新型翻轉(zhuǎn)機(jī)定位約束模型與大封頭翻轉(zhuǎn)工藝

周玉林，楊 召，邱雪松，史樹陽(yáng)

（燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

1 引言

核電封頭屬于核電大型鍛件，是組成反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器等核安全一級(jí)設(shè)備的核心零部件[1-2]。在切削加工、焊接裝配、探傷等工藝過程中，經(jīng)常需要對(duì)核電封頭進(jìn)行180°的姿態(tài)變換。但是，核電封頭徑向尺寸主要為（3.0～6.3）m，軸向尺寸為（2.1～2.9）m，質(zhì)量為（67～148）t，超大的尺寸規(guī)格、復(fù)雜的外部形狀以及巨大的質(zhì)量都對(duì)翻轉(zhuǎn)設(shè)備的性能提出了嚴(yán)格的要求。

國(guó)內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用雙天車、并行長(zhǎng)鋼索將封頭托起于空中，鋼索兩端同步收、放使封頭在鋼索上滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的工藝[10]。突出的問題是：所需工藝準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)、翻轉(zhuǎn)效率低、操作難度大；人工操作多環(huán)節(jié)存在不確定性，特別是側(cè)向無硬約束、易發(fā)安全事故；且增加了封頭表面擦傷風(fēng)險(xiǎn)、影響產(chǎn)品質(zhì)量。不符合核電裝備生產(chǎn)與運(yùn)行安全的國(guó)家政策規(guī)定。因此，翻轉(zhuǎn)裝備和配套新工藝是核電裝備生產(chǎn)中大型鍛件姿態(tài)變位的安全[11]保證。

針對(duì)大型工件的翻轉(zhuǎn)，文獻(xiàn)[3-4]應(yīng)用于ITER托卡馬克組件的90°翻轉(zhuǎn)設(shè)備，文獻(xiàn)[5]等對(duì)可實(shí)現(xiàn)90°翻轉(zhuǎn)同時(shí)降低工件位置高度的翻轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行了構(gòu)型綜合。文獻(xiàn)[6-8]分別設(shè)計(jì)了應(yīng)用于核電直筒節(jié)件的90°翻轉(zhuǎn)變位設(shè)備。分析發(fā)現(xiàn)，上述研究均屬于單一功能技術(shù)裝備，只能實(shí)現(xiàn)工件的90°翻轉(zhuǎn)，且可翻轉(zhuǎn)工件類型較少，設(shè)備利用率較低。文獻(xiàn)[9]等設(shè)計(jì)開發(fā)了一種應(yīng)用于核電工件90°及180°翻轉(zhuǎn)的裝備。但也不屬于雙功能設(shè)備，在實(shí)際使用中，完成翻轉(zhuǎn)的裝備。但也不屬于雙功能設(shè)備，在實(shí)際使用中，完成180°翻轉(zhuǎn)的裝備。但也不屬于雙功能設(shè)備，在實(shí)際使用中，完成翻轉(zhuǎn)時(shí)需兩臺(tái)翻轉(zhuǎn)機(jī)協(xié)同作業(yè)，導(dǎo)致工藝的可操作性及安全性降低、實(shí)際可使用性差。

文獻(xiàn)[12-14]研究設(shè)計(jì)的新型雙功能重載翻轉(zhuǎn)機(jī)，可用于實(shí)現(xiàn)直筒節(jié)、錐形筒節(jié)、管板和封頭等核電大型工件的90°及180°翻轉(zhuǎn)變位?？煞D(zhuǎn)工件最大質(zhì)量達(dá)270t，最大直徑達(dá)6700mm，最大高度達(dá)5400mm。正常情況下設(shè)備約束工件的臺(tái)面工作空間是有限的，對(duì)部分弓高過大、超出臺(tái)面工作空間的一類封頭，采用原有翻轉(zhuǎn)工藝方法不能完成180°翻轉(zhuǎn)。大型設(shè)備成本高昂，為避免設(shè)計(jì)制造新設(shè)備，有必要對(duì)翻轉(zhuǎn)方法、約束模型與工藝進(jìn)行研究。

