（吉林化工學(xué)院，吉林省 吉林市 132022）

采用修復(fù)機(jī)械對(duì)化工設(shè)備環(huán)形密封面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)是設(shè)備維修的新技術(shù)，主要用于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行車削、磨削、鏜孔、鉆孔和擴(kuò)孔等［1-3］?，F(xiàn)場(chǎng)修復(fù)機(jī)械的技術(shù)要求較高，可在設(shè)備不完全解體的情況下，對(duì)零部件進(jìn)行修復(fù)加工。目前國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)機(jī)械正在向數(shù)控化、自動(dòng)化方向發(fā)展。筆者借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，針對(duì)石油化工設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種專門用于管道、閥門及壓力容器等化工設(shè)備環(huán)形法蘭密封面現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的修復(fù)機(jī)，并對(duì)其桿件受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析及評(píng)定。

1 修復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)分析

法蘭密封面現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)機(jī)主要用于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)損壞的法蘭密封面進(jìn)行重新切削修復(fù)，屬于精加工范疇，在滿足加工要求的前提下，要求修復(fù)機(jī)體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)輸方便且安裝簡(jiǎn)單快捷［5-7］。法蘭外形各有不同，夾緊法蘭外圓的夾緊結(jié)構(gòu)在使用中會(huì)受到一定的限制。由于法蘭內(nèi)孔的圓度公差、圓柱度公差及表面粗糙度數(shù)值都比較小，因此選用法蘭內(nèi)孔為安裝定位基準(zhǔn)簡(jiǎn)單方便。為了保證加工精度，修復(fù)機(jī)的主要受力零部件要選用輕質(zhì)、強(qiáng)度高的材料。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要保證其具有足夠的剛度。因是修復(fù)切削，故車削深度和進(jìn)給量要求值不大。若切削量或切削深度較大，可以采用多次進(jìn)給的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

化工設(shè)備的人孔法蘭及管道法蘭直徑一般小于600 mm，因此確定修復(fù)機(jī)的最大加工直徑為600 mm、最小加工直徑50 mm、最大切削深度2 mm、進(jìn)給量0.1～0.5 mm/r。

2 修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)

在法蘭現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，使用不當(dāng)、服役時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或服役環(huán)境惡劣將會(huì)導(dǎo)致密封面出現(xiàn)損傷，進(jìn)而導(dǎo)致密封性能下降。而傳統(tǒng)的離線修復(fù)過(guò)程繁瑣、費(fèi)用昂貴且工期長(zhǎng)，將會(huì)給企業(yè)造成極大的不便和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)?；诖朔N情況，采用模塊化設(shè)計(jì)原則，將修復(fù)機(jī)按功能分成動(dòng)力、走刀和支撐3個(gè)單元模塊，使用時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝。修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)及安裝見(jiàn)圖 1［10］。

圖1 修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)及安裝簡(jiǎn)圖

以法蘭內(nèi)孔為安裝定位基準(zhǔn)，通過(guò)支臂和支撐螺柱將修復(fù)機(jī)安裝在法蘭上，通過(guò)支撐體部件上的微調(diào)裝置保證主軸與法蘭軸線之間的同軸度與平行度，滿足被加工法蘭的尺寸精度、形狀精度和位置精度要求［11-12］?，F(xiàn)場(chǎng)法蘭軸線方向一般有水平和垂直2種形式，所以修復(fù)機(jī)安裝也相應(yīng)有臥式、立式和反臥式3種形式，常見(jiàn)的是臥式安裝。

3 修復(fù)機(jī)工作原理

為了實(shí)現(xiàn)精確控制，選用伺服電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)型號(hào)為ACSM180-G35015LZ，其額定功率 5.5 kW、額定電壓 220 V、額定電流 24 A、額定轉(zhuǎn)速 1 500 r/min、額定力矩 35 N·m、峰值力矩70 N·m。

根據(jù)切削加工的要求控制主軸回轉(zhuǎn)的速度，以滿足切削速度要求。工作時(shí)，電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)比為1:30的減速機(jī)減速后帶動(dòng)1對(duì)圓柱齒輪旋轉(zhuǎn)，大圓柱齒輪與主軸箱的主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀架運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀架的徑向進(jìn)給。通過(guò)刀架上的手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（撥輪、走刀棘輪），實(shí)現(xiàn)刀架沿法蘭軸向的進(jìn)給，進(jìn)而控制切削深度。主軸由1對(duì)30315的圓錐滾子軸承支承，走刀絲桿由1對(duì)6205的深溝球軸承支承。

修復(fù)機(jī)主要零部件參數(shù)見(jiàn)表1。表1中m為齒輪模數(shù)，z1為小齒輪齒數(shù)，z2為大齒輪齒數(shù)。

表1 修復(fù)機(jī)主要零部件參數(shù)

