重型燃氣輪機閥座密封面加工數控鏜孔設備研究

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

大型燃氣輪機調節閥承擔著燃氣輪機的功率調節和轉速調節的作用，其閥座密封面司太立合金層因經常受到高溫、高壓介質的腐蝕、沖蝕及閥芯密封面的沖擊極易損壞。我國國內市場上的大型燃氣輪機調節閥均為整體鍛件結構，其與燃氣輪機本體連接非常緊湊，如果該閥座密封面出現司太立合金密封面損壞的故障現象時，由于該閥座不具備拆卸返廠維修的條件，只能通過現場修復，而現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控鏜孔設備才能夠滿足現場加工的作業需求。

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

據分析，大型燃氣輪機閥座司太立合金層密封面的型線結構復雜，不是常規的直線及斜面，因此需要研制的便攜式數控鏜孔設備應具備圓弧過渡、球面等復雜型線的密封面加工能力。因此該設備應具備坐標聯動功能和坐標插補功能，且同時應具有刀具半徑補償、長度補償、反向間隙補償等功能。根據現場的操作情況，該設備還應具備現場模塊化組裝、設備輕巧簡單、操作方便等特點。

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

1 便攜式數控鏜孔設備的主要結構和參數

圖1所示為便攜式數控鏜孔設備結構簡圖，該便攜式鏜孔設備的主要結構由徑向進給裝置、固定調節支座、主軸鏜桿、齒輪箱體等部分組成。

圖1 設備結構簡圖

通過統計國內D100、D150、D145、D260、D310等機型的重型燃氣輪機調節閥閥座的規格，提出了該便攜式鏜孔設備的主要設計尺寸及運行參數，其主要設計參數為：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；主軸鏜桿的設計轉速為0～150 r/min；安裝直徑為φ400～φ1000 mm；內孔加 工 范 圍 為φ100 ～φ500 mm。

2 便攜式數控鏜孔設備的主要傳動系統

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

圖2 傳動系統簡圖

便攜式鏜孔設備的傳動路線分為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動，實現主軸鏜桿的垂直上升和下降運動；一路由主軸旋轉伺服電動機通過錐齒輪傳動、直齒輪傳動，實現主軸鏜桿的旋轉動作；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刀具的徑向進給運動。

該攜式數控鏜孔設備的核心技術在于此傳動系統的周轉輪系，該周轉輪系的自由度為2。根據該周轉輪系的自由度數，該周轉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運動之間的相互干涉，使徑向進刀運動不受鏜桿旋轉運動的影響。

該套差動輪系能夠實現徑向進刀裝置存在的3種工作狀態：一是主軸鏜桿旋轉，徑向進刀裝置不進給；二是主軸鏜桿不旋轉，徑向進刀裝置單獨進給；三是主軸鏜桿旋轉，徑向進刀裝置同時進給。

為準確描述該套便攜式鏜孔設備的傳動原理，本文對傳動系統簡圖內的主要齒輪進行了編號，如圖3所示。下面對傳動系統過程中已編號齒輪工作狀態進行介紹，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：主軸鏜桿旋轉時，徑向進刀裝置不進給。此時徑向進給伺服電動機不轉動，則行星架H（蝸輪）不轉動，主軸鏜桿驅動電動機轉動。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，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，則滿足這種狀態。齒輪301的轉速與主軸鏜桿同步，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，現將齒輪235到齒輪150的傳動比與齒輪237到齒輪250的傳動比均設計為1。相關的齒輪參數如表1所示。

表1 齒輪參數表

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。

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

主軸鏜桿旋轉，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，實現整個便攜式數控鏜孔設備的加工功能。

3 便攜式數控鏜孔機電氣控制系統設計

為滿足便攜式鏜孔設備應具備圓弧過渡、球面等復雜型線的密封面加工功能，要求其電氣控制系統應具備兩坐標聯動功能，并可實現兩坐標聯動的插補加工。應具有刀具半徑補償、長度補償、反向間隙補償等功能。因此在電氣控制系統設計時，優先考慮數控系統+伺服控制系統。同時考慮到電氣控制系統應具備模塊化及現場的方便組裝、可編程控制及網絡集成功能等要求，選取了SINUMERIK-840DSL進行控制系統組態，控制系統組態圖及相關型號選型如圖4所示。

圖4 電氣系統組態圖

電氣控制系統設計時，考慮到現場操作的移動性便攜性，在主控制面板選擇時，優先選用了SINUMERIK移動式HT8手持終端，通過其實現設備操作、設備監控的完整功能。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]。

電動機伺服驅動系統優先選取SINAMICS-S120伺服驅動器，采用一個非調節型電源模塊（SLM）、一個單軸驅動模塊和一個雙軸驅動模塊組成，其中單軸驅動模塊驅動主軸電動機，雙軸驅動模塊驅動2個進給電動機。單軸驅動模塊通過DRIVE-CLIQ通信電纜與NCU進行通信，2個驅動模塊之間通過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，額定轉矩為12.5 N·m，靜態轉矩為16 N·m，額定轉速為3000 r/min，不帶抱閘；進給電動機額定功率為0.8 kW，額定轉矩為2.6 N·m，靜態轉矩為3 N·m，額定轉速為3000 r/min，均帶抱閘。

4 結 語

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

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