加工装置设计（精选10篇）
加工装置设计 篇1
在车床加工过程中经常会遇到球面加工的问题, 在没有工装的情况下加工效率很低, 最主要的是根本无法保证加工质量, 如果能设计一套装置安装在车床上就会成倍地提高生产效率, 保证加工质量。
以下是对装置设计的结构、结构的作用及装置的工作原理、安装使用的介绍。
一、装置的作用及结构
装置主要由三部分组成:固定轴、连接杆、中托板固定销轴。
1.固定轴
固定轴的作用:用于支撑连接杆、调整加工球面直径的大小。固定轴的结构:固定轴由轴、轴承、安装扳、安装座、轴承外套组成。固定轴上部装有两盘滚动轴承, 轴承外套与连接杆连接 (装滚动轴承的目的是:滚动轴承有良好的旋转精度, 对于加工精度较低的工件也可使用轴套) , 下部是安装板, 安装板装有两条M24的螺栓, 螺栓旋如安装座内用锁母锁死。两条M24的螺栓作用是: (1) 支撑装置; (2) 当改变所车削球面的直径大小时, 调整螺栓的长度, 从而改变连接杆的旋转半径, 达到控制车削球面直径大小的目的。安装座可用多种方法固定在床身上 (用螺栓、夹板等) 。
2.连接杆
连接杆的作用:一端与中托板固定销轴连接 (可直接焊在轴承外套上, 也可用顶丝固定) , 一端与中托板固定销连接。
连接杆的结构:连接杆一端为环状套入固定轴轴承外套, 一端为长孔套入中托板固定销轴, 用螺栓与中托板固定销轴承外套固定, 螺栓可在连接杆侧面加工的长孔内任意位置固定, 用于调整两轴间的中心距。
3.中托板固定销轴
固定销轴的作用:可靠地与中托板连接、与连接杆固定、连接杆可绕销轴旋转。
固定销轴的结构:由轴、轴承、轴承外套与中托板连接件组成。轴承外套上有螺纹孔用于和连接杆固定。与中托板的固定有多种方法:可利用中拖板上已有的孔固定, 也可在中托板后端面上钻孔攻丝, 将销轴旋入固定, 还可做一框架用顶丝固定在中托板上面, 等等。
二、装置的安装使用
将装置的固定轴安装在车床床身的适当位置, 将装置的中托板固定销轴安装在中托板后端部, 安装连接杆, 松开中托板丝杠, 装置即可使用。
三、装置的工作原理
在车床上加工球面实际上是要求车刀可在平面内实现小于1/2圆的圆周运动。装置安装后当大托板向右移动时中托板由于装置的限制只能向前远动, 即中托板实际是在做绕装置固定轴的旋转运动, 从而实现了车刀在平面内的圆周运动。圆周运动直径的大小改变固定轴与销轴间的中心距即可。当然中心距可在车床加工的范围内足够大, 但受中心距的限制不可足够小, 当车较小球面时可将滚动轴承设计为轴套尽量减小两轴间的中心距。
总之, 以上设计可从根本上解决在普通车床上加工球面的问题, 从而达到事倍功半的效果。
附示意图:
加工装置设计 篇2
一、行政许可条件1、2、3、设计单位和人员取得国家规定的资质、资格； 申请单位提交的申请材料齐全且符合规定形式； 建设项目在《昆明市雷电灾害防御条例》第十九条之规定范围内的，须进行雷电灾害风险评估，提交《雷电灾害风险评估报告》。
二、申请材料1、2、填报《防雷装置设计审核申请书》（原件2份）； 设计单位和人员的资质证、资格证书（复印件1份，加盖单位盖章）
3、委托气象主管机构认证的雷电灾害风险评估单位进行评估，并提交《雷电灾害风险评估报告》1份；
4、防雷装置施工图设计说明书、施工图设计图纸（总平图、建筑施工图、结构施工图、给排水施工图、电气施工图（含强、弱电）、设备施工图），图纸设计所用字体及相关材料（1份，电子档刻录光盘）；5、6、7、提交总规划平面图； 防雷产品相关资料；
其他与防雷建设有关的施工图（水、电、消防、煤气、金属构架大样、SPD安装等）。
三、行政许可程序
1、申请人提交申请材料——→象窗口受理（申请材料不齐全或不符合规定形式的，许可机构应当在收到申请材料时当场一次告知需补齐的全部内容，并出具《防雷装置设计审核资料补正通知》；逾期不告知的收到申请材料之日起视为受理）——→气象窗口出具《防雷装置设计审核回执》——→审核，对符合条件的核发《防雷装置设计核准意见书》。
2、经审查，不符合条件的，发给《防雷装置设计修改意见书》，申请人应当按照提出的意见进行设计修改完后，按源程序申报。
四、行政许可办理时限
防雷装置设计审核自所需材料齐全之日起5个工作日内作出行政许可决定。
论加工中心自动换刀装置故障诊断 篇3
关键词：加工中心；自动换刀装置；故障诊断
加工中心作为以数控机械设备及操作系统共同构成的自动化、高效数控机床，其能够对各种复杂零件进行加工，是当前在国际范围内应用最广、生产量最高的先进数控机床，其自动换刀装置主要包括安装主轴头换刀、砖塔头换刀以及回转刀架换刀等，能够显著提高加工效率。因此，提高其故障诊断水平尤为重要。
一、刀库故障
刀库作为加工中心自动换刀装置的重要构成部件，在其日常运行过程中主要会出现刀库转动不准确、刀库与刀具配合不到位以及刀套松弛等。（1）刀库转动故障，导致其出现的原因主要包括变频器输入、输出电压异常，蜗杆轴与电动机轴的联轴器未固定好，接口板中的继电器异常导致PLC对输出控制失灵，机械连接处不够灵活，电网电压<370V；（2）刀库转动不准确，主要由传统机构误差值过大以及电机转动失效导致；（3）刀套松弛的原因主要为刀具超重或重量不平衡，刀套上弹簧松动
针对上述故障采取的措施主要有：其一，出现刀库换刀持续转动故障时，可利用螺钉旋具对刀库伸缩电磁阀进行控制，使其处于伸出状态，此时对刀库进行复位，将其目前所装置的刀具取下后停机，利用扳手将空刀抓拧到刀库齿轮箱的主轴位置，调整到正确方向后利用螺钉旋具将伸缩电磁阀关闭，达到让刀库回位的目的。最后对刀库回零开关及电缆进行核查，在及其回零正常后对换刀进行检查，若仍出现异常则对接地线进行检查，通常可排除故障。其二，出现刀库刀爪错动或拔刀卡滞时，表示刀库零点可能与初始设置不符，或其在转动过程中出现过大间隙，同时也可能存在刀具重量不平衡导致刀库零点偏移的问题。此时应采取手动控制主轴，将所有刀具卸下，利用塞尺对主轴传动键与刀库刀爪之间的间隙进行测量，确定其确实存在偏移后手动对刀库进行推拉，促使间隙回正。
二、自动换刀机械手故障
