環(huán)形法蘭密封面現(xiàn)場修復(fù)機設(shè)計與有限元分析

（吉林化工學(xué)院，吉林省 吉林市 132022）

采用修復(fù)機械對化工設(shè)備環(huán)形密封面進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)是設(shè)備維修的新技術(shù)，主要用于在生產(chǎn)現(xiàn)場對機械設(shè)備進(jìn)行車削、磨削、鏜孔、鉆孔和擴孔等［1-3］。現(xiàn)場修復(fù)機械的技術(shù)要求較高，可在設(shè)備不完全解體的情況下，對零部件進(jìn)行修復(fù)加工。目前國外現(xiàn)場修復(fù)機械正在向數(shù)控化、自動化方向發(fā)展。筆者借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)，針對石油化工設(shè)備的特點，設(shè)計了一種專門用于管道、閥門及壓力容器等化工設(shè)備環(huán)形法蘭密封面現(xiàn)場修復(fù)的修復(fù)機，并對其桿件受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析及評定。

1 修復(fù)機設(shè)計分析

法蘭密封面現(xiàn)場修復(fù)機主要用于現(xiàn)場對損壞的法蘭密封面進(jìn)行重新切削修復(fù)，屬于精加工范疇，在滿足加工要求的前提下，要求修復(fù)機體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、運輸方便且安裝簡單快捷［5-7］。法蘭外形各有不同，夾緊法蘭外圓的夾緊結(jié)構(gòu)在使用中會受到一定的限制。由于法蘭內(nèi)孔的圓度公差、圓柱度公差及表面粗糙度數(shù)值都比較小，因此選用法蘭內(nèi)孔為安裝定位基準(zhǔn)簡單方便。為了保證加工精度，修復(fù)機的主要受力零部件要選用輕質(zhì)、強度高的材料。結(jié)構(gòu)設(shè)計上要保證其具有足夠的剛度。因是修復(fù)切削，故車削深度和進(jìn)給量要求值不大。若切削量或切削深度較大，可以采用多次進(jìn)給的方式來實現(xiàn)。

化工設(shè)備的人孔法蘭及管道法蘭直徑一般小于600 mm，因此確定修復(fù)機的最大加工直徑為600 mm、最小加工直徑50 mm、最大切削深度2 mm、進(jìn)給量0.1～0.5 mm/r。

2 修復(fù)機結(jié)構(gòu)

在法蘭現(xiàn)場使用過程中，使用不當(dāng)、服役時間過長或服役環(huán)境惡劣將會導(dǎo)致密封面出現(xiàn)損傷，進(jìn)而導(dǎo)致密封性能下降。而傳統(tǒng)的離線修復(fù)過程繁瑣、費用昂貴且工期長，將會給企業(yè)造成極大的不便和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。基于此種情況，采用模塊化設(shè)計原則，將修復(fù)機按功能分成動力、走刀和支撐3個單元模塊，使用時在現(xiàn)場進(jìn)行組裝。修復(fù)機結(jié)構(gòu)及安裝見圖 1［10］。

圖1 修復(fù)機結(jié)構(gòu)及安裝簡圖

以法蘭內(nèi)孔為安裝定位基準(zhǔn)，通過支臂和支撐螺柱將修復(fù)機安裝在法蘭上，通過支撐體部件上的微調(diào)裝置保證主軸與法蘭軸線之間的同軸度與平行度，滿足被加工法蘭的尺寸精度、形狀精度和位置精度要求［11-12］。現(xiàn)場法蘭軸線方向一般有水平和垂直2種形式，所以修復(fù)機安裝也相應(yīng)有臥式、立式和反臥式3種形式，常見的是臥式安裝。

3 修復(fù)機工作原理

為了實現(xiàn)精確控制，選用伺服電機作為原動機，伺服電機型號為ACSM180-G35015LZ，其額定功率 5.5 kW、額定電壓 220 V、額定電流 24 A、額定轉(zhuǎn)速 1 500 r/min、額定力矩 35 N·m、峰值力矩70 N·m。

根據(jù)切削加工的要求控制主軸回轉(zhuǎn)的速度，以滿足切削速度要求。工作時，電機通過傳動比為1:30的減速機減速后帶動1對圓柱齒輪旋轉(zhuǎn)，大圓柱齒輪與主軸箱的主軸旋轉(zhuǎn)帶動刀架運動，實現(xiàn)刀架的徑向進(jìn)給。通過刀架上的手動調(diào)節(jié)機構(gòu)（撥輪、走刀棘輪），實現(xiàn)刀架沿法蘭軸向的進(jìn)給，進(jìn)而控制切削深度。主軸由1對30315的圓錐滾子軸承支承，走刀絲桿由1對6205的深溝球軸承支承。

修復(fù)機主要零部件參數(shù)見表1。表1中m為齒輪模數(shù)，z1為小齒輪齒數(shù)，z2為大齒輪齒數(shù)。

表1 修復(fù)機主要零部件參數(shù)

