預開卷機在預精焊生產(chǎn)中的應用

楊青建，楊 永

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

在前擺式預精焊機組生產(chǎn)過程中，需要停車對頭［1］。為了節(jié)省對頭時間，提高生產(chǎn)效率，山東勝利鋼管有限公司引進了一臺預開卷機。預開卷機將鋼卷包裝帶去除，并將鋼卷頭部打開，切除鋼卷“舌頭”部分，使得鋼卷進入成型預焊機組時，銑邊后與加工好的板尾對接，從而提高生產(chǎn)效率。

1 設備組成及結(jié)構(gòu)特點

預開卷機主要由底座、上下旋轉(zhuǎn)輥、鏟刀、板頭夾緊裝置、測量裝置、切割系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成［2-3］。預開卷機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 底 座

底座由方矩形管焊接加工而成，上下旋轉(zhuǎn)輥、鏟刀、板頭夾緊裝置、切割系統(tǒng)等都固定在底座上。上述設計有利于加強設備剛度，同時便于設備安裝。

1.2 上下旋轉(zhuǎn)輥

上下旋轉(zhuǎn)輥是由2套下旋轉(zhuǎn)輥和1套上旋轉(zhuǎn)輥組成。下旋轉(zhuǎn)輥由軸承座、支撐輥、長條輥和電機組成，長條輥表面采用聚氨脂膠輥，可以防止劃傷鋼卷；電機帶動下旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動，電機采用瑞典赫格隆CBM電機，具有使用壽命長、質(zhì)量輕、壓力損失小等優(yōu)點。上旋轉(zhuǎn)輥由支架、擺臂、油缸和長條輥組成，長條輥在油缸的作用下，可以繞擺臂旋轉(zhuǎn)，當?shù)踹\鋼卷時，長條輥在最上面；當開卷時，長條輥始終以一定的壓力壓在鋼卷上面，防止鋼卷散卷事故的發(fā)生。

1.3 鏟 刀

鏟刀固定在板頭夾緊裝置上面，既可以左右擺動，也可以上下伸出和縮回。鏟刀的作用是將板頭展開，并引導板頭進入夾緊裝置。鏟刀的擺動和伸縮動作由十字操作手柄控制，操作靈活方便。

1.4 板頭夾緊裝置

板頭夾緊裝置在油缸的作用下，可以左右移動；板頭夾緊通過3個油缸共同壓下，將鋼卷頭部（板頭）牢牢夾住；板頭首先被夾緊，板頭在夾緊裝置的牽引下向右伸出一定長度，從而實現(xiàn)開卷的目的。另外，當切割板頭時可以防止鋼卷竄動［4］。

1.5 測量裝置

測量裝置由無桿氣缸、測量棒和傳感器組成，共有4套。無桿氣缸沒有普通氣缸的剛性活塞桿，它是利用活塞直接或間接實現(xiàn)往復運動，其最大優(yōu)點是節(jié)省安裝空間。測量棒為圓柱形，在無桿氣缸的帶動下實現(xiàn)往復運動，測量時測量棒緊靠在帶鋼邊緣形成點接觸，測量精確。傳感器實現(xiàn)測量棒的位置測量。

1.6 切割系統(tǒng)

切割系統(tǒng)由等離子切割機、割把夾持裝置、割把擺動和橫移裝置組成［5］。等離子切割機采用的是ESAB等離子切割機，能夠自動啟動和停止，切割所用的割嘴和電極具有很長的使用壽命。割把夾持裝置將割把固定，同時可以帶動割把實現(xiàn)升降運動，切割時割把落下，切割停止時割把升起。割把擺動和橫移裝置實現(xiàn)割把沿垂直于帶鋼中心線的方向運動，防止切斜，為后續(xù)的鋼管生產(chǎn)提供良好的保障［6-7］。

1.7 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用德國力士樂液壓系統(tǒng)，電機功率37 kW；液壓泵采用力士樂A10VSO系列DFLR恒功率液壓泵，該泵在不同的工作壓力下，輸出不同的流量，最終使其流量和壓力的乘積維持常數(shù)［8］；因此，下旋轉(zhuǎn)輥電機工作時可以輸出恒驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，既能夠穩(wěn)定工作，又能夠?qū)υO備起到保護作用。

