一种换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计

密 级 学 号 050604 毕 业 设 计（论 文） 换热器自动焊装置的 机械结构与控制系统设计 院（系、部） ： 机械工程学院 姓 名： 张艳清 年 级： 2005 级 专 业： 机械电子工程 指导教师： 俞建荣 教师职称： 教授 2009 年 6 月 6 日北京 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 机械工程学院 作者签名： 张 艳 清 学 号： 050604 2009 年 6 月 15 日 换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计 摘 要 无论是石化行业还是锅炉制造业以及人们的日常生活中，热交换器类产品管与管板接头的焊接和管与管板之间的焊接，特别是针对换热器中管与管之间的距离较小时对于管板焊接所使用的专用焊接设备的研究，国内外焊接设备公司都先后研制了特殊的管焊枪头，但目前成功应用的很少，尤其是带有加丝功能的自动管板焊机设备的研究还存在很多空白，有待于进一步研究。 本课题研究的目的是，设计一套适合于在换热器中管与管之间距离较小时的条件下能够焊接换热管伸出管板约20mm左右的专用焊接设备，该设备能够实现管与管板的全位置自动焊接，并且具有自动填丝功能。设计了适合于管与管之间距离较小时条件下的管-管板焊接的枪头部分，使其能够焊接管伸出管板20mm左右时的情况；设计了与枪头配套的焊枪调整机构和旋转机构，以及送丝机的结构；基于pro/E软件，对整个机构进行了建模以及装配；利用软件CAD对焊枪的几个主要部件的内部结构进行了绘制。并且通过相关实验验证了所设计结构的可行性。本文中所研制的管板焊机为换热器中管与管之间距离较小时的全位置焊接设备，通过计算以及动力学仿真验证了所设计结构的可行性。使得石化行业及锅炉行业中在管与管距离较小时的条件下，焊接管与管板接头时能够使用自动焊接设备，并为设备在该行业中的广泛应用提供了一定的有价值的参考。 关键字：换热器，管板焊接，焊枪结构，控制系统 I换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计 Abstract Whether boiler manufacturing and petrochemical industries or not, as well as peoples daily life, products heat exchanger tube and tube sheet welding as well as pipe joints between the tube plate welding, the special research for the welding equipment by the tube sheet welding used, welding equipment companies at home and abroad have developed a special tube torch head, however,the number of successful applications is very few,especially the automatic tube sheet welding equipment with the function of wiring, there are many blanks,it is be further studied. The purpose of this research is that,designing a special welding equipment suitable for that it could weld heat exchanger with the tube plate about 20mm out under the conditions of a smaller distance between the tubes in a heat exchanger, the device can be achieved the management control of all-position auto-plate welding and the automatic functions of filling silk. Designing tube sheet welding tips under the conditions of a suitable distance between pipe and tube,enable it to weld pipe extending about 20mm tube plate; designing the body of adjusting and the body of rotating with suitable for the tip of the torch, as well as the structure of wire feeder; based on the pro / E software,make the