根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)的臺(tái)面工作空間將核電封頭分為常規(guī)封頭與超空間封頭，提出了超空間封頭定位的可變幾何硬約束模型，建立封頭定位的多參數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出了定位工藝參數(shù)的計(jì)算函數(shù)，得到了定位參數(shù)工程數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)備原理及定位參數(shù)制定了兩種核電封頭的180°翻轉(zhuǎn)新工藝，提高了設(shè)備的利用率、生產(chǎn)率。

2 核電封頭與定位幾何約束模型

2.1 基于形狀與弓高的封頭分類

雙功能重載翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主要包括滾轉(zhuǎn)車體、移動(dòng)工作臺(tái)和翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)，其中滾轉(zhuǎn)車體包括水平工作臺(tái)和側(cè)立工作臺(tái)，翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)工作面內(nèi)設(shè)置有定位擋塊。該設(shè)備翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)移動(dòng)任意位置時(shí)，其翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸距水平工作臺(tái)的距離用t表示，翻轉(zhuǎn)機(jī)臺(tái)面設(shè)計(jì)開度（最大移動(dòng)距離）2400mm，轉(zhuǎn)軸距翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)臺(tái)面距離507mm，所以t∈[507，2907]。V型槽深度為480mm，水平工作臺(tái)與翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)相對(duì)時(shí)，只有一個(gè)V 型槽部分空間可利用。經(jīng)計(jì)算得翻轉(zhuǎn)機(jī)的最大有效工作高度為2880mm。

圖1 翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)與臺(tái)面工作空間Fig.1 The Structure and Workspace of the Upender

核電封頭分為球冠形封頭和帶直邊的半球形封頭兩類，其關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。其中，編號(hào)1到3屬于球冠形、4到6屬于半球形。4號(hào)和6號(hào)封頭弓高較大超出臺(tái)面開度，稱為超空間封頭。

表1 部分核電封頭尺寸Tab.1 Dimensions of Partial Nuclear Power Head（mm）

2.2 超空間封頭定位的幾何硬約束模型

新型翻轉(zhuǎn)機(jī)利用核電鍛件為回轉(zhuǎn)體、端面與回轉(zhuǎn)軸線垂直的幾何特征，采用重力封閉條件下的空間可變幾何硬約束組合，對(duì)工件進(jìn)行定位和硬約束，保證工件翻轉(zhuǎn)變位全過程安全可靠?？臻g可變幾何硬約束模型，如圖2所示。其中水平工作臺(tái)由平面加中央V 型槽構(gòu)成，側(cè)立工作臺(tái)作為約束工件的廣義中央V 型槽，兩工作臺(tái)彼此垂直、兩V型槽中心對(duì)位；翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)同樣由平面加中央V型槽構(gòu)成，且平面內(nèi)設(shè)置兩個(gè)可移動(dòng)定位擋塊，相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡呈外向開口V形，構(gòu)成可變深度V型槽、用于約束工件外回轉(zhuǎn)面；翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)相對(duì)水平工作臺(tái)可翻轉(zhuǎn)β∈[0，90°]，同時(shí)可以沿側(cè)立工作臺(tái)移動(dòng)t∈[507，2907]，整體構(gòu)成的串聯(lián)機(jī)構(gòu)形式兩自由度空間可變幾何硬約束模型。

將翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)與側(cè)立（移動(dòng)）工作臺(tái)重合、并鎖定，形成整體L幾何硬約束，如圖2（a）所示，用于工件90°翻轉(zhuǎn)；將翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)90°，與水平工作臺(tái)平行并鎖定，停位t值對(duì)應(yīng)工件高度，形成整體U可變幾何硬約束，如圖2（b）所示，用于工件180°翻轉(zhuǎn)。類似，用于翻轉(zhuǎn)弓高小于翻轉(zhuǎn)機(jī)臺(tái)面有效工作高度2880mm常規(guī)封頭時(shí)，翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)與水平工作臺(tái)的角度β默認(rèn)為0°，停位t值對(duì)應(yīng)工件高度。對(duì)超空間封頭，弓高大于翻轉(zhuǎn)機(jī)臺(tái)面有效工作高度2880mm，原有工藝不再適用。需要采用新方法、建立新的幾何約束模型、制訂不同翻轉(zhuǎn)工藝。

