重型燃氣輪機閥座密封面加工數(shù)控鏜孔設(shè)備研究

許飛，曹杰，童雙雙，李德平，張強

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽618000）

0 引 言

大型燃氣輪機調(diào)節(jié)閥承擔著燃氣輪機的功率調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的作用，其閥座密封面司太立合金層因經(jīng)常受到高溫、高壓介質(zhì)的腐蝕、沖蝕及閥芯密封面的沖擊極易損壞。我國國內(nèi)市場上的大型燃氣輪機調(diào)節(jié)閥均為整體鍛件結(jié)構(gòu)，其與燃氣輪機本體連接非常緊湊，如果該閥座密封面出現(xiàn)司太立合金密封面損壞的故障現(xiàn)象時，由于該閥座不具備拆卸返廠維修的條件，只能通過現(xiàn)場修復(fù)，而現(xiàn)場通過人工處理的難度非常大，因此需要研制一種全新的便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備才能夠滿足現(xiàn)場加工的作業(yè)需求。

便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、適應(yīng)性強、操作簡單、工作性能好等特點。作為一臺二次加工設(shè)備，該便攜式鏜孔設(shè)備的加工精度直接影響所修復(fù)的重型燃氣輪機閥座密封面的使用性能，因此設(shè)計一套高性能、高精度的便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備具有極其重要的現(xiàn)實意義[1]。

據(jù)分析，大型燃氣輪機閥座司太立合金層密封面的型線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不是常規(guī)的直線及斜面，因此需要研制的便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備應(yīng)具備圓弧過渡、球面等復(fù)雜型線的密封面加工能力。因此該設(shè)備應(yīng)具備坐標聯(lián)動功能和坐標插補功能，且同時應(yīng)具有刀具半徑補償、長度補償、反向間隙補償?shù)裙δ堋８鶕?jù)現(xiàn)場的操作情況，該設(shè)備還應(yīng)具備現(xiàn)場模塊化組裝、設(shè)備輕巧簡單、操作方便等特點。

因此為滿足以上要求，通過設(shè)計研究，提出了一種用于燃氣輪機閥座密封面加工的便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備的解決方案。

1 便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)

圖1所示為便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖，該便攜式鏜孔設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)由徑向進給裝置、固定調(diào)節(jié)支座、主軸鏜桿、齒輪箱體等部分組成。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖

通過統(tǒng)計國內(nèi)D100、D150、D145、D260、D310等機型的重型燃氣輪機調(diào)節(jié)閥閥座的規(guī)格，提出了該便攜式鏜孔設(shè)備的主要設(shè)計尺寸及運行參數(shù)，其主要設(shè)計參數(shù)為：主軸鏜桿的垂直進給運動速度為0～250 mm/min；最大行程為250 mm；刀具徑向進給運動速度為0～150 mm/min，刀具徑向進給行程為60 mm；主軸鏜桿的設(shè)計轉(zhuǎn)速為0～150 r/min；安裝直徑為φ400～φ1000 mm；內(nèi)孔加 工 范 圍 為φ100 ～φ500 mm。

2 便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備的主要傳動系統(tǒng)

為滿足大型燃氣輪機閥座密封面現(xiàn)場加工的功能要求，本文提供了一套燃機閥座密封面加工便攜式鏜孔設(shè)備的機械傳動設(shè)計方案，其傳動系統(tǒng)簡圖如圖2所示。

圖2 傳動系統(tǒng)簡圖

便攜式鏜孔設(shè)備的傳動路線分為3路：一路由伺服電動機通過蝸輪蝸桿傳動帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)主軸鏜桿的垂直上升和下降運動；一路由主軸旋轉(zhuǎn)伺服電動機通過錐齒輪傳動、直齒輪傳動，實現(xiàn)主軸鏜桿的旋轉(zhuǎn)動作；一路由徑向進刀伺服電動機通過錐齒輪傳動，通過一套周轉(zhuǎn)輪系，將動力傳遞至徑向進刀刀桿，通過刀桿末端的錐齒輪嚙合，最終通過徑向進給裝置實現(xiàn)刀具的徑向進給運動。

該攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備的核心技術(shù)在于此傳動系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)輪系，該周轉(zhuǎn)輪系的自由度為2。根據(jù)該周轉(zhuǎn)輪系的自由度數(shù)，該周轉(zhuǎn)輪系為一組差動輪系[2]。其主要作用為解決徑向進刀運動與主軸鏜桿旋轉(zhuǎn)運動之間的相互干涉，使徑向進刀運動不受鏜桿旋轉(zhuǎn)運動的影響。

該套差動輪系能夠?qū)崿F(xiàn)徑向進刀裝置存在的3種工作狀態(tài)：一是主軸鏜桿旋轉(zhuǎn)，徑向進刀裝置不進給；二是主軸鏜桿不旋轉(zhuǎn)，徑向進刀裝置單獨進給；三是主軸鏜桿旋轉(zhuǎn)，徑向進刀裝置同時進給。

為準確描述該套便攜式鏜孔設(shè)備的傳動原理，本文對傳動系統(tǒng)簡圖內(nèi)的主要齒輪進行了編號，如圖3所示。下面對傳動系統(tǒng)過程中已編號齒輪工作狀態(tài)進行介紹，無特殊表述的均為直齒圓柱齒輪。