自动换刀机械手的功能即实现自动换刀，因此其工作效率直接影响着加工中心的整体运行情况。其常见故障主要包括装夹刀具松弛，刀具夹紧后无法按照指令及时松开，刀具与机械手间不稳固，掉刀以及换刀速度不合理等。通常导致刀具松弛的原因主要为主轴的拉刀碟簧损坏，拉力气缸工作异常，刀柄夹头与拉钉之间的螺纹连接不合适等。导致刀具松开异常的原因主要为松锁刀的弹簧安装不正确，从而使得螺钉过紧，最大载荷>额定数值。导致刀具不稳固及掉刀的原因主要为主轴箱位移，即其在换刀时无法及时回到换刀点，从而使得机械手工作不到位。而导致机械手换刀速度不合理的原因多为气压异常，当换刀气阀节流口的大小设置不科学时容易使得换刀速度过快或过慢。
针对上述故障应采取：其一，当换刀系统无法正常工作，对换刀指令反应不灵敏时，如出现机械手停滞，出现换刀系统工作异常的报警信号，此时应以加工中心自动换刀装置的使用手册为依据，根据具体报警内容进行诊断，可能出现的“刀库换刀位置错误”或未检测到机械手信号。这种情况下故障一般出在刀库或换刀装置上，当PLC接收到无开关信号的信息后，则会对换刀进行自动中断。因此，首先应对刀库接近开关进行检测，利用薄贴片进行感应，确定是否由开关失灵导致，如是，则对开关进行更换，如不是，则对机械手的移出及缩回快关进行检查与测试，采取手动的方式控制机械手伸缩，结果显示加工中心正常工作则证明换刀系统无异常，可能由PLC内部故障或人工操作失误导致。在进行反复操作后，发现换刀时间间隔与PLC规定不符，表示PLC程序出现错误，无法正确执行命令，此时应对数据位进行检查，将其与要求的数据值进行比较，根据数据位的具体内容进行调整
其二，再出现机械手拔刀故障时，首先应对工作状态下的机械装置运动过程进行仔细观察，自动换刀装置主轴此时保持的状态仍为交换旧刀具，换刀臂在升降油缸的上部，同时刀库已对新刀具进行定位，自动换刀顺序为换刀臂左移-下降-拔刀-右移-上升-抓住刀具-松刀-从主轴拔刀-交换刀具-装刀，后将旧刀具返回到刀库中并循环这一过程[3]。无法拔刀的故障主要出现在换刀臂下降后无法拔刀的环节，原因可能为机械臂伸出、缩回无信号，从而使得松刀电磁阀未通电，主轴仍处于抓到状态。此时应对松刀开关进行检查，发现其存在感应间隙过大的问题，致使换刀臂接近后未输出信号，最终使得机械手动作故障。这一故障类型的发生具有一定复杂性，与机械手工作整个流程的各个环节均有一定联系，因此需要工作人员对各个感应开关进行仔细排查。
参考文献
[1] 唐霞.卧式加工中心自动换刀装置的故障分析与排除[J].机床与液压，2014，（4）：130-131.
[2] 吕宁，肖恂.加工中心自动换刀装置的典型故障排除[J].中国设备工程，2013，（4）：40-41.
[3] 王莉刚.加工中心自动换刀装置分类及故障分析[J].中国科技博览，2012，（28）：30-30.
加工装置设计 篇4
广东省阳江市素有“中国刀剪之乡”的美誉, 五金刀剪产量占全国70%, 出口量约占全国的85%。我校校办工厂经常会接到五金刀剪配件加工单, 如图1所示的塑料刀柄配件, 需要加工的部分是表面网纹及两个小孔。图2的金属刀柄配件, 需要加工的部分是多处小孔及表面的凹槽。这些配件的毛坯材料都比较薄, 外形不规则, 直接用平口钳装夹难度大、效率低。为此需要解决装夹问题, 以提高生产效率。
这类五金配件一般是在数控铣床进行加工, 传统的装夹方法是直接用平口钳装夹, 并且要用垫块使工件保持平衡, 然后找正加工。每个工件经过这样的装夹找正, 都非常费时, 生产效率低。为了提高生产率, 可以考虑使用专用夹具。
2 快速夹具装置设计
1) 快速夹具装置的结构设计。装置分两大部分:一部分是夹具主体;另一部分是夹具模。
夹具主体主要由底板1、推拉式快速夹钳2、固定钳身5、活动钳身6组成, 如图3。底板通过夹板安装在数控铣床或加工中心上, 固定钳身用螺钉与底板连接, 活动钳身通过螺栓、压缩弹簧与固定钳身连接, 快速夹钳与活动钳身连接。其中, 压缩弹簧可以调节固定钳身和活动钳身的夹持力, 快速夹钳型号可以根据加工产品需要的夹持力不同来选择, 如表1。
夹具模3是根据不同产品的外形加工出来的, 它是通过螺柱或是其他方法分别安装在固定钳身和活动钳身上, 如图3。图4为我校产品加工的其中两种夹具模, 图4 (a) 的夹具模材质是塑料, 通过超黏胶粘贴在钳身上;图4 (b) 的夹具模材质是45钢, 通过沉头内六角螺钉与钳身连接。
1.底板2.推拉式快速夹钳3.夹具模4.螺栓5.固定钳身6.活动钳身
2) 快速夹具装置的工作原理:快速夹具装置通过推拉式快速夹钳使夹具模开合实现工作。向下拉动快速夹钳手柄, 使夹具模处于开模具状态, 把工件放入夹具模中, 然后向上推动快速夹钳手柄, 使夹具模闭合, 夹紧工件可进行加工。当夹紧力不足或过大可调节连接固定钳身和活动钳身的螺栓上的螺母, 来调节弹簧的压紧程度, 从而达到调节夹紧力的目的。
3 快速夹具装置的特点及应用
1) 装夹速度快, 操作简单。快速夹具装置投入生产使用后, 大大提高了生产效率, 使用前装夹一个工件耗时约为2~3 min, 使用后装夹一个工件耗时约为4~6 s。该装置在阳江地区也得到了其他五金配件生产企业的青睐, 已在10多家企业推广使用。
2) 夹持力范围广。根据加工工件的大小, 可更换快速夹钳, 也可调节弹簧的压缩程度, 使夹持力在较大范围选择。
3) 精度符合要求。由于五金刀柄配件的精度要求不高, 因此对装置的装夹要求不高, 满足产品的需要。
4 夹具装置的改进
1) 如果产品精度要求较高时, 可用导柱导套代替螺栓连接固定夹具体和活动夹具体。
2) 如果机床附有供气系统, 可把推拉式快速夹钳换成气动快速平钳, 从而可实现由手动变成自动。
设计加工部新员工 篇5
1、2、裁剪：老员工带新员工，公司给予每月200元教学补贴。裁剪：老员工需在3个月内教会新员工裁剪知识及窗帘的全套
裁剪制作并达到公司设计加工部要求。新员工在试用期及转正后2个月内的合格产品算老员工的绩效。
3、4、缝纫工：老员工带新员工，公司给予每月100元教学补贴，缝纫工：老员工需在3个月内教会新员工全套窗帘大样制作并
达到公司设计加工部的要求，新员工在试用期及转正后2个月内合格成品算老员工的绩效。
5、补贴、绩效发放方式：
① 老员工在教学3个月期满后新员工经过公司考核达到公司对该
岗位的要求，补贴3个月后统一发放。绩效当月发放。
② 老员工在教学3个月期满后新员工经过公司考核未能达到公司
加工装置设计 篇6
