張建新　李磊

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

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移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架研制*

張建新李磊

(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

基于大型鋼結(jié)構(gòu)建造場(chǎng)地施工，設(shè)計(jì)移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架。在火焰切割料架下方焊接結(jié)構(gòu)梁，應(yīng)用有限元分析方法并按照等載荷原則布置臺(tái)架支撐點(diǎn)，配置行走車輪。移動(dòng)料架采用低壓滑觸線供電，配備隨車控制和遙控器操縱兩種控制模式。目前，該設(shè)備已在海洋石油工程股份有限公司的海洋石油平臺(tái)建造項(xiàng)目中成功應(yīng)用并榮獲公司年度技改技革二等獎(jiǎng)。該設(shè)備的應(yīng)用，不僅提高上、下料效率，大幅度節(jié)省車體鋼材，而且有效降低切割料架臺(tái)面整體高度，提高其操作安全性。

數(shù)控火焰切割料架；有限元分析；低壓滑觸線；控制模式

基于大型鋼結(jié)構(gòu)建造場(chǎng)地規(guī)劃，大型鋼結(jié)構(gòu)建造通常室外場(chǎng)地施工，而板材切割需要用到數(shù)控火焰切割機(jī)。考慮到設(shè)備使用要求，大型鋼結(jié)構(gòu)建造場(chǎng)地通常采用工棚板房作為板材切割車間。受到空間及結(jié)構(gòu)的制約，板材切割工棚難以配備起重裝備。板材切割車間內(nèi)無法完成切割工件的上、下料工作[1-2]。

大型鋼結(jié)構(gòu)建造場(chǎng)地進(jìn)行大型鋼板數(shù)控火焰切割時(shí)，需要將被切割鋼板置于料架上。通常情況下，首先將料架及被切割鋼板吊裝到平板車上，由平板車將料架及被切割鋼板送入數(shù)控火焰切割車間的切割工位，待切割完畢，再由平板車將料架及工件送出車間并由室外起重設(shè)備將料架及工件從平板車上卸下來。由于平板車需要承載工件及料架重量，需要配置載重量較大的平板車；切割中，平板車底盤承受上方火焰的熱量，熱變形嚴(yán)重；料架頻繁吊裝，損傷嚴(yán)重。基于此，本文論述一種移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架的研制[3-5]。

1　料架結(jié)構(gòu)及行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)

數(shù)控火焰切割機(jī)進(jìn)行切割加工時(shí)，被切割鋼板需要放在料架上使其架空。料架為鋼材焊接件，其長(zhǎng)、寬尺寸根據(jù)被切割鋼板及火焰切割機(jī)火焰槍切割軌跡的最大范圍尺寸而定。

根據(jù)切割火焰長(zhǎng)度，料架高度一般不低于200 mm，料架通常直接放在地面使用，因此其橫向及縱向沒有結(jié)構(gòu)梁，橫向及縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度較低。移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架，在料架下方沿縱向及橫向焊接結(jié)構(gòu)梁，并在結(jié)構(gòu)梁下方安裝鋼質(zhì)車輪及驅(qū)動(dòng)裝置。在切割車間及外部建造場(chǎng)地之間鋪設(shè)鋼軌作為移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架取料、送料的行走軌道。

進(jìn)行大型鋼板數(shù)控火焰切割加工時(shí)，直接通過切割車間外起重設(shè)備將被切割鋼板吊裝到移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架上，并由移動(dòng)式料架將被切割鋼板送至數(shù)控火焰切割機(jī)下方的切割工位。待完成鋼板的切割后，再由移動(dòng)式料架將工件送出切割車間并由車間外起重設(shè)備從料架上取走工件。

1.2主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)鋼板規(guī)格，數(shù)控火焰切割機(jī)所切板材最大尺寸為長(zhǎng)12 m、寬3 m、厚度100 mm。單張板重達(dá)28 t?；谏鲜鰠?shù)，設(shè)計(jì)移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架技術(shù)參數(shù)如表1[6]。