圖2 幾何硬約束模型Fig.2 Geometric Hard Constraint Model

基本設(shè)想：在不改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)、原有幾何約束基礎(chǔ)上，將移動(dòng)工作臺(tái)的停位t值置于極限位置下側(cè)附近；翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)相對(duì)水平工作臺(tái)上翹一個(gè)小角度，即翻轉(zhuǎn)角設(shè)為變量、并限制β∈[0，10°]，形成新的鋸齒形幾何硬約束模型，如圖2（c）所示。另一方面，工件吊入時(shí)在水平工作臺(tái)上停放位置即封頭頂點(diǎn)落位G距離側(cè)立工作臺(tái)距離設(shè)為變量s，向外移動(dòng)增量。同時(shí)，車體正向滾轉(zhuǎn)一定角度使封頭端面（向內(nèi)傾斜β）內(nèi)側(cè)低于翻轉(zhuǎn)臺(tái)工作面的有效工作高度。形成特定超空間封頭定位的幾何硬約束模型。

3 核電封頭定位工藝參數(shù)的數(shù)學(xué)模型

基于新型雙功能翻轉(zhuǎn)機(jī)的核電封頭180°翻轉(zhuǎn)分為端面向上和端面向下兩種情況。常規(guī)封頭端面向上180°翻轉(zhuǎn)定位工藝參數(shù)為翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)軸距水平工作臺(tái)的距離t，稱之為豎直定位工藝參數(shù)；超空間封頭的定位工藝參數(shù)除t之外，還包括封頭頂點(diǎn)落位G距側(cè)立工作臺(tái)的距離s，稱之為水平定位工藝參數(shù)；封頭端面與水平傾斜角度β。

對(duì)常規(guī)封頭和超空間封頭端面向下的180°翻轉(zhuǎn)，初始狀態(tài)為端面置于翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)的臺(tái)面之上，定位工藝參數(shù)為豎直定位工藝參數(shù)t和定位擋塊間距702mm。

3.1 定位工藝參數(shù)函數(shù)

常規(guī)封頭端面水平向上放置于水平工作臺(tái)的接觸幾何狀態(tài)，如圖3所示。封頭豎直定位工藝參數(shù)為：

圖3 常規(guī)封頭與水平工作臺(tái)V型槽接觸狀態(tài)Fig.3 Contact Geometry State Between the Ordinary Heads and the Horizontal Workbench V Groove

式中：r—封頭球面半徑；

h—封頭高度；

u1—翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)轉(zhuǎn)軸到翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)臺(tái)面的距離，u1=507mm；

α—V型槽側(cè)邊角度，α=15.75°；

a—V型槽深度，a=480mm。

帶直邊半球形超空間封頭定位與幾何約束關(guān)系狀態(tài)，如圖4所示。由幾何關(guān)系可知

圖4 超空間封頭定位約束狀態(tài)Fig.4 Positioning Constraint State of the Especial Heads

式中：β—封頭端面傾斜角度。

帶直邊半球形超空間封頭的端面與側(cè)立工作臺(tái)的中央V型槽的槽壁相切于點(diǎn)P(x0，y0)，如圖5所示。由幾何關(guān)系可知

圖5 超空間封頭與側(cè)立工作臺(tái)V型槽接觸狀態(tài)Fig.5 Contact Geometry State Between the Especial Heads and the Vertical Workbench V Groove

由式（4）、式（5）得封頭端面中心到側(cè)立工作臺(tái)的距離為：

經(jīng)整理得超空間封頭豎直定位工藝參數(shù)為：

當(dāng)β=0時(shí)，式（7）退化為式（1）。

由式（3）和式（6）得超空間封頭水平定位工藝參數(shù)為：

雌飛魚會(huì)小心翼翼地將魚卵產(chǎn)在棕櫚葉的葉柄上，它們的卵又輕又小，卵的表面有許多絲狀突起物，這些呈絲狀且有一定黏性的突起物可以把飛魚卵牢牢地纏在棕櫚葉上。

3.2 求解定位工藝參數(shù)

試算：根據(jù)待翻轉(zhuǎn)封頭幾何參數(shù)，由式（1）計(jì)算封頭豎直定位工藝參數(shù)t，其值大于上限值2907mm，則判斷待翻轉(zhuǎn)封頭為超空間封頭；針對(duì)超空間封頭，取t值為上限值、連同工件幾何參數(shù)代入式（7），經(jīng)計(jì)算4 號(hào)和6 號(hào)封頭屬于超封頭，傾斜角分別為1.85°和3.09°。

