新型翻轉機定位約束模型與大封頭翻轉工藝

周玉林，楊 召，邱雪松，史樹陽

（燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004）

1 引言

核電封頭屬于核電大型鍛件，是組成反應堆壓力容器、蒸汽發生器和穩壓器等核安全一級設備的核心零部件[1-2]。在切削加工、焊接裝配、探傷等工藝過程中，經常需要對核電封頭進行180°的姿態變換。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，質量為（67～148）t，超大的尺寸規格、復雜的外部形狀以及巨大的質量都對翻轉設備的性能提出了嚴格的要求。

國內實際生產中，通常采用雙天車、并行長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實現翻轉的工藝[10]。突出的問題是：所需工藝準備時間較長、翻轉效率低、操作難度大；人工操作多環節存在不確定性，特別是側向無硬約束、易發安全事故；且增加了封頭表面擦傷風險、影響產品質量。不符合核電裝備生產與運行安全的國家政策規定。因此，翻轉裝備和配套新工藝是核電裝備生產中大型鍛件姿態變位的安全[11]保證。

針對大型工件的翻轉，文獻[3-4]應用于ITER托卡馬克組件的90°翻轉設備，文獻[5]等對可實現90°翻轉同時降低工件位置高度的翻轉設備進行了構型綜合。文獻[6-8]分別設計了應用于核電直筒節件的90°翻轉變位設備。分析發現，上述研究均屬于單一功能技術裝備，只能實現工件的90°翻轉，且可翻轉工件類型較少，設備利用率較低。文獻[9]等設計開發了一種應用于核電工件90°及180°翻轉的裝備。但也不屬于雙功能設備，在實際使用中，完成翻轉的裝備。但也不屬于雙功能設備，在實際使用中，完成180°翻轉的裝備。但也不屬于雙功能設備，在實際使用中，完成翻轉時需兩臺翻轉機協同作業，導致工藝的可操作性及安全性降低、實際可使用性差。

文獻[12-14]研究設計的新型雙功能重載翻轉機，可用于實現直筒節、錐形筒節、管板和封頭等核電大型工件的90°及180°翻轉變位。可翻轉工件最大質量達270t，最大直徑達6700mm，最大高度達5400mm。正常情況下設備約束工件的臺面工作空間是有限的，對部分弓高過大、超出臺面工作空間的一類封頭，采用原有翻轉工藝方法不能完成180°翻轉。大型設備成本高昂，為避免設計制造新設備，有必要對翻轉方法、約束模型與工藝進行研究。

根據翻轉機的臺面工作空間將核電封頭分為常規封頭與超空間封頭，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關系數學模型，推導出了定位工藝參數的計算函數，得到了定位參數工程數據，根據設備原理及定位參數制定了兩種核電封頭的180°翻轉新工藝，提高了設備的利用率、生產率。

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

雙功能重載翻轉機結構，如圖1所示。主要包括滾轉車體、移動工作臺和翻轉工作臺，其中滾轉車體包括水平工作臺和側立工作臺，翻轉工作臺工作面內設置有定位擋塊。該設備翻轉工作臺移動任意位置時，其翻轉轉軸距水平工作臺的距離用t表示，翻轉機臺面設計開度（最大移動距離）2400mm，轉軸距翻轉工作臺臺面距離507mm，所以t∈[507，2907]。V型槽深度為480mm，水平工作臺與翻轉工作臺相對時，只有一個V 型槽部分空間可利用。經計算得翻轉機的最大有效工作高度為2880mm。

圖1 翻轉機結構與臺面工作空間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，其關鍵參數如表1所示。其中，編號1到3屬于球冠形、4到6屬于半球形。4號和6號封頭弓高較大超出臺面開度，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

新型翻轉機利用核電鍛件為回轉體、端面與回轉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，對工件進行定位和硬約束，保證工件翻轉變位全過程安全可靠。空間可變幾何硬約束模型，如圖2所示。其中水平工作臺由平面加中央V 型槽構成，側立工作臺作為約束工件的廣義中央V 型槽，兩工作臺彼此垂直、兩V型槽中心對位；翻轉工作臺同樣由平面加中央V型槽構成，且平面內設置兩個可移動定位擋塊，相對運動軌跡呈外向開口V形，構成可變深度V型槽、用于約束工件外回轉面；翻轉工作臺相對水平工作臺可翻轉β∈[0，90°]，同時可以沿側立工作臺移動t∈[507，2907]，整體構成的串聯機構形式兩自由度空間可變幾何硬約束模型。