当今制造业正面临着来自难加工材料 (如不锈钢、硬质合金、高温合金、钛合金等) 的挑战, 利用单一传统的加工方法已经不能有效地加工它们, 这就促成了两种或两种以上加工方法的复合。面对材料的高硬度、成形零件的复杂性, 特种加工技术已成为加工领域的研究热点[1-4]。孔的加工约占机械加工总量的三分之一。目前国内外对小孔、深小孔还未提出确切的定义, 一般说来, 将直径小于3mm的孔称为小孔, 将深径比大于5的小孔称为深小孔。在孔的加工中, 深小孔、异形孔的加工最为困难[5-7]。在此背景下, 研究人员对超声电解复合加工深小孔技术进行了探讨研究。
目前, 国内外对超声振动系统的设计主要是针对振动系统的换能器、变幅杆单个元件的设计, 主要设计方法有解析法、机电等效法、表面弹观法、有限元法。其中, 有限元法是目前应用较广泛的数值分析技术之一, 其求解基本思想是将问题的求解区域划分为一系列单元, 各单元之间通过节点连接, 由平衡关系或能量关系建立节点间的方程组, 通过边界条件进行求解, 该方法能满足工程设计要求[8-11]。
超声电解复合加工深小孔的关键技术是旋转超声振动系统的设计, 这要求超声振动系统具有一定的超声高频振动。超声振动系统主轴的回转精度比较高, 而且在一定深度范围内的深小孔加工中能实现工具超声振动, 输出振幅为30~80μm。传统的全波长或3/2波长振动系统包括换能器的前端盖、电极、压电陶瓷、后端盖、1/2波长变幅杆和传振杆等, 整个振动系统长度较长, 螺纹连接比较多, 精度难以控制, 很难满足回转精度要求。超声加工中, 频率一般为16~25kHz, 振幅为0.01~0.1mm[12]。本文基于局部共振理论, 将解析法和有限元法相结合, 设计1/2波长、频率为20kHz的超声振动系统, 即振动系统由1/4波长换能器和1/4波长变幅杆组成。首先进行换能器、变幅杆各部分尺寸的理论计算, 然后在此基础上进行有限元分析和优化设计, 工具采用高精度ER11螺母夹装, 工具长度在一定尺寸范围变化, 不影响超声振动系统谐振工作, 从而使所设计的超声振动系统满足加工要求。
1 变截面杆纵向振动的波动方程
为了研究方便, 首先对模型做必要的简化, 提出几个假设:变截面杆由均匀、各向同性材料构成;机械损耗忽略不计;平面纵波沿杆轴向传播 (杆横截面尺寸小于1/4波长) ;杆横截面上的应力分布是均匀的[13-14]。
图1所示为一变截面杆, 其对称轴为坐标轴x, 作用在小体积元 (x, x+dx) 所限定的区间上的张应力为σxdx, 根据牛顿定律可以写出动力学方程:
式中, S=S (x) , 为杆的横截面系数;ξ=ξ (x) , 为质点位移函数;, 为应力函数;ρ为细棒材料的密度;E为细棒材料的弹性模量。
在简谐振动情况下, 式 (1) 可以写为
式中, k=ω/c, 为圆波数;ω为角频率;, 为纵波在细棒中的传播速度。
端面受力Fn (x) =-SEξ/x, 结合式 (2) 可以求得简谐振动时, 位移ξn (x) 、振动速度vn (x) (vn=jωξn) 与端面受力Fn (x) 的分布函数。
对等截面杆:
对圆锥形截面杆:
式中, 下标n为变截面杆端面个数;An、Bn分别为待定常数;α为锥度系数, α= (D1-D2) / (D1l) ;D1、D2分别为圆锥变幅杆大端、小端的直径;l为变幅杆的长度。
2 换能器的理论分析
在传统换能器设计当中, 换能器中信号通常设计为半波长, 前盖板采用铝合金、铝镁合金、钛合金等轻金属, 后盖板采用45钢、铜等重金属[15]。这种换能器结构复杂、质量大, 而且由于存在多个结合面, 能量损失比较大。本文设计1/4波长、频率为20kHz的换能器, 如图2所示 (不计电极的厚度) , 其中l1部分为45钢螺母, l2部分为铝合金块, l3、l4部分为压电陶瓷, 它们通过螺杆连接在一起。计算过程中忽略螺杆、电极的影响。考虑换能器的尺寸、质量、安装等因素, 将换能器的节面设计在压电陶瓷与变幅杆的交界处, 为了减小换能器的质量, 将后端盖分成1、2部分, 铝合金材料具有质量轻、阻抗小等优点, 在换能器中起着压块的作用;45钢螺母保证了能量能够最小限度地从换能器的后表面辐射, 提高换能器的前向辐射功率, 同时提供一定的预紧力。
在超声电解复合加工过程中, 超声振动辅助电解加工, 因而, 所设计的换能器中, 功率不宜过大, 取200W, 中心频率为20kHz, 波长按公式λ=c/f计算, 其中c取3.371×106mm/s, f为2.0×104Hz, 一般而言, 超声纵振系统的径向长度应小于声波波长的1/4[15], 根据压电陶瓷材料的性能参数, 确定其型号。这样, 压电陶瓷厚度l3、l4就为已知量, 45钢螺母厚度l1在设计时也已确定, 且将螺母截面近似为等截面圆, 3种材料截面面积相等。
为了计算简便, 分别对每个元件建立坐标系, 在不考虑工具系统的影响下, 由式 (4) 、式 (5) 以及函数的连续性, 可以得到:
解式 (9) , 可以得到关于l1、l2、l3、l4以及v0的方程, 利用MATLAB求解可得l4的值。
3 变幅杆的理论分析
内喷式超声电解复合加工深小孔过程中, 电解液经过换能器的预紧螺杆、变幅杆, 从工具头内孔流出, 因而, 要求流道具有一定的耐腐蚀性。换能器预紧螺杆和变幅杆采用耐腐蚀材料1Cr18Ni9Ti不锈钢, 流道为5mm的孔。常用的变幅杆有圆锥形、阶梯形、指数型等, 其中, 阶梯形变幅杆获得的放大系数较大, 但存在应力集中的不足, 圆锥形变幅杆的放大系数较小, 但是其共振频率和放大系数受负载的影响相对较小, 因而结合上述两种变幅杆的特点, 设计圆锥阶梯复合形变幅杆。为提高变幅杆的回转精度, 减小体积, 并便于加工制作和安装, 设计图3所示的1/4波长变幅杆, 波长按λ=c/f计算, 径向直径小于该波长的1/4, 并结合换能器径向直径确定该值。变幅杆的节面位置在x=0处。
为了计算简便, 分别对每个元件建立坐标系, 在不考虑工具系统的影响下, 变幅杆一端固定, 一端自由, 由式 (4) 、式 (5) 、式 (7) 、式 (8) 以及函数的连续性, 并考虑换能器与变幅杆连接的连续条件, 可以得到:
解式 (10) 可以得到关于l5、l6、l7和l8的等式。在已知l5、l6和l7的前提下, 便可利用MATLAB求解得l8的值。
4 超声振动系统的优化设计
