高速線材全自動(dòng)翻卷機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張碧華

(福建三鋼閩光股份有限公司,福建 三明 365000)

0 引言

研發(fā)設(shè)計(jì)了一臺(tái)翻卷機(jī),能夠轉(zhuǎn)動(dòng)高速線材PF線C型鉤上運(yùn)載的成品卷,轉(zhuǎn)至平整的、易于起吊位置,在卸卷站卸卷,整個(gè)運(yùn)行過(guò)程為全自動(dòng)。按照以上設(shè)計(jì),C型鉤運(yùn)行及翻卷機(jī)必需具備以下條件及功能:①C型鉤駛?cè)敕頇C(jī)前,設(shè)備上方PF線上無(wú)C型鉤。②帶有成品卷的C型鉤到達(dá)翻卷工位后停止。③設(shè)備升降機(jī)構(gòu)上升托起成品線卷,使其脫離C型鉤一定高度。④升降機(jī)構(gòu)到位后,轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在原位通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)成品卷轉(zhuǎn)動(dòng),翻轉(zhuǎn)到合適位置。⑤升降機(jī)構(gòu)下降,成品卷落回C型鉤。⑥PF線鏈條將帶卷C型鉤帶離翻卷工位,繼續(xù)前進(jìn)。

令線卷在C型鉤上方轉(zhuǎn)動(dòng)是設(shè)計(jì)難點(diǎn),若采用機(jī)械固定線卷將其轉(zhuǎn)動(dòng),結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。基于此,根據(jù)機(jī)動(dòng)車行駛原理,利用原地轉(zhuǎn)動(dòng)的4個(gè)輪胎的磨擦力來(lái)帶動(dòng)平穩(wěn)托上的線卷轉(zhuǎn)動(dòng),無(wú)需固定線卷轉(zhuǎn)動(dòng),只需將線卷用輪胎托住,轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎即可,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)描述

該設(shè)備在機(jī)架上安裝升降機(jī)構(gòu)及升降信號(hào)感應(yīng)裝置。升降機(jī)構(gòu)由4個(gè)軸承座、主動(dòng)及被動(dòng)曲柄式拉桿軸(圖1序號(hào)3、4,其兩端軸均裝配固定在軸承座上,軸承座安裝在機(jī)架上)、兩根雙頭連接螺栓(圖1序號(hào)2)、液壓缸(圖1序號(hào)1)、框式聯(lián)接架(圖1序號(hào)5)及裝于其上的具有翻卷功能的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。升降信號(hào)感應(yīng)裝置接近開(kāi)關(guān)固定支架,焊接在機(jī)架上,感應(yīng)塊焊接固定在主動(dòng)軸裝配底座上,接近開(kāi)關(guān)與感應(yīng)塊的相對(duì)位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)減速機(jī)、帶雙輪胎的主動(dòng)軸裝配(圖1序號(hào)6)及帶雙輪胎的被動(dòng)軸裝配(圖1序號(hào)7)組成,兩組軸裝配分別安裝在框式聯(lián)接架上的底座上,電機(jī)減速機(jī)安裝在框式聯(lián)接架上的另一底座上。轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)隨框式聯(lián)接架的升降而升降。

1.液壓缸; 2.連接螺栓; 3.主動(dòng)曲柄式拉桿軸; 4.被動(dòng)曲柄式拉桿軸; 5.框式聯(lián)接架; 6.帶雙輪胎的主動(dòng)軸裝配; 7.帶雙輪胎的被動(dòng)軸裝配; 8.線卷; 9.機(jī)架圖1 翻卷機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及受力簡(jiǎn)圖Fig.1 Winding machine mechanism motion and force diagram

1.2 運(yùn)行模式

當(dāng)打包好的成品卷由C型鉤載到翻卷工位,C型鉤感應(yīng)到停止信號(hào)即停止,液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)架上的升降機(jī)構(gòu)上升,轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)隨升降機(jī)構(gòu)同步上升,輪胎托住線卷,上升到位后電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),依靠輪胎的磨擦力,線卷隨之轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)至180°后機(jī)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動(dòng),升降機(jī)構(gòu)下降,下降到位后,C型鉤放行。整個(gè)過(guò)程依靠感應(yīng)信號(hào)通過(guò)PLC程序?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)控制。

2 設(shè)計(jì)選型

升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用曲柄式拉桿軸的連桿結(jié)構(gòu)型式,設(shè)備機(jī)架、升降機(jī)構(gòu)的框式聯(lián)接架及轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)本體、地坑深度大小等,根據(jù)安裝設(shè)備的場(chǎng)地大小、標(biāo)高、線卷包形尺寸及各自功能特點(diǎn),本著簡(jiǎn)單、輕便、牢固、易于維護(hù)的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其他方面設(shè)計(jì)選型主要涉及的零部件包括輪胎、電機(jī)減速機(jī)、液壓缸、聯(lián)軸器。除了滿足強(qiáng)度及功能要求外,考慮到設(shè)備運(yùn)行周期需小于出鋼節(jié)奏以保證生產(chǎn),按C型鉤從進(jìn)入翻卷機(jī)到駛出翻卷機(jī)的總時(shí)間t小于40 s進(jìn)行控制,即:

t=t進(jìn)+t升+t轉(zhuǎn)+t降+t出=8+4+t轉(zhuǎn)+3+8=23+t轉(zhuǎn)<40 s

(1)