entire body be assemblied and modeled;designing several major components of the torchs internal structure by using CAD software.And through experiments it verified the feasibility of the design structure. This article was developed for the all-position welding equipment under the conditions of a smaller distance between pipe and tube, by calculating and dynamic simulation to verify the feasibility of the design structure. Making petrochemical industry and boiler industry weld pipe and tube sheet joints by the use of automatic welding equipment under the conditions of a smaller distance between pipe and tube,and provide a certain reference value for a wide range of applications in this field of industry. Key words：heat exchanger, tube sheet weldin g, torch structure, control system II换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计 目 录 摘 要.I Abstract.II 第一章 绪 论.1 1.1 选题背景与研究意义.1 1.1.1 选题背景.1 1.1.2研究意义.4 1.2 文献综述.5 1.2.1焊接技术及自动焊设备的发展史.5 1.2.2管板焊接设备的发展趋势 .7 1.2.3钎焊的发展趋势及发展史.8 1.3 本文研究的基本内容.9 1.4 本章小结.10 第二章 管板焊接方案的选择.11 2.1 焊机机构方案的选择.11 2.2 管板焊接中所遇问题的分析.12 2.3 本章小结.12 第三章 管板焊接中焊枪的机械结构设计.13 3.1 引言.13 3.2 自动焊管板焊机的设计 .13 3.2.1芯轴机构的设计 .13 3.2.2焊炬的设计 .14 3.2.3焊枪升降装置的设计 .15 3.2.4轴向定位调整机构.18 3.2.5焊机机身部分的结构设计.20 3.3 钎焊工艺.22 3.3.1接头结构.22 3.3.2 焊前准备.23 3.3.3 钎焊操作技术.23 3.4本章小结.24 第四章 控制系统的设计.25 4.1 引言.25 III换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计 4.2 电机的选取.25 4.3 控制系统的设计.27 4.3.1控制系统中硬件的设计.27 4.3.2控制系统中软件的设计.28 4.4 本章小结.31 第五章 关键部件的校核.32 5.1 直齿圆锥齿轮的计算数据及强度校核.32 5.2 中心轴的强度校核.35 5.3 本章小结.39 第六章 总结与展望.40 6.1 结论.40 6.2 技术经济分析.40 6.2.1发展课题项目的迫切需要.40 6.2.2市场前景分析.41 6.2.3社会效益分析.41 6.3 对进一步研究的展望.42 6.4 本章小结.42 参 考 文 献.43 致 谢.45 附 录.46 IV换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计 第一章 绪 论 1.1 选题背景与研究意义 1.1.1 选题背景 焊接不仅是一种重要的基础工艺，而且目前已发展成为一种新兴的综合工业技术。它广泛应用于造船、汽车制造、压力容器制造、石油化工、管道、钢结构制造等领域。整个焊接工艺过程应包括母材预热处理、切割下料、成形、焊接和焊后探伤检测、焊后热处理等工艺环节。并且随着人民生活水平的不断提高,工业的不断发展,换热器已经慢慢进入到了人们的生活.所谓换热器即将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器，适用汽汽、汽液、液液，对液传热。现代家庭中常用的是列管式换热器。列管式焊接器（又名列管式冷凝器） ，按材质分为碳钢列管式换热器，不锈钢列管式换热器和碳钢与不锈钢混合列管式换热器三种，按形式分为固定管板式、浮头式、U型管式换热器，按结构分为单管程、双管程和多管程，传热面积1500m2，可根据用户需要定制。针对换热器的广泛应用以及用途，研究其结构和工艺就成了主要的内容。首先，其主要结构是由不锈钢板以及铜管组成，并且板的外测还有一些碳钢管帽，那么将其组合起来就需要焊接工艺了。对于铜管与不锈钢板间需要用管板焊接（常用氩气或二氧化碳气体作为保护气） ，这样就将铜管与不锈钢板连到了一起。