將翻轉工作臺與側立（移動）工作臺重合、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；將翻轉工作臺翻轉90°，與水平工作臺平行并鎖定，停位t值對應工件高度，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。類似，用于翻轉弓高小于翻轉機臺面有效工作高度2880mm常規封頭時，翻轉工作臺與水平工作臺的角度β默認為0°，停位t值對應工件高度。對超空間封頭，弓高大于翻轉機臺面有效工作高度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、制訂不同翻轉工藝。

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

基本設想：在不改變設備結構、原有幾何約束基礎上，將移動工作臺的停位t值置于極限位置下側附近；翻轉工作臺相對水平工作臺上翹一個小角度，即翻轉角設為變量、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，工件吊入時在水平工作臺上停放位置即封頭頂點落位G距離側立工作臺距離設為變量s，向外移動增量。同時，車體正向滾轉一定角度使封頭端面（向內傾斜β）內側低于翻轉臺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的數學模型

基于新型雙功能翻轉機的核電封頭180°翻轉分為端面向上和端面向下兩種情況。常規封頭端面向上180°翻轉定位工藝參數為翻轉工作臺轉軸距水平工作臺的距離t，稱之為豎直定位工藝參數；超空間封頭的定位工藝參數除t之外，還包括封頭頂點落位G距側立工作臺的距離s，稱之為水平定位工藝參數；封頭端面與水平傾斜角度β。

對常規封頭和超空間封頭端面向下的180°翻轉，初始狀態為端面置于翻轉工作臺的臺面之上，定位工藝參數為豎直定位工藝參數t和定位擋塊間距702mm。

3.1 定位工藝參數函數

常規封頭端面水平向上放置于水平工作臺的接觸幾何狀態，如圖3所示。封頭豎直定位工藝參數為：

圖3 常規封頭與水平工作臺V型槽接觸狀態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—翻轉工作臺轉軸到翻轉工作臺臺面的距離，u1=507mm；

α—V型槽側邊角度，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系狀態，如圖4所示。由幾何關系可知

圖4 超空間封頭定位約束狀態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立工作臺的中央V型槽的槽壁相切于點P(x0，y0)，如圖5所示。由幾何關系可知

圖5 超空間封頭與側立工作臺V型槽接觸狀態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立工作臺的距離為：

經整理得超空間封頭豎直定位工藝參數為：

當β=0時，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為：

雌飛魚會小心翼翼地將魚卵產在棕櫚葉的葉柄上，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

試算：根據待翻轉封頭幾何參數，由式（1）計算封頭豎直定位工藝參數t，其值大于上限值2907mm，則判斷待翻轉封頭為超空間封頭；針對超空間封頭，取t值為上限值、連同工件幾何參數代入式（7），經計算4 號和6 號封頭屬于超封頭，傾斜角分別為1.85°和3.09°。

綜合考慮生產實際多因素影響、設備長時間運行可靠性，應避開極限位置。取β1=0、β2=0、β3=0、β4=3°、β5=0、β6=5°，由式（7）、式（8）求得工藝參數s、t，如表2所示。

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

4 基于新型翻轉機的封頭翻轉方法與工藝

由于翻轉工作臺與移動工作臺重量較大，調整移動工作臺停位時，需使翻轉工作臺與移動工作臺疊合并且臺面水平，收繩機構將鋼絲繩收攏至極限位置，稱此狀態為新型翻轉機的初始工位。規定滾轉正方向為圖1所示逆時針方向。

4.1 常規封頭的180°翻轉方法與工藝

常規封頭端面向上180°翻轉時，翻轉過程，如圖6所示。定位工藝參數中，翻轉工作臺處于水平，所以β取0；吊裝封頭緊靠側立工作臺，s被間接確定；只有豎直定位工藝參數t為變量，由式（1）可求出其值。

