鼓风机叶片焊接坡口面数控切割的研究

1、1998年12月28日收到武汉市430072鼓风机叶片焊接坡口面数控切割的研究袁泽虎黄健丁沃圻(武汉水利电力大学一、引言鼓风机叶轮上的叶片是焊接在叶轮前盘和后盘上的,其焊接质量直接影响鼓风机的产品质量,而焊接质量又与叶片上焊接坡口面的加工质量有关。如采用传统的手工方式加工叶片的焊接坡口面,不但生产效率低,而且加工质量差,很难保证焊缝的均匀性。采用数控切割方法 ,可以较精确地切割出叶片端部几何形状,而且还可同时加工出变角度的坡口面,以保证焊缝的均匀性,提高鼓风机叶轮的质量。本文论述了鼓风机叶片焊接端面曲线及其变角度坡口面的数控切割原理及数学模型。二、鼓风机叶片的几何表示叶轮主要由叶片、前盘和后盘

2、组成,如图1所示。前盘为圆环形曲面,后盘为平板面,叶片又主要由内、外侧叶片焊接而成,叶片的形状为曲线面,其几何表示采用叶片上的两个剖面的几何形状来描述,如图1的A -A 剖面和图1的B -B 剖面所示。由图可知,这两个剖面的几何形状是由离散的几何点数据表示的。由于叶片的曲面方程是不能直接得到的,所以不能有现成的方程来表示叶片和前盘的交线,而叶片是直接焊接在前盘和后盘上的,内、外侧叶片与前盘圆环面的交线即为叶片的焊接端面曲线。由于叶片采用这种间接的几何表示方法,给建立内、外侧叶片与前盘焊缝处的端面曲线的数学模型带来较大困难。图1叶轮视图及叶片几何表示三、叶片焊接端面曲线的数学模型为了建立叶片焊接

3、端面曲线的数学模型,必须先定义坐标系统,如图2所示。以内、外侧叶片外表面的交点O 为坐标原点,x 轴和y 轴在A -A 剖面内,且x 轴垂直于叶片剖面的基准轴线,y 轴与叶片的基准轴线重合,z 轴垂直于A -A 剖面。叶片焊接端面曲线实际上就是内侧叶片的内表面与前、后盘的两条相交曲线和外侧叶片的内表面与前、后盘的两条相交曲线。从图1b 、c 可见,叶片两个剖面的离散的82几何点数据给出的是内、外侧叶片外表面的几何数据,内表面的几何数据没有给出,也无法精确求出,因而只能先建立内、外侧叶片的外表面与前盘和后盘的相交曲线的数学模型,再用数控加工中半径补偿的方法建立内、外侧叶片的内表面与前盘和后盘的相

4、交曲线的数学模型。求解叶片表面与前盘和后盘的相交曲线可分两步进行,先求出叶片外表面与前盘和后盘的交点,再进行曲线拟合。由于内、外侧叶片与后盘的交点已由A -A 剖面给出,且为平面曲线拟合,较简单,在此不作讨论。下面只讨论建立内、 外侧叶片与前盘的焊接端面曲线的数学模型 。图2直角坐标系的建立1.内、外侧叶片外表面与前盘交点的计算前盘为圆环面,如图3所示,在o x y z 坐标系下,圆环面A B 的数学方程为:图3计算前盘环面中心位置x 2+y 2+(z +H 2+R 21-r 22=4R 21(x 2+y 2(1其中,R 1和H 可由以下联立方程求出:(R 2-R 12+(H 1-H 2=r

5、2(R 3-R 12+(H 2-H 2=r 2(2再进行坐标变换,将o x y z 坐标系下的方程(1转化为oxy z 坐标系下的方程,可用如下一般方程表示:F (x ,y ,z =0(3内、外侧叶片外表面的曲面方程不知道,但知道叶片两个剖面上的有限个型值点,可以将内、外侧叶片两个剖面上的对应型值点连成许多条直线,计算内、外侧叶片外表面与前盘的交点,就是计算这些型值点的连线与前盘圆环面的交点。叶片内、外侧外表面型值点的连线可分别由参数方程(4和(5表示如下:X i =x i +(x ai -x i tY i =y i +(y ai -y i t (i =1,2,3,n Z i =z i +(z

6、 ai -z i t(4X X i =x x i +(x x ai -x x i t Y Y i =y y i +(y y ai -y y i t(i =1,2,3,n (5Z Z i =z z i +(z z ai -z z i t其中,(x i ,y i ,z i 和(x x i ,yy i ,z z i 分别为内,外侧叶片在A -A 剖面上的型值点,(x ai ,y ai ,z ai 和(x x ai ,yy ai ,z z ai 分别为内、外侧叶片在B -B 剖面上的型值点。联立方程(3、(4可计算出内侧叶片与前盘的n 个交点,(X i ,Y i ,Z i ,联立方程(3、(5可计算出