1.8 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC作為主控，并通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡對現(xiàn)場的操作點及數(shù)據(jù)進行采集。切割系統(tǒng)縱向和橫向移動均采用德國STOBER交流伺服電機進行控制，響應快速，對位置和速度的控制精度高。測量裝置用來測量無桿氣缸伸出量的4個傳感器均采用德國TRElectronic公司的直線位移編碼器，具有測量精度高、無溫度漂移、使用壽命長等優(yōu)點，并且支持PROFIBUS-DP網(wǎng)絡，可以將測量所得的絕對值信號直接傳送給PLC。PLC經(jīng)過計算偏移量來調(diào)節(jié)直線驅(qū)動器伸出量，從而調(diào)節(jié)切割角度防止切斜。

預開卷機在使用過程中，有工作運行狀況的動態(tài)顯示，故障診斷及報警功能。該電氣控制系統(tǒng)具有獨立的西門子PROFISAFE安全總線系統(tǒng)；因此，具有良好的互鎖、自鎖及安全保護措施，以確保設備和人身安全。

圖1 預開卷機結(jié)構(gòu)示意

2 工作原理及過程

2.1 工作原理

預開卷機的重要工作就是將鋼卷“舌頭”切除，使切除后的鋼卷頭部能夠順利地與前一個鋼卷的尾部對接。為了保證對接良好，切割時必須切正。板頭測量和切割如圖2所示。其中，ABCD為4個測量棒的測量點。當板頭被夾緊，4套測量裝置同時進行測量，測得每個測量點距板邊在水平方向的距離分別為X1、X2、X3、X4。切割割把的初始位置為M點，割把可以繞N點擺動，擺動距離Y到達L點，線段LN與帶鋼中心線垂直，割把沿LN方向進行切割，從而保證切割質(zhì)量。Y值計算如下：距離Y（1線段AC）和X（線段MN）已知，根據(jù)三角形EFG和NML相似可以求出Y=（X2+X4-X1-X3）X/（2Y）1。圖4中帶鋼位置Y值為正值，如果帶鋼向左傾斜，Y值為負值，割把沿ML反方向運動距離Y。

圖2 板頭測量和切割示意

2.2 誤差分析

Y值的計算公式是以帶鋼頭部尺寸精確（寬度一致，無側(cè)彎）為前提的，但在實際生產(chǎn)過程中帶鋼頭部尺寸總會有誤差，那么計算出來的Y值也會有誤差，從而造成切斜。帶鋼頭部尺寸主要有寬度變化和側(cè)彎量兩項對切斜量有影響。由于螺旋縫焊管前擺機組采用帶鋼中心線遞送成型，Y值是按中心線進行計算的，所以帶鋼寬度的變化對切斜量影響很小，可忽略不計。以下主要分析帶鋼側(cè)彎量對切斜量的影響。

為了簡化計算，假定帶鋼無側(cè)彎、無寬度變化，帶鋼中心線與測量裝置的中心線重合，即X1=X2=X3=X4，Y=0。帶鋼寬度一致、無側(cè)彎時的板頭測量和切割如圖3所示。

圖3 帶鋼寬度一致、無側(cè)彎時的板頭測量和切割示意

帶鋼寬度一致、有側(cè)彎時的板頭測量和切割如圖4所示。帶鋼寬度為b，均勻無變化，帶鋼在長度λ上側(cè)彎量為δ，4個測量點（A、B、C、D）測得距離分別為 X1′、X2′、X3′、X4′，偏移量為 Y′。通過幾何分析，可得出偏移量Y′和切斜量t的計算公式：

由式（1）~（2）可得：

如果切斜量t∧3（mm），那么帶鋼頭部和尾部對接時，帶鋼頭部一側(cè)比另一側(cè)要多銑削3 mm以上，這樣就必須降低銑削移動速度；如果切斜量t∧6（mm），需要銑削兩次，大大降低了生產(chǎn)效率。目前生產(chǎn)使用最多的帶鋼寬度b=1 550（mm），預開卷機的設計值 X=2 635（mm），Y1=825（mm），λ=2（mm）。當 t=3（mm）時，帶入式（3）求得 δ=0.963（mm）；當 t=6（mm）時，帶入式（3）求得δ=1.925（mm）。

