趙 學 王煥朋

(①蘭州理工大學數(shù)字制造技術(shù)與應用省部共建教育部重點實驗室，甘肅蘭州 730050;②蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州 730050)

壓力容器在石油化學工業(yè)、能源工業(yè)、科研和軍工等國民經(jīng)濟的各個部門都起著重要的作用。在煉化廠用的反應器均存在帶有壓力傳感器、溫度傳感器的進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)進行人工現(xiàn)場研磨修復 用于密封面小面積的局部堆焊。

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

由于壓力容器小法蘭現(xiàn)場加工與修復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行加工。該機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、機床和手持控制操作盒(圖1)。

圖2是法蘭機械加工裝置的結(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)臂可以進行伸縮調(diào)整，并用楔塊螺栓夾緊轉(zhuǎn)臂。機架用加強筋使機器整體強度加強。轉(zhuǎn)臂上安裝刀架1，步進電動機通過絲杠驅(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)動電動機無級變速，從而控制車刀的切削速度。電動機經(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)，一臺步進電動機通過絲杠驅(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電動機由絲杠控制刀架的軸向運動，可以加工法蘭密封槽最大深度30 mm。刀架的2個方向的運動實現(xiàn)了直線、圓弧插補。

2 裝置的機械傳動結(jié)構(gòu)組成

(1)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)傳動 轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)是由變頻電動機通過行星齒輪減速器驅(qū)動。變頻電動機的轉(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電動機通過一對齒輪傳給絲杠實現(xiàn)。刀架的運動速度與移動量由操縱盒上的數(shù)字鍵設(shè)定，正、反向運動由設(shè)定距離的正負號決定。點動由操縱盒的正、反啟動按鈕決定。

(3)底部圓弧V形槽運動的實現(xiàn) 斜面及圓弧運動的實現(xiàn)是通過同時啟動步進電動機11和2，按斜面比例關(guān)系和圓弧插補運動合成。

3 基于PLC的機床電氣控制系統(tǒng)［3］

本CNC控制系統(tǒng)(圖3)要實現(xiàn)以下3個方面的控制:轉(zhuǎn)臂電動機系統(tǒng)控制，步進電動機控制［4］，進給運動操作及進給運動狀態(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 下達速度指令，控制變頻器驅(qū)動2.2 kW的異步電動機無級調(diào)速，帶動轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)系統(tǒng)的主運動。通過FX2N－20GM兩軸運動模塊與PLC進行數(shù)據(jù)交換，對單軸最大輸出頻率可達200 kHz，兩軸插補最大輸出頻率可達100 kHz。進而實現(xiàn)對步進電動機驅(qū)動器的控制，然后由驅(qū)動器控制相應的步進電動機在轉(zhuǎn)臂上的自由移動，實現(xiàn)直線、圓弧插補功能，以便完成密封槽加工所需要的徑向和軸向的進給。人機操作顯示屏采用臺達公司的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);

端面移動脈沖當量:0.001 mm;

直槽移動脈沖當量:0.001 mm;

端面移動進給速度:0～500 mm/min(無級);

徑向直槽移動進給速度:0～500 mm/min(無級);

機床電動機:2.2 kW、1 450 r/min;

刀架徑向移動步進電動機:＞6.5 N·m;

刀架軸向移動步進電動機:＞4.5 N·m。

5 結(jié)語

(1)該機器是為實現(xiàn)壓力容器小法蘭密封面現(xiàn)場加工與修復而設(shè)計的非標設(shè)備，可加工法蘭外徑φ300～700 mm。產(chǎn)品交付青島蘭石重型機械設(shè)備有限公司投入使用以來，取得了良好的經(jīng)濟效益。本裝置移動便捷，改變了以往“工件找機器”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)在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題:車刀打滑;機器的重量超出某些小法蘭的抗拉強度時可能把法蘭“掰斷”;沒有研究修復法蘭密封面的刀具，需要機床操作人員反復揣摩。這些問題需進一步優(yōu)化解決。

［1］何濤.法蘭密封面的修復［J］.安裝，2006(2):32.

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

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

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

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

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