7、外侧叶片与前盘的n 个交点(X X i ,Y Y i ,Z Z i ,其中i =1,2,3,n 。2.空间曲线的拟合这里所说的空间曲线的拟合,就是将已经求得的内、外侧叶片外表面与前盘的n 个空间交点(X i ,Y i ,Z i 和(X X i ,Y Y i ,Z Z i 分别拟合成空间曲线,该空间曲线即为内、外侧叶92片外表面与前盘的交线。对于空间曲线,常用包含该空间曲线的两个曲面方程组联立起来表示。我们所要求的两条空间曲线都包含在前盘圆环面的曲面F(x, y,z=0上;同时,可以分别将空间点(X i,Y i, Z i和(X X i,Y Y i,Z Z i对x oy平面投影,并分别对投影点进行

8、平面曲线拟合得到平面曲线F1(x,y=0和F2(x,y=0,显然,F1(x,y= 0和F2(x,y=0,即为内、外侧叶片外表面与前盘的n个空间交点拟合而成的空间曲线对x oy平面的投影柱面方程。则所求内、外侧叶片外表面与前盘的交线方程分别为:F(x,y,z=0F1(x,y=0(6F(x,y,z=0F2(x,y=0(7四、参考平面和焊接坡口面的空间几何角度为了保证焊缝均匀,要求叶片焊接端面的焊接坡口角应相等。要切割出所需的叶片焊接坡口面,除需求出叶片焊接端面曲线外,还必须求出切割时要控制的变量n和,即需建立内、外侧叶片焊接端面曲线变角度焊接坡口面的数学模型。为了建立该数学模型,须定义以下参考平面

9、和空间几何角度。(1叶片切平面P s1焊接端面曲线上任选点M的叶片切平面P s1是通过该点并切于叶片内表面的平面。(2前盘切平面P s2焊接端面曲线上任选点M的前盘切平面P s2是通过该点并切于前盘外表面的平面。(3公法线剖面P n叶片焊接端面曲线上任选点M的公法线剖面P n是通过该点并且同时垂直叶片切平面P s1和前盘切平面P s2的平面。(4公法线剖面内的两面角叶片焊接端面曲线上任选点M的公法线剖面内的两面角是经过该点的叶片切平面P s1和前盘切平面P s2和叶片焊接坡口面分别与公法线剖面P n的交线所夹的角度。(5公法线剖面内焊接坡口角n叶片焊接端面曲线上任选点M的公法线剖面内焊接坡口角

10、n是经过该点的前盘切平面P s2和叶片焊接坡口面分别与公法线剖面P n的交线所夹的角度。(6公法线剖面内焊接坡口面预加工角n n是经过叶片焊接端面曲线上任选点M的叶片切平面P s1和焊接坡口面分别与公法线剖面P n相交线所夹的锐角。(7公法线剖面变动角叶片焊接端面曲线上任选点M的公法线剖面变动角是通过该点的公法线剖面P n与经过焊接端面曲线上初始点M0的公法线平面P n0之间所夹的角(如图4。图4公法线剖面变动角五、叶片焊接端面曲线处变角度焊接坡口面的数学模型鼓风机叶片焊接坡口面的数控加工需采用五轴联动的数控切割机,即控制x轴、y 轴、z轴,预加工角n和法线平面变动角。为了计算n和,必须先求有

11、关参考平面的方向矢量。(1前盘切平面方向矢量n_1已知前盘外表面的曲面方程为F(x,y, z=0,则切平面方向矢量为:n_1=A1,B1,C1=Fx,Fy,Fz(8(2叶片切平面方向矢量n_2(下转第23页3片振动的切向相对振型。四、安全性校核考虑转子转速为n s=93r m in,其激振力频率为kn s,进气导向支柱Z1=4。表1改型叶片A0与低频激振力频率的安全性校核激振力阶次K 激振力频率(H z固有频率(H z避开率(%要求裕量(%结论23.19.1519512安全34.659.1596.77安全46.29.1547.65安全57.759.1518.14安全69.39.151.613不

12、安全表2改型叶片A0、A1与高频激振力安全性校核频率阶次避开率(%要求裕量(%结论单只A047.612安全A13865安全五、结论1.经分析叶片的双向弯曲振动,得出叶片的前四阶固有频率都是轴向频率。其原因是叶片-叶轮系统切向刚度远大于轴向刚度。2.对该通风机叶片采用汽轮机叶片振动安全性校核准则进行了校核。由于通风机转速较低,叶片的动频与静频差别不大,故用叶片的静频代替动频,叶片轴向第一阶固有频率与K=6的激振力频率避开率小于要求裕量,而其它阶固有频率都有足够的避开率,叶片振动是安全的。参考文献1林毓琦陈翰楼志文材料力学西安交通大学出版社199432李庆宜主编通风机机械工业出版社198193倪振

