重型燃气轮机阀座密封面加工数控镗孔设备研究

许飞，曹杰，童双双，李德平，张强

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳618000）

0 引 言

大型燃气轮机调节阀承担着燃气轮机的功率调节和转速调节的作用，其阀座密封面司太立合金层因经常受到高温、高压介质的腐蚀、冲蚀及阀芯密封面的冲击极易损坏。我国国内市场上的大型燃气轮机调节阀均为整体锻件结构，其与燃气轮机本体连接非常紧凑，如果该阀座密封面出现司太立合金密封面损坏的故障现象时，由于该阀座不具备拆卸返厂维修的条件，只能通过现场修复，而现场通过人工处理的难度非常大，因此需要研制一种全新的便携式数控镗孔设备才能够满足现场加工的作业需求。

便携式数控镗孔设备具有结构紧凑、占地面积小、适应性强、操作简单、工作性能好等特点。作为一台二次加工设备，该便携式镗孔设备的加工精度直接影响所修复的重型燃气轮机阀座密封面的使用性能，因此设计一套高性能、高精度的便携式数控镗孔设备具有极其重要的现实意义[1]。

据分析，大型燃气轮机阀座司太立合金层密封面的型线结构复杂，不是常规的直线及斜面，因此需要研制的便携式数控镗孔设备应具备圆弧过渡、球面等复杂型线的密封面加工能力。因此该设备应具备坐标联动功能和坐标插补功能，且同时应具有刀具半径补偿、长度补偿、反向间隙补偿等功能。根据现场的操作情况，该设备还应具备现场模块化组装、设备轻巧简单、操作方便等特点。

因此为满足以上要求，通过设计研究，提出了一种用于燃气轮机阀座密封面加工的便携式数控镗孔设备的解决方案。

1 便携式数控镗孔设备的主要结构和参数

图1所示为便携式数控镗孔设备结构简图，该便携式镗孔设备的主要结构由径向进给装置、固定调节支座、主轴镗杆、齿轮箱体等部分组成。

图1 设备结构简图

通过统计国内D100、D150、D145、D260、D310等机型的重型燃气轮机调节阀阀座的规格，提出了该便携式镗孔设备的主要设计尺寸及运行参数，其主要设计参数为：主轴镗杆的垂直进给运动速度为0～250 mm/min；最大行程为250 mm；刀具径向进给运动速度为0～150 mm/min，刀具径向进给行程为60 mm；主轴镗杆的设计转速为0～150 r/min；安装直径为φ400～φ1000 mm；内孔加 工 范 围 为φ100 ～φ500 mm。

2 便携式数控镗孔设备的主要传动系统

为满足大型燃气轮机阀座密封面现场加工的功能要求，本文提供了一套燃机阀座密封面加工便携式镗孔设备的机械传动设计方案，其传动系统简图如图2所示。

图2 传动系统简图

便携式镗孔设备的传动路线分为3路：一路由伺服电动机通过蜗轮蜗杆传动带动滚珠丝杠转动，实现主轴镗杆的垂直上升和下降运动；一路由主轴旋转伺服电动机通过锥齿轮传动、直齿轮传动，实现主轴镗杆的旋转动作；一路由径向进刀伺服电动机通过锥齿轮传动，通过一套周转轮系，将动力传递至径向进刀刀杆，通过刀杆末端的锥齿轮啮合，最终通过径向进给装置实现刀具的径向进给运动。

该携式数控镗孔设备的核心技术在于此传动系统的周转轮系，该周转轮系的自由度为2。根据该周转轮系的自由度数，该周转轮系为一组差动轮系[2]。其主要作用为解决径向进刀运动与主轴镗杆旋转运动之间的相互干涉，使径向进刀运动不受镗杆旋转运动的影响。

该套差动轮系能够实现径向进刀装置存在的3种工作状态：一是主轴镗杆旋转，径向进刀装置不进给；二是主轴镗杆不旋转，径向进刀装置单独进给；三是主轴镗杆旋转，径向进刀装置同时进给。