4 修復(fù)機(jī)有限元分析

4.1 有限元模型建立

在修復(fù)機(jī)工作過(guò)程當(dāng)中，由于進(jìn)給量不同，修復(fù)機(jī)桿件（主軸、走刀絲桿、支撐螺柱）的受力并不相同。由于轉(zhuǎn)速不同，其桿件的變形量和振動(dòng)的穩(wěn)定性亦不相同。因此，需要對(duì)主軸、走刀絲桿和支撐螺柱進(jìn)行強(qiáng)度校核。根據(jù)懸臂梁理論可以知道，當(dāng)走刀絲桿到達(dá)極限位置時(shí)，其桿件所受的彎矩和撓度最大。由于該修復(fù)機(jī)的最大加工直徑為600 mm，所以根據(jù)法蘭外徑最大為600 mm，參照GB/T 9115—2010《對(duì)焊 鋼 制 管 法 蘭 》［13］，選 取DN400 mm帶頸平焊法蘭進(jìn)行分析。

利用ABAQUS有限元軟件對(duì)修復(fù)機(jī)及法蘭進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，對(duì)支臂、主軸、走刀絲桿、支撐螺柱以及法蘭采用三維實(shí)體建模，建立的有限元模型見(jiàn)圖2。

修復(fù)機(jī)主要零部件的結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)圖3，法蘭結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)圖4。將走刀絲桿的刀頭部分設(shè)置為解析剛體，將支撐螺柱與支臂、法蘭進(jìn)行綁定，刀頭與法蘭的接觸屬性為面面接觸，設(shè)置的摩擦因數(shù)為0.2，邊界條件為法蘭底部固支，主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min，切削深度為5 mm。

圖3 修復(fù)機(jī)主要零部件結(jié)構(gòu)及尺寸

圖4 法蘭結(jié)構(gòu)及尺寸

對(duì)建立的修復(fù)機(jī)及法蘭有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用C3D8R三維實(shí)體線性縮減積分單元。對(duì)主軸、走刀絲桿、支撐螺柱和法蘭進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化之后的網(wǎng)格數(shù)分別為121 011、132 012、7 670、62 282，得到的修復(fù)機(jī)及法蘭網(wǎng)格模型見(jiàn)圖5。

圖5 網(wǎng)格劃分后修復(fù)機(jī)及法蘭有限元模型

主軸、走刀絲桿及支撐螺柱材質(zhì)45鋼的彈性模量為 200 GPa、泊松比 0.3、密度 7.85 g/cm3、抗拉強(qiáng)度600 MPa、屈服強(qiáng)度355 MPa。45鋼真實(shí)應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 45鋼真實(shí)應(yīng)力與真實(shí)應(yīng)變關(guān)系

法蘭材質(zhì)選用Q235鋼，其彈性模量200 GPa、泊松比0.3。采用塑性硬化Johnson-cook模型模擬法蘭切削，其模型參數(shù)為，屈服應(yīng)力參數(shù)A=1.15×109、硬化系數(shù) B=7.39×108、硬化指數(shù)n=0.26、溫度系數(shù) 1.03、熔化溫度 1 723 K、過(guò)渡溫度298 K。

4.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 應(yīng)力云圖

對(duì)修復(fù)機(jī)及法蘭模型進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，得到的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖6～圖9。

從圖6～圖9可以看出，最大應(yīng)力位于主軸與走刀絲桿的連接處，數(shù)值為212.9 MPa，說(shuō)明主軸、走刀絲桿及支撐螺柱的應(yīng)力并未達(dá)到材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，表明在整個(gè)法蘭密封面切削過(guò)程中，主軸、走刀絲桿及支撐螺柱的變形一直處于線彈性階段。

圖6 修復(fù)機(jī)及法蘭模型整體應(yīng)力云圖

圖7 主軸-走刀絲桿應(yīng)力云圖

圖8 支撐螺柱應(yīng)力云圖

圖9 法蘭應(yīng)力云圖

4.2.2 強(qiáng)度校核

針對(duì)修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)中存在的危險(xiǎn)截面，參照J(rèn)B 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)）》［14］對(duì)走刀絲桿和主軸進(jìn)行應(yīng)力線性評(píng)定，評(píng)定路徑見(jiàn)圖10，得到的 PL+Pb、PL+Pb+Q的評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表3。表3中PL為一次局部薄膜應(yīng)力，Pb為一次彎曲應(yīng)力，Q為二次應(yīng)力。

圖10 走刀絲桿和主軸應(yīng)力評(píng)定路徑

表3 走刀絲桿和主軸應(yīng)力評(píng)定結(jié)果 MPa

PL+Pb的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為PL+Pb<1.5Sm=180 MPa（Sm為許用應(yīng)力），PL+Pb+Q的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為PL+Pb+Q<3Sm=360 MPa。由表5可以看出，主軸、走刀絲桿在極限應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力均滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度校核合格。

5 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的修復(fù)機(jī)主要用于管道、閥門及壓力容器等化工設(shè)備環(huán)形法蘭密封面的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，其最大加工直徑600 mm。該修復(fù)機(jī)質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)單、運(yùn)輸方便且加工耗時(shí)少，可極大減輕修復(fù)工作量和工作強(qiáng)度。

由修復(fù)機(jī)桿件受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖可知，危險(xiǎn)截面位于主軸與走刀絲桿的連接處，此處的最大應(yīng)力為212.9 MPa，低于材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，表明在整個(gè)法蘭修復(fù)過(guò)程中，桿件處于彈性變形階段，未發(fā)生屈服變形。利用線性應(yīng)力評(píng)定對(duì)桿件危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度進(jìn)行校核，評(píng)定結(jié)果均合格，證明修復(fù)機(jī)結(jié)構(gòu)形式及選材滿足工作要求。