4 修復(fù)機有限元分析

4.1 有限元模型建立

在修復(fù)機工作過程當(dāng)中，由于進(jìn)給量不同，修復(fù)機桿件（主軸、走刀絲桿、支撐螺柱）的受力并不相同。由于轉(zhuǎn)速不同，其桿件的變形量和振動的穩(wěn)定性亦不相同。因此，需要對主軸、走刀絲桿和支撐螺柱進(jìn)行強度校核。根據(jù)懸臂梁理論可以知道，當(dāng)走刀絲桿到達(dá)極限位置時，其桿件所受的彎矩和撓度最大。由于該修復(fù)機的最大加工直徑為600 mm，所以根據(jù)法蘭外徑最大為600 mm，參照GB/T 9115—2010《對焊 鋼 制 管 法 蘭 》［13］，選 取DN400 mm帶頸平焊法蘭進(jìn)行分析。

利用ABAQUS有限元軟件對修復(fù)機及法蘭進(jìn)行簡化建模，對支臂、主軸、走刀絲桿、支撐螺柱以及法蘭采用三維實體建模，建立的有限元模型見圖2。

修復(fù)機主要零部件的結(jié)構(gòu)及尺寸見圖3，法蘭結(jié)構(gòu)及尺寸見圖4。將走刀絲桿的刀頭部分設(shè)置為解析剛體，將支撐螺柱與支臂、法蘭進(jìn)行綁定，刀頭與法蘭的接觸屬性為面面接觸，設(shè)置的摩擦因數(shù)為0.2，邊界條件為法蘭底部固支，主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min，切削深度為5 mm。

圖3 修復(fù)機主要零部件結(jié)構(gòu)及尺寸

圖4 法蘭結(jié)構(gòu)及尺寸

對建立的修復(fù)機及法蘭有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用C3D8R三維實體線性縮減積分單元。對主軸、走刀絲桿、支撐螺柱和法蘭進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，細(xì)化之后的網(wǎng)格數(shù)分別為121 011、132 012、7 670、62 282，得到的修復(fù)機及法蘭網(wǎng)格模型見圖5。

圖5 網(wǎng)格劃分后修復(fù)機及法蘭有限元模型

主軸、走刀絲桿及支撐螺柱材質(zhì)45鋼的彈性模量為 200 GPa、泊松比 0.3、密度 7.85 g/cm3、抗拉強度600 MPa、屈服強度355 MPa。45鋼真實應(yīng)力與真實應(yīng)變關(guān)系見表2。

表2 45鋼真實應(yīng)力與真實應(yīng)變關(guān)系

法蘭材質(zhì)選用Q235鋼，其彈性模量200 GPa、泊松比0.3。采用塑性硬化Johnson-cook模型模擬法蘭切削，其模型參數(shù)為，屈服應(yīng)力參數(shù)A=1.15×109、硬化系數(shù) B=7.39×108、硬化指數(shù)n=0.26、溫度系數(shù) 1.03、熔化溫度 1 723 K、過渡溫度298 K。

4.2 有限元計算結(jié)果分析

4.2.1 應(yīng)力云圖

對修復(fù)機及法蘭模型進(jìn)行有限元數(shù)值計算，得到的應(yīng)力云圖見圖6～圖9。

從圖6～圖9可以看出，最大應(yīng)力位于主軸與走刀絲桿的連接處，數(shù)值為212.9 MPa，說明主軸、走刀絲桿及支撐螺柱的應(yīng)力并未達(dá)到材料的抗拉強度和屈服強度，表明在整個法蘭密封面切削過程中，主軸、走刀絲桿及支撐螺柱的變形一直處于線彈性階段。

圖6 修復(fù)機及法蘭模型整體應(yīng)力云圖

圖7 主軸-走刀絲桿應(yīng)力云圖

圖8 支撐螺柱應(yīng)力云圖

圖9 法蘭應(yīng)力云圖

4.2.2 強度校核

針對修復(fù)機結(jié)構(gòu)中存在的危險截面，參照J(rèn)B 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)）》［14］對走刀絲桿和主軸進(jìn)行應(yīng)力線性評定，評定路徑見圖10，得到的 PL+Pb、PL+Pb+Q的評定結(jié)果見表3。表3中PL為一次局部薄膜應(yīng)力，Pb為一次彎曲應(yīng)力，Q為二次應(yīng)力。

圖10 走刀絲桿和主軸應(yīng)力評定路徑

表3 走刀絲桿和主軸應(yīng)力評定結(jié)果 MPa

PL+Pb的評定標(biāo)準(zhǔn)為PL+Pb<1.5Sm=180 MPa（Sm為許用應(yīng)力），PL+Pb+Q的評定標(biāo)準(zhǔn)為PL+Pb+Q<3Sm=360 MPa。由表5可以看出，主軸、走刀絲桿在極限應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力均滿足評定標(biāo)準(zhǔn)，強度校核合格。

5 結(jié)語

文中設(shè)計的修復(fù)機主要用于管道、閥門及壓力容器等化工設(shè)備環(huán)形法蘭密封面的現(xiàn)場修復(fù)，其最大加工直徑600 mm。該修復(fù)機質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單、運輸方便且加工耗時少，可極大減輕修復(fù)工作量和工作強度。

由修復(fù)機桿件受力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖可知，危險截面位于主軸與走刀絲桿的連接處，此處的最大應(yīng)力為212.9 MPa，低于材料的抗拉強度和屈服強度，表明在整個法蘭修復(fù)過程中，桿件處于彈性變形階段，未發(fā)生屈服變形。利用線性應(yīng)力評定對桿件危險截面的強度進(jìn)行校核，評定結(jié)果均合格，證明修復(fù)機結(jié)構(gòu)形式及選材滿足工作要求。