为准确描述该套便携式镗孔设备的传动原理，本文对传动系统简图内的主要齿轮进行了编号，如图3所示。下面对传动系统过程中已编号齿轮工作状态进行介绍，无特殊表述的均为直齿圆柱齿轮。

图3 齿轮编号图

第一种工作状态：主轴镗杆旋转时，径向进刀装置不进给。此时径向进给伺服电动机不转动，则行星架H（蜗轮）不转动，主轴镗杆驱动电动机转动。如果要使径向进刀装置不移动，则锥齿轮303不能绕其轴心旋转，锥齿轮301（包括其上部的径向进给拖板、丝杠及齿轮303）与主轴镗杆同步旋转，则满足这种状态。齿轮301的转速与主轴镗杆同步，则齿轮235到齿轮150的传动比与齿轮237到齿轮250的传动比相等。为满足这种状态，现将齿轮235到齿轮150的传动比与齿轮237到齿轮250的传动比均设计为1。相关的齿轮参数如表1所示。

表1 齿轮参数表

齿轮235到齿轮150的传动比为51×22×16×18/（22×17×18×48）=1；齿轮237到齿轮250的传动比为51/51=1。

主轴镗杆不旋转时，径向进刀装置进给。此时主轴镗杆驱动电动机不转动。则齿轮235和齿轮237不转动。径向进给伺服电动机转动，则行星架H(蜗轮)转动。带动齿轮133、齿轮135绕蜗轮中心线公转。

主轴镗杆旋转，径向进刀装置进给，此时则是两个独立的运动通过行星差动轮系的合成，实现整个便携式数控镗孔设备的加工功能。

3 便携式数控镗孔机电气控制系统设计

为满足便携式镗孔设备应具备圆弧过渡、球面等复杂型线的密封面加工功能，要求其电气控制系统应具备两坐标联动功能，并可实现两坐标联动的插补加工。应具有刀具半径补偿、长度补偿、反向间隙补偿等功能。因此在电气控制系统设计时，优先考虑数控系统+伺服控制系统。同时考虑到电气控制系统应具备模块化及现场的方便组装、可编程控制及网络集成功能等要求，选取了SINUMERIK-840DSL进行控制系统组态，控制系统组态图及相关型号选型如图4所示。

图4 电气系统组态图

电气控制系统设计时，考虑到现场操作的移动性便携性，在主控制面板选择时，优先选用了SINUMERIK移动式HT8手持终端，通过其实现设备操作、设备监控的完整功能。同时配备有触控笔，即使在佩戴手套的情况下，也可以轻松地操作触摸[3]。

电动机伺服驱动系统优先选取SINAMICS-S120伺服驱动器，采用一个非调节型电源模块（SLM）、一个单轴驱动模块和一个双轴驱动模块组成，其中单轴驱动模块驱动主轴电动机，双轴驱动模块驱动2个进给电动机。单轴驱动模块通过DRIVE-CLIQ通信电缆与NCU进行通信，2个驱动模块之间通过DRIVE-CLIQ通信电缆跨接[3]。

电动机采用紧凑型永磁同步电动机，主轴电动机额定功率为2.6 kW，额定转矩为12.5 N·m，静态转矩为16 N·m，额定转速为3000 r/min，不带抱闸；进给电动机额定功率为0.8 kW，额定转矩为2.6 N·m，静态转矩为3 N·m，额定转速为3000 r/min，均带抱闸。

4 结 语

该套便携式数控镗孔设备具有机械结构先进、布局合理、模块化集成度高等优点。其在机械传动设计方面最大的创新点是在后端齿轮箱体内采用了一套二自由度行星差动机构，解决了主轴镗杆旋转运动与径向进刀运动的干涉问题，实现了两个运动的相互独立。为电气控制系统通过伺服控制系统实现径向进刀运动、主轴镗杆垂直进给运动、主轴镗杆旋转运动三个运动的插补计算提供了结构基础。进而为实现重型燃气轮机阀座密封面复杂型线的数控加工提供了保障。

该套便携式数控镗孔设备主轴镗杆采用空心结构，径向进给运动通过空心主轴镗杆内部传动杆将动力传递至径向刀具进给装置，从而实现刀具的径向运动，其具有结构先进、安全可靠的特点。