对于碳钢帽与铜管通常用钎焊将其连到一起，这样可以使铜管与焊板连接的更加牢固。但是针对于现代换热器不仅要求其有更好的节能与环保，而且还要求有更好的换热功能。这样就需要在设计换热器时使其换热时有更大的换热面积，并且还要保证其原有占用空间不变。这就只能在原有基础上加入一些铜管。这样的话，在焊接技术上就提出了新的挑战。针对这样的问题，我们应当提出相应的措施来进行解决。我所提出的措施就是焊枪采取相应的改进。本课题采用的是下部采用斜焊枪型式，上部采用垂直焊枪型式，结合成弯焊枪型式。这样不仅可以满足焊接时焊矩与焊缝之间保持着一个较好的焊接角度，更重要的是焊枪在进行焊接时能够更少的占用空间。因此，我们提出了此项课题设计一种自动焊装置的机械结构与控制系统（主要是焊枪的改进使其能够使以上所面临的问题得以解决）。图1-1为管板焊接的具体产品结构图： 1换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计 图 1-1：管板焊接的具体产品结构图 在工业锅炉行业内，管与管板的焊接大多在用手工电弧焊，这一焊接方法容易损伤管头，咬边较多，容易在管头的焊缝热影响区重叠，甚至焊缝粘连，当用手工全位置焊接方法时，受焊工水准的影响，焊缝成型相当难看。换热器是化工生产中的重要设备，尤其是管壳式换热器，因其结构坚固、适应性强，清理维修方便，制造工艺成熟等优点，钢制管壳式换热器在电力、冶金、石油和化工等企业中应用很普遍,随着我国换热器制造技术的不断进步,各使用单位对其制造质量和使用寿命提出了更高的要求。空冷器在石化行业以及电站行业都有广泛应用，石化行业中的空冷器的管板焊接采取强度胀加密封焊的制造工艺。当空冷器发生泄漏时，大都发生在焊缝处。如武汉石油化工厂 2004 年 7 月11 月间发生常顶空冷器泄漏，经检查发现泄漏都在焊缝上，且都发生在最下一排管与管板焊缝处，由此可以说明其焊接质量存在缺陷，因为即使塔顶系统遭到一定程度的腐蚀，也不可能在如此短的时间内产生泄漏。空冷器泄漏部位都发生在空冷器入口端最下排管板管口的焊缝上，管板管束均为碳钢，管内设有防冲蚀钛管，一般认为，相同材质焊接，其焊接热影响区是最易被侵蚀的部位，焊接质量有问题，焊缝必然会最先遭受腐蚀，焊接部位存在缝隙，酸性冷凝液就会产生缝隙腐蚀。 哈尔滨空调机厂有“中国空冷器的摇篮”之称，通过到哈空调调研发现，该厂对空冷器管与管板的焊接使用的是焊条电弧焊的方法，该方法不仅焊缝成形不美观,接头的质量也很难保证。化工生产过程一般都有压力，介质有腐蚀性，还有冲刷等。空冷器的使用环境恶劣，易造成空冷器中管与管板的连接接头被侵蚀，如果在制造中不能有效地控制质量，在使用中极易造成泄漏，影响化工产品的产品质量，造成环境污染，引发安全事故等1。 2换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计 为了解决这些焊接难题，采用全位置自动管板焊接是切实而又可行的措施。国内外管板设备公司都先后研制了特殊的管焊枪头，但目前成功应用的很少，尤其是带有加丝功能的自动深孔焊接设备更是难得一见。因此对深孔管-管板焊接设备的研究是一项有重要意义的工作。图1-2为常见的管板焊机： 图 1-2：管板焊机 除此之外，对于换热器而言,在满足顾客要求的情况下,压降越低越好。这样能减少能耗,降低运行成本。对于油-气系统, 其压降一般为0.1MPa，气-气系统,其压降0.01MPa。工程机械中的换热器,其介质为油-气,用多孔的翅片形式比较好,因为如果用锯齿型翅片,翅形复杂加上油的黏度大,相应的阻力也大,在进行水压试验时,容易出现换热器涨破的现象,质量得不到保证。封头一般采用氩狐焊,可以是手工的,也可以是半自动的;其芯子部分采用真空钎焊,改变了传统的由盐浴的老工艺。克服了容易局部脱焊,污染严重的缺点,真空钎焊能精确控制温度,加热均匀,变形小的特点,因而其质量、效率得到大大提高,成为目前国内厂家的首选。针对本课题的设计对象，在设计过程中采用钎焊，这是因为钎焊具有很多优点,例如:加热温度低、对母材影响小、接头残余应力小;可以根据连接温度、强度选择多种填充金属;适合焊接难熔化的金属,特别是异种金属;密封性好;对于精密的、微型或结构复杂的焊件尤其适用。由于钛的高温活性强,钎焊一般在真空或氩气保护下进行。炉中钎焊焊接参数容易控制,接头强度较为稳定,可以用来焊接重要的结构件。 3换热器自动焊装置的机械结构与控制系统设计 1.1.2研究意义 管板焊接是一种现代化了的传统加工技术,在21世纪的知识经济时代里是否仍是一种重要的生产手段,这必须从国内外的情况来进一步分析。我国是一个发展中国家,还没有完成工业化建设,还需要大力发展制造业,振兴装备制造业。并且钢的产量还在高速增长,预计2004年就会接近2.6亿吨，按这个速度发展,不久就会达到3亿吨。因此,我国在完成全面建设小康社会之前,钢铁仍将是主要结构材料,管板焊接技术也必然要跟随钢铁的发展而同步提高。同时,高新技术的快速发展,装备的轻量化、节能化、高性能化使铝、铁等轻金属、复合材料、陶瓷、塑料和新型材料也将扩大应用范围,这些材料都需要用新的焊接或连接技术制成给定功能的结构。无论是钢或其他材料的发展都对我国焊接技术的提高,从工艺、耗材、装备、自动化和质量、效率、成本、寿命以及维修、再制造、再循环等