綜合考慮生產(chǎn)實(shí)際多因素影響、設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可靠性，應(yīng)避開極限位置。取β1=0、β2=0、β3=0、β4=3°、β5=0、β6=5°，由式（7）、式（8）求得工藝參數(shù)s、t，如表2所示。

表2 封頭定位工藝參數(shù)Tab.2 Head Positioning Process Parameters

4 基于新型翻轉(zhuǎn)機(jī)的封頭翻轉(zhuǎn)方法與工藝

由于翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)與移動(dòng)工作臺(tái)重量較大，調(diào)整移動(dòng)工作臺(tái)停位時(shí)，需使翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)與移動(dòng)工作臺(tái)疊合并且臺(tái)面水平，收繩機(jī)構(gòu)將鋼絲繩收攏至極限位置，稱此狀態(tài)為新型翻轉(zhuǎn)機(jī)的初始工位。規(guī)定滾轉(zhuǎn)正方向?yàn)閳D1所示逆時(shí)針方向。

4.1 常規(guī)封頭的180°翻轉(zhuǎn)方法與工藝

常規(guī)封頭端面向上180°翻轉(zhuǎn)時(shí)，翻轉(zhuǎn)過程，如圖6所示。定位工藝參數(shù)中，翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)處于水平，所以β取0；吊裝封頭緊靠側(cè)立工作臺(tái)，s被間接確定；只有豎直定位工藝參數(shù)t為變量，由式（1）可求出其值。

圖6 常規(guī)封頭翻轉(zhuǎn)過程Fig.6 The Ordinary Heads Flipping Process

根據(jù)t值調(diào)整處于水平狀態(tài)的移動(dòng)工作臺(tái)停位、鎖定，車體反向滾轉(zhuǎn)90°使移動(dòng)工作臺(tái)鉛錘。封頭吊入水平工作臺(tái)，端面水平且外圓緊靠側(cè)立工作臺(tái)V型槽，實(shí)現(xiàn)初步約束定位。翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)90°扣在封頭端面上，移動(dòng)擋塊接觸約束封頭外回轉(zhuǎn)面，完成對(duì)封頭的完整全約束定位。車體攜工件正向滾轉(zhuǎn)135°，翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)接過工件載荷后，車體反向滾轉(zhuǎn)90°，同時(shí)正向卷?yè)P(yáng)放、反向卷?yè)P(yáng)收保證翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)絕對(duì)坐標(biāo)系下姿態(tài)不變，至翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)與移動(dòng)工作臺(tái)疊合。車體正向滾轉(zhuǎn)45°，工件端面扣在翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)上完成180°翻轉(zhuǎn)。常規(guī)封頭端面向下180°翻轉(zhuǎn)時(shí)，需要調(diào)整的定位工藝參數(shù)為豎直定位工藝參數(shù)t和定位擋塊間距702mm。

首先根據(jù)參數(shù)t調(diào)整移動(dòng)工作臺(tái)停位、鎖定，然后調(diào)整定位擋塊間距702mm。將封頭吊入翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，端面與翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)平面接觸、外回轉(zhuǎn)面緊靠定位擋塊，與重力構(gòu)成封頭的不完整定位約束，車體連同工件整體反向滾轉(zhuǎn)45°后，保持翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)及工件空間姿態(tài)不變，車體正向滾轉(zhuǎn)90°，水平工作臺(tái)接觸封頭頂點(diǎn)，構(gòu)成完整定位約束。車體反向滾轉(zhuǎn)135°，封頭端面向上完成180°翻轉(zhuǎn)。移開定位擋塊，翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)回翻90°與移動(dòng)工作臺(tái)重合，吊離封頭。常規(guī)封頭端面向上和端面向下的180°翻轉(zhuǎn)工藝，如圖7、圖8所示。

圖7 常規(guī)封頭端面向上180°翻轉(zhuǎn)工藝Fig.7 180 Degree Flipping Process of the Ordinary Heads End Face Upward

圖8 常規(guī)封頭端面向下180°翻轉(zhuǎn)工藝Fig.8 180 Degree Flipping Process of the Ordinary Heads End Face Downward