表1移動(dòng)式料架主要技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目參數(shù)外形尺寸及重量長(zhǎng)/m12.5寬/m3.5高/m0.5重量/t5.5載重及速度額定載重/t50行走速度/(m/min)9.5車輪參數(shù)踏面直徑/mm350輪緣形式內(nèi)側(cè)單緣主動(dòng)輪數(shù)量2從動(dòng)輪數(shù)量6軸距/m3.2軌道參數(shù)鋼軌型號(hào)P24軌距/m2.2供電及操作供電方式低壓滑觸線控制方式遙控及隨車控制

1.3料架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架主要由車體臺(tái)架、從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)、主動(dòng)輪機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置組成(如圖1所示)。車體臺(tái)架主體結(jié)構(gòu)由橫向支撐梁、車輪支撐梁(縱向支撐梁)組成，采用H150 mm×150 mm型鋼焊接成橋式結(jié)構(gòu)，車體臺(tái)架下方點(diǎn)焊鋪設(shè)冷板，以防止切割過程中熔渣掉落；車體臺(tái)架上方與切割料架焊接成整體，這樣，不僅有效提高了車體臺(tái)架的剛度及強(qiáng)度，而且充分利用了原有料架的材料；在不增加車體總重量的前提下，總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度優(yōu)于原有的料架及平板車底盤。

車體臺(tái)架(含焊接料架)承載主要載重，設(shè)計(jì)載荷為50 t，車體臺(tái)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，遵循等載荷原則，通過合理布置支撐點(diǎn)，充分利用材料。車體臺(tái)架的強(qiáng)度及剛度的計(jì)算，是車體臺(tái)架結(jié)構(gòu)校核的重要項(xiàng)目；與車輪支撐軸承座之間的反力，是核定車輪及軌道載重量的重要依據(jù)。

車體臺(tái)架受力分析如圖2所示。

由于移動(dòng)式火焰切割機(jī)料架上放置的被切鋼板質(zhì)量是均勻的，總體上來講，車體臺(tái)架所受到的載荷是工作臺(tái)面上的均布載荷F。每一個(gè)車輪通過兩個(gè)軸承座施加于車體上兩個(gè)支撐反力，車體上總共有16個(gè)支撐點(diǎn)。

按照車體臺(tái)架額定載荷的設(shè)計(jì)，利用Ansys建立力學(xué)模型，進(jìn)行有限元分析得到應(yīng)力分析結(jié)果及豎直方向(Y向)位移分析結(jié)果如圖3及圖4所示。

結(jié)果表明：當(dāng)車體臺(tái)架承受50 t均布載荷時(shí)，車體最大應(yīng)力值為64.18 MPa，車體材料選用Q235，安全系數(shù)可以達(dá)到3.5，能滿足屈服強(qiáng)度要求；車體臺(tái)架沿豎直方向最大位移值為向下2.12 mm，滿足電動(dòng)平車技術(shù)條件(JB/T6172)的相關(guān)規(guī)定。

車體臺(tái)架共有16個(gè)支撐點(diǎn)，16個(gè)支撐點(diǎn)的最大支撐反力及最小支撐反力分別為：

Rmax=30 669 N

(1)

Rmin=30 598 N

(2)

計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)各支撐點(diǎn)支撐反力分布均勻，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

1.4料架行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架的行走機(jī)構(gòu)(車輪總成)主要由車輪、傳動(dòng)軸以及傳動(dòng)軸臺(tái)架下方兩端的軸承座組成(如圖5所示)。軸承座底面通過墊板安裝于車體縱向橋式雙梁下方。

車輪總成總共8套，其中有2套車輪總成為主動(dòng)輪總成，主動(dòng)輪由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)行星擺線減速機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪，鏈輪經(jīng)鏈條帶動(dòng)從動(dòng)鏈輪。從動(dòng)鏈輪安裝于主動(dòng)輪總成的傳動(dòng)軸上并帶動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪傳動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)如表2。

表2主動(dòng)輪傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

項(xiàng)目參數(shù)電動(dòng)機(jī)功率/kW1.5電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/(r/min)1390減速機(jī)速比59鏈傳動(dòng)速比30:11

