楊 鵬

(太原鍋爐集團(tuán)有限公司，山西 太原 030008)

0 引言

隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，鍋爐也在更新?lián)Q代，而鍋爐的發(fā)展最主要的是鍋爐內(nèi)部構(gòu)件的完善。鍋筒在鍋爐的構(gòu)件中占主導(dǎo)地位，其主要的作用是進(jìn)行汽水分離、組成水循環(huán)回路并儲(chǔ)存水汽等。由于加熱、蒸發(fā)、過熱都是在鍋筒中進(jìn)行的，這就決定了鍋筒必須能承受極大的壓力，因此對(duì)鍋筒的焊縫質(zhì)量要求很高，并且隨著鍋爐壓力的不斷提升，對(duì)鍋筒焊接工藝的要求也越來越嚴(yán)苛。為此，本文設(shè)計(jì)了一種焊劑填充裝置，并在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行了測試，為鍋筒縱縫焊接提供了保障。

1 鍋筒縱縫焊接的工藝要求

由于鍋筒縱縫長達(dá)3 m，且厚度均在20 mm以上，需要生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定的焊接方式，因此鍋筒縱縫廣泛采用埋弧焊雙面焊接。為了保持焊縫成形和防止燒穿，生產(chǎn)中常采用各種類型的焊劑墊和墊板[1]。鍋筒縱縫焊接示意圖如圖1所示，鍋筒擺放在滾輪架上，坡口朝下，將槽鋼內(nèi)填滿焊劑放在坡口下方支撐并將焊劑填滿坡口內(nèi)，從鍋筒內(nèi)側(cè)開始焊接。

1-鍋筒；2-槽鋼；3-墊塊；4-滾輪架；5-焊劑

2 焊劑填充裝置的設(shè)計(jì)背景

鍋筒的直徑有多種規(guī)格，工作面的高度會(huì)隨著鍋筒直徑的變化而變化，并且每次焊劑的堆放高度不定，這就需要增減槽鋼下方的墊塊調(diào)節(jié)高度，以保證焊劑填滿坡口。但在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)槽鋼的高度時(shí)必須將鍋筒吊起，并且不是一次性就能調(diào)至合適高度，槽鋼過高會(huì)導(dǎo)致鍋筒無法穩(wěn)固放在滾輪架上，槽鋼過低會(huì)導(dǎo)致焊劑無法緊密填滿坡口，調(diào)節(jié)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且容易使焊劑撒落，不但造成焊劑浪費(fèi)，還加大了清理的工作量。因此，就需要設(shè)計(jì)一種可以自由、平穩(wěn)升降的焊劑填充裝置。

3 焊劑填充裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 焊劑填充裝置行程的確定

鍋筒的直徑在Φ1 500 mm～Φ2 000 mm范圍內(nèi)，經(jīng)作圖分析可知工作行程應(yīng)在182 mm～216 mm，因此該裝置的升降行程確定在150 mm～230 mm即可覆蓋工作行程。

3.2 焊劑填充裝置結(jié)構(gòu)的確定

焊劑填充裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)坡口的開口寬度確定選用16#槽鋼作為焊劑槽，利用連桿機(jī)構(gòu)保證焊劑槽能在有限的空間內(nèi)平穩(wěn)地升降；由于連桿Ⅱ與焊劑槽的夾角θ越大越省力，因此利用限位角鋼限制連桿Ⅱ轉(zhuǎn)角，將連桿Ⅱ與焊劑槽的最小夾角θmin控制在30°。

焊劑槽和焊劑的總重量G=80 kg，根據(jù)受力分析可知，連桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的最大水平拉力Wmax=G/tanθmin=80×10/tan30°=1 385.6 N，對(duì)于操作人員來說過于沉重，因此利用絲杠螺旋傳動(dòng)達(dá)到省力的目的。此處不使用更省力的千斤頂或者電動(dòng)升降是因?yàn)樵谠囼?yàn)中發(fā)現(xiàn)，千斤頂和電動(dòng)升降容易將焊劑槽頂過，相對(duì)來說手搖升降擁有更直觀的感受，感覺到吃力就說明焊劑已經(jīng)填充緊密了，并且工作行程只有80 mm，操作起來也是很方便快捷的。

4 焊劑填充裝置的使用過程

(1) 如圖1所示，將焊劑填充裝置替代槽鋼放置在滾輪架上，并堆滿焊劑。

(2) 如圖2所示，逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)手柄1，使絲杠5向右移動(dòng)，直至焊劑槽11接觸限位角鋼16時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)手柄1，此時(shí)為行程最低點(diǎn)。

(3) 如圖1所示，將鍋筒放置在滾輪架上坡口朝下，焊劑填充裝置對(duì)準(zhǔn)坡口。

(4) 按照第(2)步反向操作，直至手柄1無法轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)焊劑槽已升至最高點(diǎn)，將焊劑緊密填滿坡口。

(5) 如圖1所示，從鍋筒內(nèi)側(cè)完成焊接。

1-手柄；2-鎖緊螺母；3-絲杠座；4，13-內(nèi)六角圓柱頭螺釘；5-絲杠；6-連桿Ⅰ；7-六角頭螺栓；8，10-螺母；9-連桿Ⅱ；11-焊劑槽；12-底座；14-彈簧墊圈；15-軸承組件；16-限位角鋼