超声电解复合加工深小孔中, 为提高深小孔的圆柱度和尺寸精度并实现各种深径比的深小孔加工, 本文基于局部共振理论[16]设计旋转超声振动系统, 将所设计的超声振动系统看成一个驱动系统, 实现工具系统的共振, 所设计的振动系统力求体积小, 配合精密。为了避免超声振动系统受到电解液的影响并实现旋转, 换能器安装在密封的旋转腔中。换能器所散发的热量通过空气来冷却, 因而, 在换能器的设计中后盖板不仅采用了阻抗较小的铝合金材料, 而且应使换能器体积小, 便于散热, 避免因体积过大引起的回转误差。在对超声振动系统的整体设计过程中, 摒弃了传统的对换能器、变幅杆的分别设计, 而是对超声振动系统进行整体设计。在设计过程中, 换能器和变幅杆的各自频率与设计频率存在一定的偏差, 但是将换能器和变幅杆安装好后的整体频率满足设计要求。
4.1 变幅杆的优化设计
对于所设计的1/4波长变幅杆, 为满足加工要求、获得比较大的行程, 要求其长度尽可能短。因而, l6、l7和l8的范围都在1/8波长以内。为使建立的模型更接近于实际变幅杆, 在变幅杆有限元模型上, 有5mm的电解液流道孔, 将ER11螺母近似于l9圆柱段, 如图4所示。对所建立的模型分别进行模态分析和谐响应分析, 提取频率F和应力函数STRESS_MAX作为优化的状态变量 (SV) , 以l6、l7和l8为设计变量 (DV) , 以设计频率与模态分析频率f之差的绝对值FREQ为目标函数 (OBJ) 。优化结果如表1所示 (只列出最佳结果) 。对优化所得到的长度进行圆整, 并进行模态和谐响应分析, 其仿真结果频率为19 913Hz, 该变幅杆轴向位移分布如图5所示, 沿变幅杆轴向长度变化, 振幅逐渐变大, ER11螺母输出端的位移为75μm, 达到预计设计要求。
4.2 超声振动系统的优化仿真
完成对1/4波长复合变幅杆仿真后, 将1/4波长换能器和1/4波长复合变幅杆组成超声振动系统进行压电分析, 提取纵振频率f, 然后进行优化设计。优化设计过程以l2、l6、l7和l8为设计变量 (DV) , 以设计频率与模态分析所得到的频率之差的绝对值FREQ作为目标函数 (OBJ) , 状态变量 (SV) 为频率f (19~21kHz) 。优化结果如表2所示。
由于已经对变幅杆进行了优化设计, 所得到的振幅满足设计要求, 故在对超声振动系统的优化设计过程中没有考虑振动系统的振幅问题, 只对频率进行了优化设计。超声振动系统的优化仿真结果中, 优化参数结果尺寸相差不是很大。考虑到换能器的散热空间, 因而在l2的取值上优先考虑较小值, l6、l7和l8的值优先考虑变幅杆的优化结果。由于仿真所设置的参数与实际材料的参数具有一定的偏差以及ANSYS软件本身存在的误差, 故其仿真结果也会与实体频率有一定偏差, 因而超声振动系统的优化结果只能作为参考, 指导超声振动系统的设计。超声振动系统如图6所示, 其频率和振幅试验验证结果表明, 所制作出的超声振动系统满足要求。
5 工具系统
在超声电解复合加工深小孔过程中, 所加工的深小孔深度变化范围比较大, 工具不可能采用半波长整数倍叠加的形式来实现共振。范国良等[17]设计了一种基于局部共振理论深小孔超声加工工具系统, 该系统频率可以看成是一端固定、一端自由的纵向振动单独谐振频率。在研制的超声振动系统中, 变幅杆输出端直径为15mm, 工具的直径小于3mm, 直径之比小于0.3, 满足局部共振的条件。对研制出的超声振动系统进行共振雾化测试试验, 其雾化效果比较明显, 用镊子接触振动端部, 发出共振。试验结果表明, 对于管径在1~3mm范围内薄壁工具, 其长度在20~100mm范围都能实现共振。
6 结语
本文为满足超声电解复合加工深小孔的要求, 设计频率为20kHz、1/2波长超声振动系统。首先基于波动方程, 理论设计1/2波长超声振动系统的最初几何模型, 在此基础上, 利用有限元软件ANSYS对1/4波长变幅杆和1/2波长超声振动系统分别进行了模态分析、压电分析和优化设计, 得到了变幅杆和超声振动系统的一系列优化模型, 用于指导超声振动系统的制作。由于所输入的材料参数值与实际材料参数值有一定的偏差, 因而, 其优化模型与实际有一定的偏差。所设计的1/2波长超声振动系统与传统全波长振动系统相比, 减小了超声振动系统的长度和体积, 提高了超声振动系统的回转精度, 在工具满足局部共振理论要求前提下, 可实现不同长度范围的超声振动, 为今后超声电解复合加工深小孔研究提供了基础。
摘要：为设计精密超声电解复合加工深小孔装置的振动系统, 设计了1/2波长超声振动系统和以局部共振理论为指导的工具系统。基于波动方程, 分别建立1/4波长超声换能器和变幅杆的解析模型, 得到换能器和变幅杆的结构尺寸。借助有限元分析软件ANSYS对理论设计的变幅杆和超声振动系统进行动力学分析、压电分析和优化设计, 得到了变幅杆和超声振动系统的优化模型。分析结果表明, 有限元法对变幅杆和超声振动系统的设计制作具有指导意义, 缩短了设计周期, 降低了设计成本, 所设计的超声振动系统具有良好的性能。
加工装置设计 篇7
我们为参加机械创新设计大赛设计了一种风能送料装置。该项目从低碳环保的理念出发旨在培养学生的创新能力、团队意识及职业技能等,并为企业输送高技能的急需人才培养提供了很好的锻炼机会。设计方案具体如下:风能经过叶轮及皮带轮1∶2降速、锥齿盘换向及1∶4降速,带动2个连杆、推杆交替顶出物料,物料尺寸准25×10mm,材质为塑料。顶杆作直线往复运动,行程范围30～50mm,同时计数器将推出物料个数记录。
该装置动力源采用风能,没有储能装置,大赛的要求是叶轮在4～5级风下,能以最快速度推料。由于风力较不稳定,容易造成推料过程忽快忽慢或停滞,因此叶轮的设计就显得尤为重要。
1.锥齿盘2.带轮3.叶轮4.料仓5.光电开关6.物料7.连杆8.推杆9.计数器
2叶轮设计
该装置的三维装配图如图1所示。
本装置的叶轮设计没有先例可借鉴,更没有成型的产品,完全是创新性设计,而且要求设计周期只有7天,时间紧、任务急、难度大。经过反复研究和论证,叶轮设计基本参照小型风力发电机叶轮,再根据自己的分析、计算、论证来修调。
基本步骤:收集资料→设计→论证、修调→试切→修调→加工完成。
2.1 设计理念
使叶轮转动起来后形成叠加涡系来加速、整流、均匀化,进而提高空气动力效率,使推料过程稳定、有效。依据经典的Glauert(格劳特)涡流理论,数学模型如下:
式中,Cl为叶轮截面翼型升力系数,b为叶轮数,l为叶轮截面弦长,r为本截面所在叶轮径向坐标,k为中间变量,φ为叶轮旋转面与当地气流的夹角,ε为叶轮翼型气动特性的升力线角。
2.2 设计要点
(1)翼型选择
叶轮直径在φ250mm左右,查《翼型手册》,初选NACA63-412翼型。
(2)叶轮各截面弦长及扭转角确定
叶轮各截面弦长及扭转角是叶轮设计的两个很重要参数,决定了叶轮的基本性能。假定叶轮最佳运行工况为风速8m/s,根据Glauert(格劳特)涡流理论计算弦长如表1。
根据表1数据画出叶轮基本形状,再缩小修正使叶轮根部弦长为5mm,尖部弦长为3mm,失风区的弦长尽量短一些,可以减少噪音。
叶轮扭转角的计算公式:θ=tan-1[VZJ/(rΩ)]-αZJ+θj
式中,VZJ为当地最佳风速,αZJ为各截面翼型最佳升阻比下的气动攻角,θj为保证叶轮尖部扭转角为零而设置的常数,计算后数据见表1。根据经验,叶轮扭转角为16°时,叶轮性能最佳,对表1数据进行优化,初始扭转角选16°,依次为:11°、8°、6°、6°、2.5°、1.5°、0.5°、0°。
2.3 叶轮其它参数确定
叶轮厚度渐变。厚度渐变可以使叶轮下方的气流旋转速度比上方增大到2倍,以利于形成涡系。但渐变不可过大,否则轴向推力过大,易损坏叶轮使其折断。相对厚度分别取15%、12%、11%、9%。
叶片数量。风力发电机的3叶片叶轮在风速6m/s时最佳(4级)(叶轮直径2m);12叶片叶轮在风速16m/s时最佳(7级)(叶轮直径15m);为防止气动干扰,本装置选择5叶片叶轮。
叶轮粗糙度。叶轮上下表面粗糙度若不同,可提高升阻比,进而提高叶轮效率;但不可相差太大,会影响精度,出现扰动。
根据以上的选定,画出叶轮的三维图如图1所示。由于数控设备原因,该叶轮在加工时产生了多处过切点,无法加工成型。重新对以上参数进行修正,用CAXA造型得到如图2所示的可加工叶轮。
3 叶轮加工
整体叶轮一直都是数控加工的一个难点,目前极少数采用4轴及5轴数控机床联动加工,大部分还是采用3轴数控铣床加工。由于我们现有设备的局限性,只能采用传统的球头铣刀在三轴普通数控铣床上加工完成。
3.1 轮毂加工
叶轮由轮毂和叶片两部分组成。轮毂部分加工主要是去除大部分余量,使外形更接近成品,同时,加工出定位基准面,为下一道工序作准备,具体内容见图3的工艺过程卡片。
3.2 叶片加工中专用夹具的设计
叶轮5个叶片的加工是通过单面加工再翻面加工实现的,为了保证单个叶片加工的完整性和精度,正面与翻面加工的起始点必须绝对一致,这单独依赖人为对刀是不能保证的,因此我们设计了一种专用夹具如图4所示。
如图3中第二道工序的1～3工步加工定位槽即是为第4工步专用夹具定位作准备,而5～6工步都是利用如图4 的专用夹具定位的。叶轮通过的内孔与夹具的外圆配合,叶轮的深4mm、宽16mm的定位槽与夹具的小凸台紧密配合,形成三面一长孔的定位方式,6个自由度被全部限制,端部通过夹具的螺母锁紧,定位准确可靠,充分保证了叶片加工的精准性。铣削工序内容具体见图5的工序卡片。
运用CAXA软件造型后生成加工轨迹。CAXA制造工程师是一款面向教学和加工,非常实用于数控车、铣及加工中心的全中文三维CAD/CAM软件。根据对实际加工的可行性、切削参数、刀具材料等综合因素考虑,我们只生成了一个叶片的加工轨迹,其它叶片采用分度铣削的方法进行,叶轮加工实物图如图6所示。
4 试验
将叶轮与其它零部件按照图1所示装配、调试好,进行试验。在4、5、6级三种风速下,分别将装置放置在风口区和任意位置,叶轮运转良好,转速稳定,推料正常。在4级以下风速,将装置固定在客货车顶中心线位置,匀速迎风行驶,叶轮运转正常。通过以上试验得出结论,在4～6级风速下,叶轮运转正常,转速随风速变化;在7级以上风速的叶轮运转情况有待进一步研究。
5 结语
通过本项目的制作,不但锻炼了师生动手实践能力、培养了团队协作意识,同时为培养高素质、高技能型创新应用人才提供了很好的平台。
本项目中叶轮的设计、加工、调试没有任何先例,整个团队运用科学的知识和熟练地加工技能,不断地探索完成,最后在比赛中取得了二等奖的好成绩。也为该产品的今后设计和加工起到很好的引领作用。
参考文献
[1]邓兴勇,陈云程.风力发电机叶轮的数值优化设计法[J].工程热物理学报,1999(1):45-48.
加工装置设计 篇8
通过对典型的内孔表面光整加工方法进行比较, 发现传统的加工方法和设备很难对深孔、变径孔、弯孔、阶梯孔等内孔表面有效地去除毛刺及进行精磨削加工。本文在气粒两相流光整加工[1]的基础上设计了一种内孔加工自动进给装置,它能带动气粒两相流光整头进入管道内部,实现对深孔表面的光整加工。该自动进给装置结构简单,能够带动光整头沿工件内表面匀速运行,且控制方便。
1气粒两相流光整加工
图1为气粒两相流光整头的工作示意图,光整头直径与管道内径相同,其内部开有一环槽及3个切向孔,中心空槽与通气管连接。当压力气体从通气管进入光整头的内部,并通过3个切向孔进入环槽中,压力气体便在环槽中高速旋转,形成环流,并且带动环槽中的固体磨粒沿环槽旋转,磨粒与工件内壁发生碰撞和磨削,从而实现对其表面的光整加工。多余的气体则从光整头与工件的间隙排出。
2自动进给装置的工作原理[2]
由于光整加工是连续进行的,每个表面需要有短暂的加工时间,这就要求自动进给装置的运行速度不能过快,如果进给速度过快,则会造成加工效果不明显、加工效率低等后果。由于螺旋驱动具有将旋转运动直接转换为直线运动的特点,并且不需其他中间传动环节,因此利用螺旋驱动原理,可以设计出结构简单、控制方便的推进装置,实现预期功能。
2.1 自动进给装置组成
图2为内孔加工自动进给装置的工作示意图。自动进给装置带动气粒两相流光整加工头沿管道移动,同时光整头对内壁进行精磨削。自动进给装置由驱动电机、螺旋驱动单元和导向部分组成。当电机输出转矩后,带动螺旋驱动单元沿管道轴线转动,并且产生轴向力,推动导向单元向前运动。导向单元由两排导向轮组成,每排由呈120°均匀分布的3组轮组成。电机箱体内装有电机,其输出轴与螺旋驱动单元通过联轴器相连。导向轮和驱动轮则利用弹性装置柔性地压紧在工件内表面。当自动进给装置工作时,螺旋驱动单元旋转,包括电机箱体、导向轮在内的导向部分不产生转动,而是沿管壁轴向移动,从而推动光整头沿轴向移动。改变施加于电机的电流极性,可改变自动进给装置的运动方向,使装置在管内沿相反的方向运动。