圖6 常規封頭翻轉過程Fig.6 The Ordinary Heads Flipping Process

根據t值調整處于水平狀態的移動工作臺停位、鎖定，車體反向滾轉90°使移動工作臺鉛錘。封頭吊入水平工作臺，端面水平且外圓緊靠側立工作臺V型槽，實現初步約束定位。翻轉工作臺翻轉90°扣在封頭端面上，移動擋塊接觸約束封頭外回轉面，完成對封頭的完整全約束定位。車體攜工件正向滾轉135°，翻轉工作臺接過工件載荷后，車體反向滾轉90°，同時正向卷揚放、反向卷揚收保證翻轉工作臺絕對坐標系下姿態不變，至翻轉工作臺與移動工作臺疊合。車體正向滾轉45°，工件端面扣在翻轉工作臺上完成180°翻轉。常規封頭端面向下180°翻轉時，需要調整的定位工藝參數為豎直定位工藝參數t和定位擋塊間距702mm。

首先根據參數t調整移動工作臺停位、鎖定，然后調整定位擋塊間距702mm。將封頭吊入翻轉工作臺上，端面與翻轉工作臺平面接觸、外回轉面緊靠定位擋塊，與重力構成封頭的不完整定位約束，車體連同工件整體反向滾轉45°后，保持翻轉工作臺及工件空間姿態不變，車體正向滾轉90°，水平工作臺接觸封頭頂點，構成完整定位約束。車體反向滾轉135°，封頭端面向上完成180°翻轉。移開定位擋塊，翻轉工作臺回翻90°與移動工作臺重合，吊離封頭。常規封頭端面向上和端面向下的180°翻轉工藝，如圖7、圖8所示。

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

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

4.2 超空間封頭的180°翻轉方法與工藝

超空間封頭，即表2所列4號、6號封頭，端面向上180°翻轉時，翻轉過程，如圖9所示。依據封頭幾何參數、并取β4=3°、β6=5°，由式（7）、式（8）求出豎直定位工藝參數t和水平定位工藝參數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t值調整處于水平狀態的移動工作臺停位、鎖定，車體反向滾轉90°使移動工作臺鉛錘。將封頭吊入水平工作臺其頂點定位于s值處，車整體正向滾轉φ°，使封頭頂部沿水平工作臺V型槽內滾、端面降低且外圓緊靠側立工作臺V型槽，封頭端面相對水平工作臺夾角為β，實現封頭的初步定位。翻轉工作臺翻轉（90-β）°扣在封頭端面上，移動擋塊約束封頭外回轉面，完成對封頭的完整全約束定位。車體攜工件正向滾轉（135-φ-β）°，翻轉工作臺接過工件載荷后，車體反向滾轉（90-β）°，同時正向卷揚放、反向卷揚收保證翻轉工作臺絕對坐標系下姿態不變，至翻轉工作臺與移動工作臺疊合。車體正向滾轉45°，工件端面扣在翻轉工作臺上完成180°翻轉。

超空間封頭端面向下180°翻轉時，需要調整的定位工藝參數為豎直定位工藝參數t和定位擋塊間距702mm。

首先根據參數t調整移動工作臺停位、鎖定，然后調整定位擋塊間距702mm。將封頭吊入翻轉工作臺上，端面與翻轉工作臺平面接觸、外回轉面緊靠定位擋塊，與重力構成封頭的不完整定位約束，車體連同工件一起反向滾轉45°后，保持翻轉工作臺及工件空間姿態不變，車體正向滾轉（90-β）°，水平工作臺接觸封頭頂點，構成完整定位約束。車體反向滾轉（135-φ-β）°，封頭端面向斜上方、保持側靠側立工作臺。移開定位擋塊，翻轉工作臺回翻（90-β）°與移動工作臺重合。車體反向繼續滾轉φ°，吊離封頭。

超空間封頭端面向上和端面向下的180°翻轉工藝，如圖10、圖11所示。

圖10 超空間封頭端面向上180°翻轉工藝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°翻轉工藝Fig.11 180 Degree Flipping Process of the Especial Heads End Face Downward

5 結論

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

（2）建立了封頭定位約束工藝參數數學公式，能高效準確地求解定位工藝參數；

（3）制定了常規及超空間大封頭翻轉的新工藝，并應用于核電裝備生產工程實際。