5 焊劑填充裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 絲杠螺紋尺寸的確定

5.1.1 絲杠軸向載荷計(jì)算

絲杠作為螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要部分，采用傳動(dòng)平穩(wěn)可靠的梯形螺紋，且其需要承受較大的軸向載荷F。當(dāng)焊劑槽升起將焊劑緊密填入鍋筒坡口時(shí)，鍋筒實(shí)際是由滾輪架的兩個(gè)滾輪和焊劑填充裝置共同支撐的，并且由于鍋筒直徑很大，可以近似地認(rèn)為三個(gè)支撐點(diǎn)平均受力，也就是說焊劑填充裝置相當(dāng)于承受著鍋筒1/3的重量，鍋筒重量按照9.3 t計(jì)算，那么焊劑填充裝置承受的最大重力Gmax=(80+9 300/3)×10=31 800 N，此時(shí)的軸向載荷F=Gmax/tanθ=31 800/tan37°=42 200 N(θ為焊劑槽緊貼鍋筒坡口時(shí)連桿與焊劑槽的夾角，經(jīng)作圖分析可知取θ=37°)。

5.1.2 絲杠螺紋尺寸計(jì)算

過大的軸向載荷將會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，在旋轉(zhuǎn)過程中就會(huì)加劇螺紋磨損，因此以耐磨性計(jì)算絲杠螺紋中徑[2]：

其中：F為軸向載荷，F(xiàn)=42 200 N；ψ為系數(shù)，取ψ=2.5；pp為螺紋副許用壓強(qiáng)，取pp=13 MPa。根據(jù)GB/T5796.3—1986[3]，選取螺紋中徑d2=29 mm、螺紋大徑d=32 mm、小徑d3=25 mm、螺距P=6 mm的梯形螺紋；根據(jù)GB/T5796—1986，選中等精度，螺旋副標(biāo)記為Tr32×6-7H/7e。

5.2 連桿機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)的設(shè)計(jì)

該裝置連桿機(jī)構(gòu)的基型就是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，不過由于長度過大，中間加了一組連桿起輔助支承的作用，這樣做雖然加大了焊劑槽的整體剛性，但是對(duì)各鉸接點(diǎn)之間的相對(duì)尺寸精度要求更高了。因此，鉸接螺栓在槽鋼上的定位采用如圖3所示形式，如若直接將鉸接螺栓焊接到槽鋼上不但難以定位，而且由于焊接變形，很難保證鉸接螺栓與焊接槽的相對(duì)垂直，所以先在槽鋼上開定位孔，再將鉸接螺栓插入從內(nèi)側(cè)焊接，即可保證鉸接螺栓的定位精度和穩(wěn)定性。

6 鍋筒縱縫焊接試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)產(chǎn)品

試驗(yàn)產(chǎn)品是材質(zhì)為BHW35、長度為3 m、壁厚為100 mm的鍋筒筒節(jié)6個(gè)，直徑分別為Φ1 500 mm、Φ1 600 mm、Φ2 000 mm，每種直徑各兩個(gè)。

1-槽鋼；2-鉸接螺栓

6.2 試驗(yàn)方案

先使用原來的槽鋼作為焊劑墊，按照焊接工藝規(guī)程進(jìn)行焊接，記錄調(diào)整焊劑墊所用的時(shí)間；再用焊劑填充裝置替代槽鋼，依舊按照焊接工藝規(guī)程進(jìn)行焊接，記錄調(diào)整時(shí)間并進(jìn)行對(duì)比。由于是在生產(chǎn)過程中進(jìn)行試驗(yàn)，且鍋筒的焊接工時(shí)較長，不可能一次性完成試驗(yàn)，因此對(duì)各試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)記，之后根據(jù)標(biāo)記查看質(zhì)檢報(bào)告，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。

6.3 試驗(yàn)結(jié)果

鍋筒縱縫焊接試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，焊接質(zhì)量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如下：優(yōu)等品，既無嚴(yán)重缺陷也無一般缺陷；一等品，無嚴(yán)重缺陷，有1處一般缺陷。顯然兩種方式對(duì)焊接質(zhì)量影響不大，但調(diào)整的時(shí)長相差甚多，使用槽鋼調(diào)節(jié)時(shí)間極不穩(wěn)定，焊劑填充裝置的優(yōu)勢則極為明顯。同時(shí)，通過觀察發(fā)現(xiàn)，使用焊劑填充裝置的焊劑拋撒要比使用槽鋼少很多。

表1 鍋筒縱縫焊接試驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了鍋筒縱縫焊接焊劑填充裝置，通過試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1) 焊劑填充裝置調(diào)節(jié)迅速、操作簡單，可以節(jié)省大量的焊前準(zhǔn)備時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

(2) 焊劑填充裝置能滿足焊劑緊密填滿坡口的焊接工藝要求，焊接質(zhì)量優(yōu)秀。

(3) 焊劑填充裝置由于升降平穩(wěn)，焊劑拋撒極少，因此既能節(jié)省成本，又能減輕清掃的工作強(qiáng)度。

(4) 焊劑填充裝置設(shè)計(jì)的成功，改變了原有焊劑墊形式單一固化的結(jié)構(gòu)，為焊劑墊的設(shè)計(jì)提供了新的思路。