2.2 驱动原理分析
由自动进给装置的结构可知,自动进给装置的关键组成部分在于螺旋驱动单元,电机输出转矩直接到驱动单元后,不需要中间换向机构就可以产生轴向运动,其依靠的是螺旋驱动原理。图3为螺旋驱动原理分析图,坐标系中x轴为管道圆周切线方向,y轴为管道轴线方向。驱动轮与x轴呈θ角,即螺旋角,当电机输出转矩后,在驱动轮的螺旋方向产生驱动力f,该驱动力在x、y轴分别产生分力,在x轴上的分力fx提供了螺旋驱动单元沿管道轴线旋转的动力,在y轴上的分力fy提供了整个自动进给装置沿管道轴线运动的动力。
3自动进给装置的功率计算[3]
自动进给装置中有3对驱动轮和6对导向轮,为保证内孔加工自动进给装置能够带动气粒两相流加工头正常运动,对其进行受力分析,计算出装置匀速运行所需的电机功率和弹簧正压力。
图4为自动进给装置受力分析图。其中,F为驱动轮沿管壁螺旋方向的摩擦力,F1为导向轮受到的滚动摩擦力,G为自动进给装置所受的重力,W负载为光整加工头产生的阻力,Hx和Hy分别为由整体的阻力引起的驱动轮与管壁的最大静摩擦力在圆周方向和轴向上的分力,N1为驱动轮受到管壁的反作用力,N2为导向轮受到管壁的反作用力,H为导向轮与管壁在圆周方向产生的最大静摩擦力,Tm为电机输出的力矩。
为了表示得更清楚,给出了驱动轮的受力分析,见图5。图5中,Fr为驱动轮受到的滚动摩擦力,Fx、Fy、Fz为驱动轮轴对驱动轮产生的反作用力,θ为螺旋角。
假设3组驱动轮和3组导向轮的受力相同且均匀,则得到自动进给装置的下列4组静平衡方程。
(1) 取装置整体为分析对象,在y轴方向取合力,由力平衡方程可得:
undefined。
(1)
其中:R为驱动轮半径;fr为滚动摩擦系数。
(2) 取螺旋驱动单元为分析对象,对y轴取合力矩,由∑My=0,得:
undefined。 (2)
其中:D为管道内径。
(3) 取单个驱动轮为分析对象,对轮心取合力矩,由∑MO=0,得:
HyRsinθ+N1fr-HxRcosθ+N1fh1r=0 。
(3)
其中:fh1为轮与轮轴摩擦系数;r为轮轴半径。
(4) Hx和Hy满足下列关系:
(N1fh)2=(Hx)2+(Hy)2 。 (4)
其中:fh为轮子与管壁的静摩擦系数。
同时,自动进给装置运动过程中导向轮与管壁的圆周方向的静摩擦力产生的力矩需大于自动进给装置螺旋推进所需的力矩,否则,整个保持机构将发生旋转而失效,即由导向轮不发生相对管壁的滑动有:
undefined。 (5)
自动进给装置所需的牵引力为100 N,总重量m=6.3 kg,管道内径D=244 mm,车轮半径R=12.5 mm,轮轴半径r=4 mm,螺旋角θ=10°。联立式(1)～式(5)得:N1=24.47 N,N2=3.53 N,Tm=3.98 Nm,自动进给装置所需电机功率为P=12.5 W。
4初步试验
图6为加工制作的内孔加工自动进给装置及在管道中行走示意图。其箱体材料为尼龙,联轴器采用刚性联轴器,电机功率为15 W,转速范围0 r/min～30 r/min,通过调速器调节装置的转速。
将螺旋传动自动进给装置放入管道中,对自动进给装置沿水平方向进行测试,得到电机的转速与自动进给装置行走速度的关系,见表1。
试验结果表明,内孔加工自动进给装置的电机转速在0 r/min～26 r/min之间,行走速度为0 mm/s～40.3 mm/s,装置在管道中运行平稳。
5结论
经过设计计算,开发了可以进行气粒两相流光整加工深孔表面的内孔加工自动进给装置,对装置进行受力分析和计算,确定自动进给装置所需的电机功率、弹簧正压力等。通过试验,测得自动进给装置在管道中的行走速度在0 mm/s～40.3 mm/s之间,为下一步的设计和实验研究提供了理论依据。
摘要：针对深孔表面光整加工较为困难的情况,设计了一种内孔加工自动进给装置作为气粒两相流光整加工的动力装置。将气粒两相流加工头安装在自动进给装置上,再将整个加工装置放入管道内部,在气粒两相流加工头和自动进给装置协同作业下实现对管道内壁的自动连续光整加工。
关键词：光整加工,深孔,自动进给装置
参考文献
[1]杨晓春.面向孔表面气粒两相强制环流光整加工数值模拟和实验研究[D].太原:太原理工大学,2011:27-32.
[2]苏毅,易方,李著信,等.一种适用于管道推进装置的新型螺旋驱动器[J].化工机械,2010,37(1):83-86.
加工装置设计 篇9
关键词：套筒类零件,成组技术,输送装置,机械手
1 引言
在机械制造工程中,成组技术是计算机辅助制造的基础,将成组原理用于设计、制造和管理等整个生产系统,改变多品种小批量生产方式,可获得最大的经济效益。
成组技术的核心是成组工艺,它把结构、材料、工艺相近似的零件组成一个零件族(组),按零件族制定工艺进行加工,从而扩大了批量、减少了品种、便于采用高效方法、提高了劳动生产率。
2 套筒类零件成组加工自动线
2.1 套筒件加工自动线的工艺过程[1]
(1)工序1钻孔、攻丝和粗镗大孔。工件安装在专用夹具中,从三面进行加工,镗孔采用液压动力滑台和专用镗头,攻丝采用专用滑套式小型动力头。钻孔切削用量:v=20m/min,n=578r/min,so=0.20mm/r;攻丝切削用量:v=8m/min,n=250r/min,so=1.5mm/r;镗孔切削用量:v=60m/min,n=450r/min,so=0.40mm/r。
(2)工序2精镗大孔。夹具同工序l,采用浮动镗刀片,切削用量为:v=60m/min,n=450r/min,so=0.5mm/r。
(3)工序3粗车外圆,车端面及倒角。工件安装在床头箱主轴的心轴上,切削用量为:v=90m/min,n=550r/min,so=0.28mm/r。
(4)工序4精车外圆。夹具及切削用量均同工序3。
(5)工序5车油槽。工件外圆上有一道封闭的螺旋油槽,加工时工件旋转,刀架往复一次,同时采用了专用刀夹,安装在刀架上,刀具在刀夹中可以自由转动,以适应螺旋槽的方向变化。切削用量为:v=24m/min,n=185r/min。
(6)工序6铣开口槽。采用圆盘铣刀,刀齿数z=20,切削用量为:v=800m/min,n=185r/min,sx=0.05mm/r,so=1mm/r。