13、华编著振动力学西安交通大学出版社199484吴厚钰透平机械结构和强度计算机械工业出版社1982(上接第30页叶片内、外表面可视为不可展开直纹曲面,即叶片内、外表面是分别由一直线在两条曲线上滑动而形成的,故叶片的切平面必包含经过该点的直母线,该直母线为叶片两个剖面上(A-A和B-B剖面对应型值点的连线,显然可方便地求出直母线的方向矢量n_m。同时,也可求出叶片焊接端面曲线的切线的方向矢量n_q,则叶片切平面的方向矢量为:n_2=A2,B2,C2=n m×n_q(9(3公法线剖面内的两面角由于经过叶片焊接端面曲线上任选点M的公法线剖面同时垂直于通过该点的叶片切平面和前盘切平面,所以公法线

14、剖面的两面角为:co s(-=A1A2+B1B2+C1C2A21+B21+C21A22+B22+C22(10(4n与n的关系式根据前面的参考平面和几何角度的定义,可得出如下关系式:n=-n(11其中由式(10确定,焊接坡口角n由用户给定。(5法线平面变动角设开始切割点M0处的法线平面方向矢量为n_0,在焊接端面曲线上任选点M处的法线平面方向矢量为n_n,则法线平面变动角可由下式求得:co s=(n_0,n_nn_0 n_n (12参考文献1.丁沃圻黄健等焊接弯头环缝焊接坡口面的数控火焰切割武汉水利电力大学学报1997;12.黄健袁泽虎集CAD CAM CN C于一体的板材下料系统机械工业自动化

15、1997;332设计试验 125MW机组轴流通风机改型叶片振动特性分析风机技术1999(3本期主要文摘离心压缩机性能预测模型研究 吴宝海席光王尚锦祁大同 西安交通大学本文在广泛收集有关离心式压缩机各部件模型的基础上,编制了单级离心式压缩机性能预测的计算机程序。以有叶扩压器进口角度可调离心式压缩机的级性能试验曲线为例,分析讨论了现有模型预测结果与实验数据的偏差,并提出了改进措施。叙词离心式压缩机性能模型调速特性系数在通风机选型设计中的应用 高健杨云鹏 沈阳人民风机厂阐明通风机调速特性的物理意义,建立系列风机调速特性系数与连续机号间的函数关系准则。讨论了该准则的物理意义及实用价值,并以该准则为基础

16、制作风机优化设计线图。最后对该线图的使用及相关注意事项作了说明。叙词通风机调节优化设计离心式通风机蜗壳内部流动特性的数值计算分析 潘地林张立祥 淮南工业学院应用三维粘性计算流体动力学软件STA R-CD对一离心式通风机蜗壳在不同工况条件下的内部流动情况进行了三维不可压缩横定流动的数值计算分析,并对通风机蜗壳壁面压力分布情况进行了预测。文中给出了数值分析结果与实测结果的比较。还对在蜗壳内部加装整流圆筒的情况进行了分析研究。叙词离心式通风机蜗壳三元流动计算通风机叶片中线的计算机辅助设计 徐菱 西南交通大学通风机叶片在原始叶型选定后,叶片形状只能由叶型中线确定。比较了几种曲线拟合叶型中线的结果,提出

17、了采用Bezien曲线拟合叶型中线的方法,并实现了计算机对叶型中线的设计及各点叶片角的计算。它为叶片的计算机辅助制造提供了相关的参数。叙词通风机计算机辅助设计叶片125MW机组轴流通风机改型叶片振动特性分析 邹旭东袁奇孟庆集 西安交通大学采用传递矩阵法,考虑扭转叶片双向弯曲振动,计算分析了通风机叶片的振动特性。首先进行了逆推公式的推导和边界条件的处理,然后计算出了秦岭电厂一期125MW机组通风机改型设计叶片的振动特性,并进行了结果分析。叙词轴流式通风机叶片振动钛制通风机的设计与生产 吴振兴郭培林陈红 沈阳铸造研究所针对防腐特性良好的钛材通风机的设计与制造,说明了此种材料通风机的性能与特点。同时

18、还指出在应用钛材时的注意事项。叙词通风机材料选择鼓风机叶片焊接坡口面数控切割的研究 袁泽虎黄健丁沃圻 武汉水利电力大学论述了鼓风机叶片焊接端面曲线及其变角度坡口面的数控切割原理及数学模型叙词鼓风机叶片焊接数控机翼形叶片压型模的回弹计算 马扶南 南京鼓风机厂提出了机翼形叶片弯曲成型模的回弹计算方法。列举了其实例。最后对机翼形叶片回弹计算的一些具体问题作了说明。叙词叶片模具计算大型叶片钻模的设计与制造 霍海燕程泽民 陕西鼓风机(集团有限公司介绍了叶片钻模的结构特点及基本原理。指出其实用效果。叙词叶片模具设计离心式空压机油系统进水事故的分析与预防措施 关连波侯盾陈明 黑龙江省浩良河化肥厂介绍了离心式空压机油系统进水的现象与来源。分析了其原因。提出了其防范措施。从而确保了机组安全运行。叙词离心式压缩机油路系统故障通风机故障综合诊断系统研究 陈长征杨璐 沈阳工业大学张省 中国科学院力学研究所提出了通风机监测与诊断系统,以及其诊断系统的设计。介绍了这种