根據(jù)車體臺(tái)架支撐反力計(jì)算結(jié)果，8個(gè)車輪受力比較均勻，單個(gè)車輪承受重量大約7 t(含車體臺(tái)架重量)。車輪選用踏面直徑350 mm的內(nèi)側(cè)單緣鋼質(zhì)車輪，配置P24軌道。該配置，單個(gè)車輪大約能承載10.2 t的重量，滿足強(qiáng)度要求。

2　電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架采用低壓滑觸線供電。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為2臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)電源電壓380 V。主電路如圖6a所示，系統(tǒng)將車間三相電源接入移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架的地面配電柜，三相電源經(jīng)降壓隔離變壓器降為40 V三相交流電源并接入地面滑觸線，經(jīng)過車載授電裝置將滑觸線電源接入車載升壓隔離變壓器，升壓為380 V三相交流電源并經(jīng)過電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路為電動(dòng)機(jī)供電。

2.2操縱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制電路如圖6所示：電源供電控制電路(圖6b)采用接觸器自鎖控制電路，并配備有過流延時(shí)保護(hù)及狀態(tài)指示電路；行車控制(圖6c、d)包括隨車按鈕控制和遙控器控制，兩者通過轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1切換，遙控器控制電路為點(diǎn)動(dòng)控制方式，隨車控制包括點(diǎn)動(dòng)和長(zhǎng)動(dòng)控制方式，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)SA切換。行車過程中，通過聲光報(bào)警電路(圖6e)給出聲光報(bào)警信號(hào)[7-8]。

3　應(yīng)用

移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架試制完成并安裝后，進(jìn)行了50 t的載荷試驗(yàn)，車體縱向結(jié)構(gòu)梁最大沉降量約2 mm，符合電動(dòng)平車技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)(JB/T6172)的相關(guān)規(guī)定。移動(dòng)料架供電正常，運(yùn)行平穩(wěn)?？刂葡到y(tǒng)各項(xiàng)功能符合設(shè)計(jì)要求。目前，該設(shè)備已在海洋石油工程股份有限公司的海洋石油平臺(tái)建造項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用(圖7)。與在電動(dòng)平板車上搭載火焰切割料架方案相比，不僅有效提高上、下料的效率，而且車體及料架總體重量減輕大約5 t，大幅度節(jié)省鋼材，單臺(tái)套成本降低大約12萬元；料架臺(tái)面整體高度降低0.3 m，有利于提高操作的安全性[9]。該設(shè)備的研制榮獲公司年度技改技革二等獎(jiǎng)。

4　結(jié)語

移動(dòng)式數(shù)控火焰切割機(jī)料架是集火焰切割料架與電動(dòng)平板車于一體的設(shè)計(jì)方案。這一方案能有效提高料架及車體臺(tái)架的強(qiáng)度與剛度，在車輪及車體臺(tái)架支撐點(diǎn)的布置上，遵循等載荷設(shè)計(jì)原則，均勻分布各個(gè)支點(diǎn)的載荷，有利于各個(gè)車輪承載能力的充分發(fā)揮，從而選用較小規(guī)格車輪及軌道，并降低料架的整體高度。采用低壓滑觸線供電，安全可靠。隨車控制與遙控器的控制方式，操作便利。

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Research on movable rack for NC flame cutting machine

ZHANG Jianxin, LI Lei

(Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin 300350, CHN)

Considering the manufacturing of large steel structure, movable rack for NC flame cutting machine is developed. Structural beam is welded under flame cutting rack. According to equal load principle and applying finite element method，wheels are allocated below structural beam. Movable rack is powered through low voltage slide contact. Dual control mode，which are vehicle control and remote control manipulator, is equipped. This project has been applied successfully in China Offshore Oil Engineering Corp and awarded annual technical innovation prize. The application of this equipment will not only increase the efficiency, reduce cost remarkably, but also improve operational safety greatly.

rack for NC flame cutting machine; finite element method; low voltage slide contact; control mode

TH17

B

張建新，男，1980年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。

(編輯孫德茂)(2015-11-10)

160550

天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(13ZCZDGX01500)，國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAK06B04)