∴t轉(zhuǎn)<17 s

(2)

式中:t進(jìn)—C型鉤進(jìn)入翻包工位的時(shí)間(s),t進(jìn)=8 s;

t升—升降機(jī)構(gòu)上升托起線卷的時(shí)間(s),t升=4 s;

t轉(zhuǎn)—線卷被托起后隨轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)至180°的時(shí)間(s);

t降—升降機(jī)構(gòu)下降至初始位的時(shí)間,t降=3 s;

t出—C型鉤離開(kāi)翻包工位的時(shí)間(s),t出=8 s。

式(1)、式(2)是電機(jī)減速機(jī)選型及液壓缸運(yùn)行速度控制的重要依據(jù)。

2.1 翻卷用輪胎選型及滾動(dòng)阻力矩

輪胎在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)減速機(jī)的驅(qū)動(dòng)下原地轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)落在其上打包好的成品卷轉(zhuǎn)動(dòng)。為縮小設(shè)備占用的高度空間,降低地坑深度,令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,備件要保證通配性、互換性良好,輪胎選用直徑尺寸較小的廠內(nèi)裝運(yùn)用叉車的后輪。

圖1所示為受力情況,輪胎與線卷的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)可視為兩圓柱的相對(duì)滾動(dòng),滾動(dòng)摩擦副材料為橡膠輪胎與鋼,輪胎滾動(dòng)阻力矩M阻[1]:

M阻=Nμk(1+r1/r2)[1]=0.5G/cosβμk(1+r1/r2)

(3)

式中:N-主動(dòng)圓柱(輪胎)對(duì)被動(dòng)圓柱(線卷)的壓力;

G-線卷重力,G=mg=2 350*9.8=23 030 N;

β-N與G的夾角,cosβ=0.5o1o2/o1o=0.836;

μk-滾動(dòng)摩擦因素,μk取橡膠與鑄鐵的值,μk=0.8 cm[1];

r1-主動(dòng)圓柱半徑(輪胎半徑),r1=0.285 m;

r2-被動(dòng)圓柱半徑(線卷半徑),r2=0.625 m。

以上值代入式(3)計(jì)算得,M阻=160.439 N·m

(4)

式(4)輪胎的滾動(dòng)阻力矩M阻即為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩T,是轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)減速機(jī)及聯(lián)軸器選型的重要依據(jù)。

2.2 電機(jī)減速機(jī)選型及驗(yàn)算

由計(jì)算結(jié)果(4)可知,負(fù)載轉(zhuǎn)矩T即為輪胎與線卷的滾動(dòng)阻力矩M阻=160.439 N·m。

基于減速機(jī)許用轉(zhuǎn)矩T減速機(jī)>T的原則并滿足式(2)要求,選用現(xiàn)有庫(kù)存且外形尺寸適合的擺線針輪減速機(jī),型號(hào)為BWEY2715-289-1.5 kw。輸入轉(zhuǎn)速n=1 400 r/min,許用轉(zhuǎn)矩T減速機(jī)=2 200 N·m。線卷被托起后隨轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)至180°的時(shí)間t轉(zhuǎn)驗(yàn)算如下:

輪胎與打包好的成品線卷為滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)副,無(wú)相對(duì)滑動(dòng),線速度v相同,即:

v=πd1n1=πd2n2

(5)

式中:n1—輪胎轉(zhuǎn)速(r/min);

n2—線卷轉(zhuǎn)速(r/min);

d1—輪胎直徑(mm),d1=1 250 mm;

d2—成品線卷直徑(mm),d2=570 mm。

以上值代入式(5)計(jì)算得n2=n1/2.193

所選電機(jī)減速機(jī)的速比為i=289∶1,輸入轉(zhuǎn)速為n=1 400 r/min。

∴n1=n/i=1 400/289=4.844 r/min

n2=n1/2.193=4.844/2.193=2.209 r/min

線卷每轉(zhuǎn)1圈所花費(fèi)的時(shí)間為t2(s),計(jì)算式為:

t2=1/n2×60

線卷轉(zhuǎn)動(dòng)半圈即180°至線卷底部朝上的時(shí)間t轉(zhuǎn)為t2/2,則:

t轉(zhuǎn)=t2/2=(1/n2)/2×60=1/(2×2.209)×60=13.58 s

(6)

∴t轉(zhuǎn)<17 s,符合式(2)。

2.3 聯(lián)軸器選型

為了使聯(lián)軸器易于維護(hù)及更換,結(jié)合設(shè)備工作環(huán)境及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定采用GB/T5272-2002標(biāo)準(zhǔn)的梅花彈性聯(lián)軸器,其具有減振、緩沖、徑向尺寸小,不用潤(rùn)滑、維護(hù)方便等特點(diǎn),適用于啟動(dòng)頻繁、正反轉(zhuǎn)、中低速、中小功率的傳動(dòng)[2]。基于聯(lián)軸器許用轉(zhuǎn)矩Tn>負(fù)載轉(zhuǎn)矩T的原則,查參考文獻(xiàn)[2]中表7-2-49,選用尺寸適合的型號(hào)為L(zhǎng)M5(MT5) 的梅花彈性聯(lián)軸器,許用轉(zhuǎn)矩為Tn=350 N·m>負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=160.439 N·m。

