基于变频器的管接头马鞍形加工车床的改造

摘 要 本文针对锅炉制造行业，利用传统靠模车加工管接头马鞍形坡口时间长，效率低的现状，提出了利用气体切割技术配合管头马鞍形坡口工艺车床加工管头马鞍形坡口的一种方法，并通过变频器对车床进行改造，以满足气割加工的要求，并成功应用于生产实践中。

关键词 马鞍形坡口；气体切割；变频器

中图分类号 TK 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)031-0179-01

电站锅炉及余热锅炉制造过程中，按照国内外焊接工业标准，锅炉的下降管与集箱、锅筒连接时，为增强焊缝强度，提高焊接质量，需将管接头端面预先加工成马鞍形全焊透型坡口。在我公司制造生产中常用的管接头规格为φ60~φ168、壁厚δ=4~10 mm，每台锅炉的管接头多达几百个，在生产中占据一定的比重。

1 设备改造的原因和目的

伴随着我公司大型垃圾焚烧炉和余热锅炉订单的不断增加，管接头马鞍形坡口加工工作量急剧增加。而目前采用靠模车加工马鞍形曲线的方法，加工时间长、效率低，以车加工Φ133×6管接头为例，加工一件需用时50 min。针对这一现状，我们提出新的加工方法，用以减少加工时间，提高劳动效率。

2 设备改造方案的确定及理论分析

按照焊接工艺要求，马鞍形管接头与集箱或锅筒的焊接时，全透形坡口粗造度需达到12.5，而利用气体切割加工管接头坡口，再用磨光机少量打磨完全可达到这一标准。为此，我们考虑采用变频调速功能降低车床主轴转速，利用气体切割加工管接头马鞍形坡口的方法。以气体切割加工Φ133×6管接头为例，根据实际工作经验，当主轴转速约为

0.25 r/min时，可达到气体切割管接头的要求。从这一原则考虑，将车床主轴转速设定在10 r/min时，利用变频器调低频率可满足主轴低转速的要求。

车床主轴电机为三相异步电机，功率为7.5 kW，额定转速n为

1 450 r/min，级数为4级。

电机的同步转速n0：

n0=

电机的转差率S：

S=

实际转速n1与变频频率f的关系为：

n1=

式中f0为工频电的频率50 Hz，P为极对数。

对于工频系统，将主轴转速设定在10 r/min时，车床主轴机械减速比为145：1。在变频调速系统下，仍将主轴转速设定在10 r/min，即机械减速比保持不变，主轴的实际转速与变频频率成正比。要达到气割加工要求的0.25 r/min的主轴转速，则变频器设定的频率应满足：

=

即变频器设定的频率f =1.25 Hz。

在实际的改造过程中，系统应设计工频和变频两套控制系统，以满足不同加工工艺的要求。

3 变频器的选型及设备保护的措施

3.1 变频器的选型

车床变频改造后，主轴电机需长期低速运行，所以在变频器选型时除满足电机功率，电压等级匹配外，还必须具备以下性能：低速运行时，有较大的力矩输出；稳速精度高；过载能力强。目前，最常用的v/f控制方式的变频器在低频时转矩不够大、稳速精度不够高，不适用低速运行的设备。在此，我们选用安川通用型高性能矢量控制A1000系列的CIMR-AB4A0018FAA变频器。 该变频器具有以下优点：

1）频率精度高，可满足主轴稳速精度高的要求。

2）变频器有转矩补偿功能，可解决低频时转矩不足的问题。

3.2 设备保护的措施

1）电机保护的措施。电机长期低速运转时，其温升较快、噪音较大，容易损坏。考虑到电机运行速度过低（0.25 r/min），在设计改造中，在电机尾端加装一台大功率三相轴流风机用于电动机的强冷；同时在变频器的输出端选用了1台型号为OCL-47P5-VF的变频器专用输出电抗器，用于减小电动机的噪音及保护变频器。

2）变频器的保护措施。电机在快速停车过程中，由于惯性作用，会产生大量的再生电能，如果不及时消耗掉这部分再生电能，会使变频器出现故障报警，甚至损坏变频器。因此，我们要选择该一只与变频器匹配的刹车电阻，用于保护变频器不受电机再生能量的危害。

4 变频器参数设置及调试

根据控制需求，设计电路，在此不再赘述。改造后的控制系统能否取得良好的低速运行效果，关键是变频器参数设置的正确、合理与否。表1、表2分别详细列出了变频器主要参数和电机自学习模式下的参数设置情况。

在电机参数自学习的过程中，如出现过压或过流故障，可适当增减加减速时间。自学习结束后，系统进行空载及负载调试状态，并注意观测电机是否有异常声音、抖动及电机是否持续升温。实践证明，当频率设定在1.21 Hz~1.25 Hz时，电机运行平稳，完全满足气割加工Φ133×6管接头马鞍形坡口需求。当然，不同管径、不同壁厚的管接头，气割所要求的转速有所不同，但都可通过电位器调整频率值来达到最佳加工效果。

5 结论

变频器较高的频率精度，确保了车床主轴转动的平稳性；变频器较好的转矩补偿功能，确保了电机低速运转时有较高的转矩输出。变频改造后的车床已成功应用于生产中，气割一件用时5分钟与车加工一件用时50分钟相比，大大提高了劳动效率，取得了较好的实用价值。

参考文献

[1]龚仲华.变频器从原理到完全应用―三菱、安川[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[2]章勤,林安.管接头马鞍形坡口加工数控车床研制[J].计算机工程与应用,1996,5:85-88.

[3]肖旭光,蔡兰蓉,夏海涛.火焰加工管头马鞍形坡口工艺装备的设计[J].机械设计与制造,1999,3:59-60.

作者简介

胡敬强，男，汉族，安徽亳州人，工学学士，助理工程师，工作单位：安徽金鼎锅炉股份有限公司，主要从事工厂电气设备管理。