移動式數控火焰切割機料架研制*

張建新　李磊

(天津中德應用技術大學，天津 300350)

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移動式數控火焰切割機料架研制*

張建新李磊

(天津中德應用技術大學，天津 300350)

基于大型鋼結構建造場地施工，設計移動式數控火焰切割機料架。在火焰切割料架下方焊接結構梁，應用有限元分析方法并按照等載荷原則布置臺架支撐點，配置行走車輪。移動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，該設備已在海洋石油工程股份有限公司的海洋石油平臺建造項目中成功應用并榮獲公司年度技改技革二等獎。該設備的應用，不僅提高上、下料效率，大幅度節省車體鋼材，而且有效降低切割料架臺面整體高度，提高其操作安全性。

數控火焰切割料架；有限元分析；低壓滑觸線；控制模式

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

大型鋼結構建造場地進行大型鋼板數控火焰切割時，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，熱變形嚴重；料架頻繁吊裝，損傷嚴重。基于此，本文論述一種移動式數控火焰切割機料架的研制[3-5]。

1　料架結構及行走機構設計

1.1總體結構

數控火焰切割機進行切割加工時，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、寬尺寸根據被切割鋼板及火焰切割機火焰槍切割軌跡的最大范圍尺寸而定。

根據切割火焰長度，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構梁，橫向及縱向結構強度及剛度較低。移動式數控火焰切割機料架，在料架下方沿縱向及橫向焊接結構梁，并在結構梁下方安裝鋼質車輪及驅動裝置。在切割車間及外部建造場地之間鋪設鋼軌作為移動式數控火焰切割機料架取料、送料的行走軌道。

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

1.2主要設計參數

根據鋼板規格，數控火焰切割機所切板材最大尺寸為長12 m、寬3 m、厚度100 mm。單張板重達28 t。基于上述參數，設計移動式數控火焰切割機料架技術參數如表1[6]。

表1移動式料架主要技術參數

項目參數外形尺寸及重量長/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車輪參數踏面直徑/mm350輪緣形式內側單緣主動輪數量2從動輪數量6軸距/m3.2軌道參數鋼軌型號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料架結構設計

移動式數控火焰切割機料架主要由車體臺架、從動輪機構、主動輪機構及驅動裝置組成(如圖1所示)。車體臺架主體結構由橫向支撐梁、車輪支撐梁(縱向支撐梁)組成，采用H150 mm×150 mm型鋼焊接成橋式結構，車體臺架下方點焊鋪設冷板，以防止切割過程中熔渣掉落；車體臺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架的剛度及強度，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，總體結構強度及剛度優于原有的料架及平板車底盤。

車體臺架(含焊接料架)承載主要載重，設計載荷為50 t，車體臺架結構的設計，遵循等載荷原則，通過合理布置支撐點，充分利用材料。車體臺架的強度及剛度的計算，是車體臺架結構校核的重要項目；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。

車體臺架受力分析如圖2所示。

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

按照車體臺架額定載荷的設計，利用Ansys建立力學模型，進行有限元分析得到應力分析結果及豎直方向(Y向)位移分析結果如圖3及圖4所示。

結果表明：當車體臺架承受50 t均布載荷時，車體最大應力值為64.18 MPa，車體材料選用Q235，安全系數可以達到3.5，能滿足屈服強度要求；車體臺架沿豎直方向最大位移值為向下2.12 mm，滿足電動平車技術條件(JB/T6172)的相關規定。

車體臺架共有16個支撐點，16個支撐點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)

計算結果表明，該結構各支撐點支撐反力分布均勻，結構設計合理。

1.4料架行走機構設計

移動式數控火焰切割機料架的行走機構(車輪總成)主要由車輪、傳動軸以及傳動軸臺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套車輪總成為主動輪總成，主動輪由三相異步電動機驅動，電動機經行星擺線減速機帶動主動鏈輪，鏈輪經鏈條帶動從動鏈輪。從動鏈輪安裝于主動輪總成的傳動軸上并帶動主動輪轉動，主動輪傳動系統主要參數如表2。

表2主動輪傳動系統主要技術參數

項目參數電動機功率/kW1.5電動機轉速/(r/min)1390減速機速比59鏈傳動速比30:11

根據車體臺架支撐反力計算結果，8個車輪受力比較均勻，單個車輪承受重量大約7 t(含車體臺架重量)。車輪選用踏面直徑350 mm的內側單緣鋼質車輪，配置P24軌道。該配置，單個車輪大約能承載10.2 t的重量，滿足強度要求。

2　電氣控制系統設計

2.1供電系統設計

移動式數控火焰切割機料架采用低壓滑觸線供電。驅動電動機為2臺三相異步電動機，電動機電源電壓380 V。主電路如圖6a所示，系統將車間三相電源接入移動式數控火焰切割機料架的地面配電柜，三相電源經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三相交流電源并經過電機正反轉電路為電動機供電。

2.2操縱控制系統設計

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，并配備有過流延時保護及狀態指示電路；行車控制(圖6c、d)包括隨車按鈕控制和遙控器控制，兩者通過轉換開關SA1切換，遙控器控制電路為點動控制方式，隨車控制包括點動和長動控制方式，通過轉換開關SA切換。行車過程中，通過聲光報警電路(圖6e)給出聲光報警信號[7-8]。

3　應用

移動式數控火焰切割機料架試制完成并安裝后，進行了50 t的載荷試驗，車體縱向結構梁最大沉降量約2 mm，符合電動平車技術條件標準(JB/T6172)的相關規定。移動料架供電正常，運行平穩。控制系統各項功能符合設計要求。目前，該設備已在海洋石油工程股份有限公司的海洋石油平臺建造項目中得到成功應用(圖7)。與在電動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，大幅度節省鋼材，單臺套成本降低大約12萬元；料架臺面整體高度降低0.3 m，有利于提高操作的安全性[9]。該設備的研制榮獲公司年度技改技革二等獎。

4　結語

移動式數控火焰切割機料架是集火焰切割料架與電動平板車于一體的設計方案。這一方案能有效提高料架及車體臺架的強度與剛度，在車輪及車體臺架支撐點的布置上，遵循等載荷設計原則，均勻分布各個支點的載荷，有利于各個車輪承載能力的充分發揮，從而選用較小規格車輪及軌道，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，主要研究方向為機電一體化技術。

(編輯孫德茂)(2015-11-10)

160550

天津市科技支撐計劃重點項目(13ZCZDGX01500)，國家“十二五”科技支撐計劃項目(2015BAK06B04)