帶鋼在一定長度上的側(cè)彎量稱為帶鋼“鐮刀彎”，在檢測時帶鋼長度一般取5 m，將0.963 mm/2 m和1.925 mm/2 m比例換算后分別為6 mm/5 m和12 mm/5 m。也就是說當帶鋼“鐮刀彎”最大不超過6 mm/5 m時，切斜量t=0~3（mm）；當“鐮刀彎”最大不超過 12 mm/5 m 時，切斜量 t=0~6（mm）［9-11］。

圖4 帶鋼寬度一致、有側(cè)彎時的板頭測量和切割示意

2.3 工作過程

吊裝鋼卷放置在下旋轉(zhuǎn)輥上→上旋轉(zhuǎn)輥壓下→旋轉(zhuǎn)輥旋轉(zhuǎn)→手工火焰切斷包裝帶并移走→利用鏟刀將板頭展平→夾持板頭→拖拽板頭到合適位置→測量板邊→根據(jù)測量結(jié)果切割帶鋼“舌頭”并移走→鋼卷吊走放置在上料區(qū)→下一個工作循環(huán)。

鋼卷從預開卷機吊走時，由于鋼卷已經(jīng)打開，吊裝鋼卷的吊具必須具有防散卷功能。如果用普通的C型鉤或T型鉤吊具，必須將鋼卷重新包扎，否則會出現(xiàn)散卷事故。

3 結(jié) 語

預開卷機已在山東勝利鋼管有限公司預精焊機組上使用兩年多。該預開卷機工作可靠穩(wěn)定，特別是對于X80鋼級及以上材質(zhì)鋼卷，在打開包裝帶的時候，能夠有效避免散卷事故。在打開X80鋼級材質(zhì)鋼卷時，開卷時間6~8 min（不含鋼卷吊運過程），能夠很好地滿足生產(chǎn)需要。由于預精焊機組對于帶鋼頭部和尾部尺寸精度有較高的要求，如果能夠?qū)т摗扮牭稄潯笨刂圃? mm/5 m范圍之內(nèi)，可以大大提高帶鋼頭部和尾部對接銑邊速度，節(jié)省1~3 min的對接時間，進而提高產(chǎn)量2%~6%，這對鋼管生產(chǎn)廠的意義是重大的。

［1］侯永利，楊愛民.前擺式螺旋埋弧焊管機組工藝及調(diào)型分析［J］.焊管，2011，34（6）：43-46.

［2］焦時光，張娜.開卷機結(jié)構(gòu)設計與主參數(shù)計算［J］.冶金設備，2013（S2）：15-17.

［3］楊永，王憲棟，吳培龍.預開卷設備在螺旋縫焊管生產(chǎn)中的應用［J］.鋼管，2014，43（4）：62-64.

［4］蔡誠，朱蔚.開卷機張力控制方法的探討［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006（1）：31-33.

［5］王慧慧.淺析數(shù)控等離子切割技術(shù)的應用［J］.機械管理開發(fā)，2012（1）：109-110.

［6］王剛.前擺式螺旋埋弧焊管機組遞送線的控制［J］.焊管，2010，33（9）：41-43.

［7］陳其衛(wèi)，閆立學.減小鋼帶人為硬彎提高成型穩(wěn)定性［J］.焊管，2004，27（1）：53-54，62.

［8］張祝得，李煒明.淺談帶鋼開卷機CPC液壓控制系統(tǒng)［J］.冶金叢刊，2003（3）：36-37，41.

［9］楊澄.熱軋帶鋼鐮刀彎問題研究［J］.金屬世界，2010（2）：23-27.

［10］鄺家濤，史志呈.板坯鐮刀彎檢測系統(tǒng)在CSP生產(chǎn)線的開發(fā)和應用［J］.南方金屬，2011（5）：45-47.

［11］張建華，高文剛.熱軋鐮刀彎產(chǎn)生原因分析及控制措施［J］.金屬世界，2013（5）：47-49.