4.2 超空間封頭的180°翻轉(zhuǎn)方法與工藝

超空間封頭，即表2所列4號(hào)、6號(hào)封頭，端面向上180°翻轉(zhuǎn)時(shí)，翻轉(zhuǎn)過程，如圖9所示。依據(jù)封頭幾何參數(shù)、并取β4=3°、β6=5°，由式（7）、式（8）求出豎直定位工藝參數(shù)t和水平定位工藝參數(shù)s。

圖9 超空間封頭的定位約束過程Fig.9 Positioning Constraint Process of the Especial Heads

根據(jù)t值調(diào)整處于水平狀態(tài)的移動(dòng)工作臺(tái)停位、鎖定，車體反向滾轉(zhuǎn)90°使移動(dòng)工作臺(tái)鉛錘。將封頭吊入水平工作臺(tái)其頂點(diǎn)定位于s值處，車整體正向滾轉(zhuǎn)φ°，使封頭頂部沿水平工作臺(tái)V型槽內(nèi)滾、端面降低且外圓緊靠側(cè)立工作臺(tái)V型槽，封頭端面相對(duì)水平工作臺(tái)夾角為β，實(shí)現(xiàn)封頭的初步定位。翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)（90-β）°扣在封頭端面上，移動(dòng)擋塊約束封頭外回轉(zhuǎn)面，完成對(duì)封頭的完整全約束定位。車體攜工件正向滾轉(zhuǎn)（135-φ-β）°，翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)接過工件載荷后，車體反向滾轉(zhuǎn)（90-β）°，同時(shí)正向卷?yè)P(yáng)放、反向卷?yè)P(yáng)收保證翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)絕對(duì)坐標(biāo)系下姿態(tài)不變，至翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)與移動(dòng)工作臺(tái)疊合。車體正向滾轉(zhuǎn)45°，工件端面扣在翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)上完成180°翻轉(zhuǎn)。

超空間封頭端面向下180°翻轉(zhuǎn)時(shí)，需要調(diào)整的定位工藝參數(shù)為豎直定位工藝參數(shù)t和定位擋塊間距702mm。

首先根據(jù)參數(shù)t調(diào)整移動(dòng)工作臺(tái)停位、鎖定，然后調(diào)整定位擋塊間距702mm。將封頭吊入翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，端面與翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)平面接觸、外回轉(zhuǎn)面緊靠定位擋塊，與重力構(gòu)成封頭的不完整定位約束，車體連同工件一起反向滾轉(zhuǎn)45°后，保持翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)及工件空間姿態(tài)不變，車體正向滾轉(zhuǎn)（90-β）°，水平工作臺(tái)接觸封頭頂點(diǎn)，構(gòu)成完整定位約束。車體反向滾轉(zhuǎn)（135-φ-β）°，封頭端面向斜上方、保持側(cè)靠側(cè)立工作臺(tái)。移開定位擋塊，翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)回翻（90-β）°與移動(dòng)工作臺(tái)重合。車體反向繼續(xù)滾轉(zhuǎn)φ°，吊離封頭。

超空間封頭端面向上和端面向下的180°翻轉(zhuǎn)工藝，如圖10、圖11所示。

圖10 超空間封頭端面向上180°翻轉(zhuǎn)工藝Fig.10 180 Degree Flipping Process of the Especial Heads End Face Upward

圖11 超空間封頭端面向下180°翻轉(zhuǎn)工藝Fig.11 180 Degree Flipping Process of the Especial Heads End Face Downward

5 結(jié)論

（1）提出了可變幾何硬約束模型，實(shí)現(xiàn)超空間封頭在新型雙功能重載翻轉(zhuǎn)機(jī)中的定位、180°翻轉(zhuǎn)，解決了小工作空間翻轉(zhuǎn)大封頭的難題，提高了設(shè)備利用率，為核電特大鍛件的高效、安全生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)；

（2）建立了封頭定位約束工藝參數(shù)數(shù)學(xué)公式，能高效準(zhǔn)確地求解定位工藝參數(shù)；

（3）制定了常規(guī)及超空間大封頭翻轉(zhuǎn)的新工藝，并應(yīng)用于核電裝備生產(chǎn)工程實(shí)際。