 mm/min(無級);

徑向直槽移動進(jìn)給速度:0～500 mm/min(無級);

機(jī)床電動機(jī):2.2 kW、1 450 r/min;

刀架徑向移動步進(jìn)電動機(jī):＞6.5 N·m;

刀架軸向移動步進(jìn)電動機(jī):＞4.5 N·m。

5 結(jié)語

(1)該機(jī)器是為實(shí)現(xiàn)壓力容器小法蘭密封面現(xiàn)場加工與修復(fù)而設(shè)計的非標(biāo)設(shè)備，可加工法蘭外徑φ300～700 mm。產(chǎn)品交付青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司投入使用以來，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。本裝置移動便捷，改變了以往“工件找機(jī)器”的加工方式。加工耗時短，加工后的表面精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，在密封槽側(cè)面無縱向刀紋，而且不需研磨就能滿足密封要求。

(2)在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題:車刀打滑;機(jī)器的重量超出某些小法蘭的抗拉強(qiáng)度時可能把法蘭“掰斷”;沒有研究修復(fù)法蘭密封面的刀具，需要機(jī)床操作人員反復(fù)揣摩。這些問題需進(jìn)一步優(yōu)化解決。

［1］何濤.法蘭密封面的修復(fù)［J］.安裝，2006(2):32.

［2］趙躍進(jìn).精密機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2003.

［3］趙學(xué)，李建華.基于PLC的法蘭密封面現(xiàn)場修復(fù)加工裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008(9):65 －68.

［4］劉寶廷，程樹康.步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［5］FX2N－10GM和FX2N－20GM硬件/編程手冊［Z］.三菱電動機(jī)公司.

［6］Salah Abdallah.Two axes sun tracking system with PLC control［J］.Energy Conversion and Management，2004，45:1933.