2.2 自动线的总体布置
自动线全线共有8个工位,布置如图1。其中线首一个上料工位,线末一个卸料工位,其余6个(Ⅱ～Ⅶ)为加工工位,相应于工序1～6。所有设备采取直线顺序排列。自动线的生产节拍为72s,当负荷率为100%时,每小时可以加工50件。
全线采用架空式机械手输送工件,共有7只机械手,移动步距等于机床间的距离,为1200mm。机械手以弹簧控制的手爪夹持工件,其余的运动都用液压控制,油管装在轨道上方,在线末用坦克链与下面的油管相联接,布置整齐美观。
工位I上的装料装置是一个间歇运动的链式传送带,链带上装有若干V形块,用人工将工件逐个放在V形块上,链带在油缸、齿条、齿轮和棘轮机构的传动下,按照机械手取料的节拍作步进运动。
自动线中各台机床的液压装置都单独设置在机床本身,床身底部兼作油箱。全线只有控制机械手的液压装置,放在自动线背面。
在自动线最前端设有总控制台,除各种按钮以外,还设有灯光信号系统,显示全线的工作情况,以及指示故障。每台机床上均设有按钮台,供单机控制和调整之用。
2.3 专用机床
在6个加工工位上,共有4种类型机床。
(1)专用镗床
工位Ⅱ和工位Ⅲ主要完成镗孔工序,在床身中部为固定式夹具,床头部分装有液压动力滑台,台面上安装着镗头。工位Ⅱ还要进行钻孔和攻丝,所以在夹具的前后两面各装有一台滑套式小型动力头。
虽然工件安装在固定夹具中是不动的,但床身尾部仍装有尾座,其作用是用于在加工过程中吸取工件孔中的切屑。尾座套是空心的,其后端于吸尘管相连通,前端具有密封环,当顶在工件的端面上以后,孔中的切屑就能经尾座套被吸走。
(2)专用车床
工位Ⅳ、V进行车削外圆和倒角。这两台机床具有相同的床头箱结构,而刀架的布局不同。工位Ⅳ由于要同时车削外圆和端面,所以具有前、后两个刀架;工位V只精车外圆,因此只有一个前刀架。
(3)专用铣床
工位Ⅵ铣开口槽时,工件安装在固定夹具中,在床身前部装有液压动力滑台,上面安装着专用铣头。由于加工时工件固定不动,所以不需要床头箱。
(4)专用车油槽
车床在工位Ⅵ上车削套筒外圆上的油槽。由于此油槽是一封闭的螺旋线,所以车削时工件主轴的回转与刀架进给运动之间须保持一定的内联系。此外,螺旋油槽的交叉点应位于开口槽的方向上,所以工件在装到主轴上的心轴时,应与刀尖具有固定的相对位置。这样,便要求机床主轴能实现定向停止。
2.4 其它辅助装置
(1)上料装置
本自动线上料装置选用齿条活塞组合缸,齿条活塞组合缸可将活塞的直线往复运动经过齿条、齿轮结构变为回转运动。两个用螺钉固定在齿条的两端,两个端盖通过螺钉、盖板和半卡环固定在缸体上,当压力油从油孔进入左油腔时,推动齿条向右移动,使齿轮回转,带动回转工作台运动,回转工作台上连着棘轮棘爪啮合装置,通过棘爪带动上料装置的链轮转动,从而使链轮带动链条连着上料V型块进行上料,这时右腔的油经油孔排出。当压力油进入右腔时,回转工作台作反向运动,液压缸两端的腔用于缓冲作用,两头分别安有行程开关,自动线的第Ⅰ工位是装料工位,备有上料装置。工件用人工定期装到上料装置的V形块上,在固定的位置上,由第一只机械手取走。
上料装置如图2所示,是一个作间歇运动的链式输送带,具有两套结构尺寸相同的链轮座5,以及链带支承轨道12。在主动链轮8的一边装有带齿条的活动油缸l和空套在轴7上的齿轮6。由于活塞杆2固定在端盖3上,所以当从活塞杆中心通入压力油后,油缸l便通过齿条、齿轮6、用销10装在齿轮上的棘爪9和链轮8上的内棘齿使链轮转动。
在链带的每个链节14上具有两个缺口槽,可以将两个V形块13嵌入,并用内六角螺钉固紧。当改换工件时,将各链节14上的V形块更换,以适应不同的定位外径。链轮通过装在销轴15上的滚子16传动链带。
为了适应不同外径的工件,使取料中心高度一致,两个链轮座5均可通过手柄4,螺母11调节其高度。
(2)架空式机械手[2,3]
自动线的输送装置是架空式机械手,其布局如图3所示。机械手具有横向滑枕2,安装在纵向滑台4上。在每一台机床的床身侧边都装有支架1,纵向轨道5就装设在这些支架上。纵向滑台4在油缸活塞的驱动下(图3中未表示)沿山形及平导轨带着7只机械手一起移动。此外,横向滑枕2实现横向移动,垂直油缸3实现上下运动。在垂直油缸的活塞扦下端,装有手爪6,为了适应工件不同的外圆尺寸,手爪可以快速更换和调整。7只机械手共有两种手爪,在工位I、Ⅱ和Ⅲ上,工件外圆是未经加工的毛面,为了保证夹持可靠,采用两对夹爪结构,在其余的工位上外圆已经加工,一对手爪结构。
安装手爪时,将键槽与垂直油缸活塞杆上的键对准,并向上套入活塞杆端7,然后旋动滚珠蝶塞8,使螺塞的螺纹旋入手爪的螺孔中,直到螺塞的端面与手爪上滚花螺母的端面贴紧为止。借助于滚花螺母可以调节夹爪中心的高低位置。
机械手的液压传动系统中。因为上料装置的间歇步进运动与机械手的工作循环是相互配合的。
架空式机械手在自动线中用作输送装备的机械手。机械手被桁架架设在自动线的上方。如图所示,机械手在机床间同时进行输送和装卸工作,每一循环中需完成下列动作:(1)机械手下降,从前一台机床上取下已加工工件。(2)机械手带着工件上升。(3)机械手纵向移动,将工件运送到另一台机床的上方。(4)机械手下降,将工件安装到夹其上。(5)机械手上升。
其中第一只机械手s1和第二只机械手s2设有横向运动。第三只机械手s3的动作过程比较特殊,因为它从第二台机床的固定夹具中取料,然后装到第三台机床的心轴上去,所以不同于s4～s7,须先带料上升,然后再横向退出。
3 套筒成组加工自动线的主要特点
(1)为了适应成组加工的需要,各专用部件中与工件尺寸大小有关的机构或元件,能够进行调整或更换。
(2)所采用的专用机床均系自行设计制造,在结构型式上力求典型化、规格化。以利于制造和调整。
(3)机械手的纵向轨道采用山形导轨和平导轨组合,整个轨道除两端用支架安装在地面上以外,在每台机床的床身上,均安装支架支承住,因此轨道的刚性好,机械手在移动时平稳,到达终点时虽有冲击,也不会产生震动,保证位置的精确性。
(4)全线采用真空吸尘装置进行排解,使自动线周围的工作环境保持洁净。
参考文献
[1]吴天林,等.机械加工系统自动化[M].北京:机械工业出版社,1992.
[2]吴振彪,等.微机控制冲压机械手的研制[J].机器人,1993(3):28-33.