圖3 齒輪編號圖

第一種工作狀態(tài)：主軸鏜桿旋轉(zhuǎn)時，徑向進刀裝置不進給。此時徑向進給伺服電動機不轉(zhuǎn)動，則行星架H（蝸輪）不轉(zhuǎn)動，主軸鏜桿驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動。如果要使徑向進刀裝置不移動，則錐齒輪303不能繞其軸心旋轉(zhuǎn)，錐齒輪301（包括其上部的徑向進給拖板、絲杠及齒輪303）與主軸鏜桿同步旋轉(zhuǎn)，則滿足這種狀態(tài)。齒輪301的轉(zhuǎn)速與主軸鏜桿同步，則齒輪235到齒輪150的傳動比與齒輪237到齒輪250的傳動比相等。為滿足這種狀態(tài)，現(xiàn)將齒輪235到齒輪150的傳動比與齒輪237到齒輪250的傳動比均設(shè)計為1。相關(guān)的齒輪參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪參數(shù)表

齒輪235到齒輪150的傳動比為51×22×16×18/（22×17×18×48）=1；齒輪237到齒輪250的傳動比為51/51=1。

主軸鏜桿不旋轉(zhuǎn)時，徑向進刀裝置進給。此時主軸鏜桿驅(qū)動電動機不轉(zhuǎn)動。則齒輪235和齒輪237不轉(zhuǎn)動。徑向進給伺服電動機轉(zhuǎn)動，則行星架H(蝸輪)轉(zhuǎn)動。帶動齒輪133、齒輪135繞蝸輪中心線公轉(zhuǎn)。

主軸鏜桿旋轉(zhuǎn)，徑向進刀裝置進給，此時則是兩個獨立的運動通過行星差動輪系的合成，實現(xiàn)整個便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備的加工功能。

3 便攜式數(shù)控鏜孔機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

為滿足便攜式鏜孔設(shè)備應(yīng)具備圓弧過渡、球面等復(fù)雜型線的密封面加工功能，要求其電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備兩坐標聯(lián)動功能，并可實現(xiàn)兩坐標聯(lián)動的插補加工。應(yīng)具有刀具半徑補償、長度補償、反向間隙補償?shù)裙δ?。因此在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時，優(yōu)先考慮數(shù)控系統(tǒng)+伺服控制系統(tǒng)。同時考慮到電氣控制系統(tǒng)應(yīng)具備模塊化及現(xiàn)場的方便組裝、可編程控制及網(wǎng)絡(luò)集成功能等要求，選取了SINUMERIK-840DSL進行控制系統(tǒng)組態(tài)，控制系統(tǒng)組態(tài)圖及相關(guān)型號選型如圖4所示。

圖4 電氣系統(tǒng)組態(tài)圖

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時，考慮到現(xiàn)場操作的移動性便攜性，在主控制面板選擇時，優(yōu)先選用了SINUMERIK移動式HT8手持終端，通過其實現(xiàn)設(shè)備操作、設(shè)備監(jiān)控的完整功能。同時配備有觸控筆，即使在佩戴手套的情況下，也可以輕松地操作觸摸[3]。

電動機伺服驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)先選取SINAMICS-S120伺服驅(qū)動器，采用一個非調(diào)節(jié)型電源模塊（SLM）、一個單軸驅(qū)動模塊和一個雙軸驅(qū)動模塊組成，其中單軸驅(qū)動模塊驅(qū)動主軸電動機，雙軸驅(qū)動模塊驅(qū)動2個進給電動機。單軸驅(qū)動模塊通過DRIVE-CLIQ通信電纜與NCU進行通信，2個驅(qū)動模塊之間通過DRIVE-CLIQ通信電纜跨接[3]。

電動機采用緊湊型永磁同步電動機，主軸電動機額定功率為2.6 kW，額定轉(zhuǎn)矩為12.5 N·m，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為16 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，不帶抱閘；進給電動機額定功率為0.8 kW，額定轉(zhuǎn)矩為2.6 N·m，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩為3 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，均帶抱閘。

4 結(jié) 語

該套便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備具有機械結(jié)構(gòu)先進、布局合理、模塊化集成度高等優(yōu)點。其在機械傳動設(shè)計方面最大的創(chuàng)新點是在后端齒輪箱體內(nèi)采用了一套二自由度行星差動機構(gòu)，解決了主軸鏜桿旋轉(zhuǎn)運動與徑向進刀運動的干涉問題，實現(xiàn)了兩個運動的相互獨立。為電氣控制系統(tǒng)通過伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)徑向進刀運動、主軸鏜桿垂直進給運動、主軸鏜桿旋轉(zhuǎn)運動三個運動的插補計算提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。進而為實現(xiàn)重型燃氣輪機閥座密封面復(fù)雜型線的數(shù)控加工提供了保障。

該套便攜式數(shù)控鏜孔設(shè)備主軸鏜桿采用空心結(jié)構(gòu)，徑向進給運動通過空心主軸鏜桿內(nèi)部傳動桿將動力傳遞至徑向刀具進給裝置，從而實現(xiàn)刀具的徑向運動，其具有結(jié)構(gòu)先進、安全可靠的特點。