试论辐照加工装置的安全运行 篇10
我国辐照装置起步于上世纪60年代,据不完全统计至今已有200余座,80%以上是建于上世纪90年代以前,分布在30个省市,设计装源能力50万居里以下。90年代以后,新建辐照装置,设计装源容量都在100万居里以上,其中少数能达到500万居里。早期建造的辐照装置,一般仅限用于科研,规模较小,不够规范化。80年代后,由于食品杀菌和一次性医疗用品灭菌需要,这些装置除承担科研任务之外,经改造逐步用于辐照加工生产。这些装置设备简陋,辐照室小,无自动输送系统,安全信号连锁单一,而管理层往往为了效益,年运转率超过90%,形成事故隐患。90年代新建装置,设备先进,已达到国际先进水平,但操作人员资质没有跟上,操作经验少,管理层抓效益高于安全,对安全检查、培训重视不够,造成操作人员辐射安全知识浅薄,同样存在事故隐患。
2 历史的教训
2.1 重大事故
在核技术利用过程中,特别是辐射加工装置,所造成的事故,不仅仅是企业重大的经济损失,还影响了辐射加工行业的健康发展和社会影响,甚至还给当地社会安定带来严重影响。现将90年代以来国内外辐射装置重大事故例举如表1。
2.2 原因分析
以上事故主要是设备陈旧、故障,安全连销信号系统失灵;人员缺乏培训、安全意识差、判断失误、违反规章、制度、操作违规等引起的。其原因可分析如下:
2.2.1 人身事故
(1)违章操作。所有误入辐照室,发生人身事故,都没有按章进辐照室时携带便携式剂量报警仪或剂量报警仪。就是携带了,进辐照室前也没有用检校源进行检校。缺乏辐射安全意识。从事故中还可见操作人员、搬运工没有经过正规培训,不了解辐射危害和潜在风险,导致不允许进入辐照室的非工作人员如客户也进入辐照室。当操纵信号发生矛盾时,过份相信自己的判断而采取一系列的错误措施而造成人身事故。
(2)超负荷运转。管理层为了经济效益,往往弱化安全系统和管理程序,设备超负荷运转,因而设备如安全连锁系统、信号报警系统没有定期停机检修,也没有定期检验,更没有更新设备。因而造成带病工作或者在更换和维修安全连锁、信号报警系统过程中采用旁路安全连锁系统继续工作,造成了事故的隐患。
(3)设备陈旧失修。我国当前运行的辐照装置,80%以上是上世纪90年代以前建成的,有的是用于科研后改为生产加工用的,设备陈旧、年久失修,为了提高经济效益,运行率一般90%,更促进了设备的老化(如电线长期辐照老化),增加了安全隐患。
安全连锁系统,信号报警系统,一般都采用机械限位开关,未形成也没有采用两种不同的控制技术进行冗余互补和光、电、声、机械一体化,造成辐照室门锁信号单一,缺乏光、电、声和机械阻挡多重报警。很容易被工作人员旁路或绕开,致使工作人员误入钴室。
(4)管理不严。辐照室一般都有安全运行的规章、制度和操作规程,但管理层没有制订定期的检修计划,平时缺乏定期的设备检验和对工作人员检查督促,致使工作人员辐射安全意识浅薄。
2.2.2 卡源事故
虽然未有人身事故,但是给企业带来重大经济损失,影响了辐照行业的健康发展和社会影响,特别是杞县卡源事故,辐照产品升温自燃,辐照室灌注水灭火,历时29天,机器人多次进入才排除故障,无人员受伤,但社会影响大。当时传言“辐照室要爆炸”,引起社会不安,人员逃离,店铺关门,市场撤离,经省、市、县三级领导重视、多次动员宣传才平息。
(1)设计上的缺陷。上世纪90年代设计的老装置,钴源活度低,为了提高源强度的利用率,源架没有护罩,这就容易出现货物堵塞源架,致使源架无法降落到水井底部的贮存位置。
(2)在安全连锁和信号报警系统设计没有充分利用声、光、电、机械一体化的多重保护装置,也没有充分体现冗余性和多样性,特别是在源架两侧没有设置护源罩或防撞杆等源架保护设施,在源架两侧也没有安装防碰撞报警装置,此装置应与源架升降连锁。
(3)辐照箱。辐照箱朝向源架的侧面未采用实体覆盖,辐照箱开启门锁移动或辐照箱超载或辐照箱摆动,引起辐照箱倾倒(斜)或辐照产品掉出,碰撞护源架使其变形,引起源架被卡,不能下降复位。
(4)安全管理制度不全。管理层为了追求超额利润缺乏“安全重于生产”的意识,致使辐照室各项安全管理制度不全面、不修订、不检查、辐照室各项生产设备,如井源系统,安全信号连锁系统等无定期维修、检查计划,更主要的是对工作人员也缺乏定期的辐射安全教育培训,造成工作人员辐射安全意识浅薄,对辐射危害性认识不足。
3 安全运行现状
3.1 现状
我国辐射加工装置特别上世纪80年代以来发展较快,设计和使用规模也迅速扩大。在安全运行方面存在主要问题有:(1)大部分老设备装源活度低,源量小,设备陈旧,年久失修;(2)新装置工作人员安全知识薄弱,操作经验少;(3)90年代后民营辐照装置开始运行,对管理层带来一定难度;(4)退役放射源数量增加快,大部份没有妥善处理。
3.2 法律法规
国家对辐照装置安全运行十分重视。国家环保部设有核安全与辐射环境管理司,下属放射源与电磁辐射管理处,省市设有对口机构,负责辐照装置建设时的环保论证,建后审批颁发安全许可证以及日常安全运行监督、指导工作。至今我国已出台的法律法规如下:
(1)国家法律:如《中华人民共和国放射性污染防治法》,2003年6月28日人代会常务委员会第三次会议通过,2003年10月1日起执行。
(2)国务院条例:如中华人民共和国国务院第449号令:《放射性同位素与射线装置安全和防护条例》,2005年12月1日起执行。
(3)标准:国家标准如GB10252-2009,《r辐照装置的辐射防护与安全规范》2009年6月19日发布,2010年6月1日实施。行业标准,如EJ/T971-95,《辐射加工用电子加速器通用规范》。
(4)行政主管部门规章:如2008.4.11辐射事故后,环保部门印发了《放射性同位素与射线装置辐射安全和防护监督检查技术程序》,供各省市环保部门参照执行;又如环保部2008.11.21颁布的《放射性同位素与射线装置安全许可管理办法》。
(5)行政主管技术指导性文件:如2009年我国杞县、广州、河南先后发生卡源事件后,国家环保总局及时在2009年12月4日发出《关于开展辐照装置卡源故障专项整治工作的通知》(环办函[2009]1277号)对防止其卡源事故的发生提出了指导性整治工作。
3.3 协会
中国同位素与辐射行业协会辐射加工专业委员会,在装置安全运行做了大量工作,2005年与国家环保总局商定召开了《全国辐照装置质量与安全管理研讨会》,以后连续举办4期《辐射加工行业职业》培训班,编辑《辐射加工》双月刊,组织企业科技人员出国考察,参加国际会议等工作,推动了企业辐照装置安全运行的进展。
3.4 企业
不少辐照中心,按照ISO9001-2000《质量管理体系要求》、EN46002-1996、EN552-1994和ISO11137-1995等相关法规和标准的要求,取得相应的证书或认可、与国际接轨,使辐照中心进行规范化生产,降低了事故的隐患。
4 建议
4.1 可靠的安全信号连锁系统
4.1.1 设计
安全信号连锁设计上本着“纵深防御”、可靠性、冗余性、多样性和独立性的原则。本着“人源不见面”的思想,不断更新设计。在源架两侧应设置护源罩或防撞杆等源架保护设施,护源罩两端还应设置防碰报警器,并与传输系统及放射源升降设计连锁。辐照室内设置电视监控系统和安全灭火系统(如顶栅的灭火喷淋系统)。
安全信号连锁必需声、光、电、机械一体化,并采用数字程序结构。为了保证冗余性,一般采用两种不同的控制技术互为冗余。
4.1.2 定时检修
对安全信号连锁装置和设备,必须及时维修保养,使设置保证随时处于良好的工作状态。强调自检,重要的安全设施,如个人警报仪,每次使用都应自检,记录备查。
4.1.3 不断更新设备
随着科学时技术的快速发展、辐照加工装置及其安全信号连锁系统不断采用新技术、新材料,更新设备,以进一步提高视觉性和可靠性。
4.2 管理
4.2.1 以人为本
首先管理层要提高“安全第一”的认识,制订严格的各项管理制度,定期督促、检查工作人员的操作安全意识。
4.2.2 培训
管理层对工作人员分类进行定期的安全运行培训,对管理人员、操作人员、设备维修人员、辅助作业人员都要进行培训,对客户和来访人员也要进行安全教育,提高工作人员的安全意识。
4.2.3 严格执法
辐照加工所有工作人员都必需严格执行国家法律、国务院条例、国家(行业)标准和行政主管有关规章、制度,要认真学习,定期对照实际来检查辐照安全各项工作。
4.2.4 档案
辐照装置安全运行的档案是安全管理的核心,为此对辐照装置更新检修、人员培训、平时操作情况都要记录归档保存。
参考文献
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