2.4 液壓缸選型及調(diào)速

曲柄式拉桿軸復(fù)用成品稱重設(shè)備的拉桿軸結(jié)構(gòu)尺寸,升降機(jī)構(gòu)選用與稱重設(shè)備相同的升降液壓缸,型號(hào)為Φ125/Φ90-500,缸徑D=125 mm,桿徑d=90 mm,行程L=500 mm,工作壓力=16 MPa,試驗(yàn)壓力=24 MPa。

翻卷機(jī)曲柄式拉桿軸承載的重量G翻比稱重曲柄式拉桿軸承載的重量G稱輕,即G翻

3 自動(dòng)控制設(shè)計(jì)及設(shè)備安裝

3.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安裝

PF線承載軌上增加兩個(gè)停止器和兩個(gè)占位接開(kāi),其中一個(gè)控制翻卷,另外一個(gè)控制下一包卷的位置。一臺(tái)電機(jī)控制輪胎帶動(dòng)C型鉤上的卷轉(zhuǎn)動(dòng),兩個(gè)蘑菇頭接開(kāi)檢測(cè)升降裝置到位情況,一對(duì)對(duì)射光電管檢測(cè)C型鉤上是否有卷。

3.2 操作箱的安裝與現(xiàn)場(chǎng)布線

操作箱安裝在翻卷機(jī)的附近,作為信號(hào)中轉(zhuǎn)站,面板上配有手動(dòng)/自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān),翻卷機(jī)設(shè)有投入/不投入選擇開(kāi)關(guān)及其他一些手動(dòng)操作控制按鈕。翻卷機(jī)的信號(hào)來(lái)自P/F鏈遠(yuǎn)程站ET3。現(xiàn)場(chǎng)布線情況為電纜從P/F鏈遠(yuǎn)程站ET3經(jīng)過(guò)P/F鏈上的電纜橋架到操作箱,現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過(guò)操作箱的接線連到各個(gè)檢測(cè)原件。

3.3 硬件組態(tài)與PLC程序設(shè)計(jì)及調(diào)試

P/F鏈遠(yuǎn)程站ET3需要增加兩個(gè)模塊,即數(shù)字量輸入模塊與數(shù)字量輸出模塊。在PLC系統(tǒng)上進(jìn)行硬件組態(tài),編寫翻卷機(jī)手動(dòng)/自動(dòng)控制程序,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)原件調(diào)試及運(yùn)行調(diào)試。

自動(dòng)程序流程:檢測(cè)翻卷工位占位信號(hào)→當(dāng)翻卷工位有C型鉤等待位C型鉤繼續(xù)等待,無(wú)C型鉤則等待位C型鉤放行→檢測(cè)到C型鉤駛?cè)敕砉の徽嘉恍盘?hào)→翻卷工位停止器關(guān)閉C型鉤停止→檢測(cè)線卷對(duì)射信號(hào)→無(wú)卷且前方PF線占位信號(hào)無(wú)時(shí)停止器打開(kāi)C型鉤放行,占位信號(hào)有則等待→有卷則翻卷機(jī)升降機(jī)構(gòu)啟動(dòng)上升至檢測(cè)到上位接開(kāi)信號(hào)停止→電機(jī)啟動(dòng)翻卷至規(guī)定時(shí)間后停止→翻卷機(jī)升降機(jī)構(gòu)啟動(dòng)下降至下位接開(kāi)信號(hào)后停止,前方PF線鉤占位信號(hào)無(wú)則停止器打開(kāi)C型鉤放行→進(jìn)入下一循環(huán)。

4 應(yīng)用及效果

在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行土建施工、機(jī)械設(shè)備安裝、配管、PF線停止器及占位開(kāi)關(guān)安裝、布線、硬件組態(tài)和PLC程序設(shè)計(jì)與調(diào)試,并于檢修結(jié)束后投入生產(chǎn)使用。在翻卷機(jī)生產(chǎn)應(yīng)用中成功地將成品卷整齊的底部通過(guò)C型鉤上翻轉(zhuǎn)動(dòng)至上部,整個(gè)過(guò)程全自動(dòng),無(wú)需人工操作,解決了卸卷時(shí)因上部參差不齊而造成的起吊困難的問(wèn)題,減少了因磁力吊引發(fā)的成品刮傷等質(zhì)量問(wèn)題,降低了行車設(shè)備故障率,降低了維護(hù)工作量及備件消耗量。

5 結(jié)束語(yǔ)

高速線材全自動(dòng)翻卷機(jī)采用輪胎滾動(dòng)磨擦力帶動(dòng)線卷翻轉(zhuǎn),通過(guò)PLC集中控制,自動(dòng)檢測(cè)C型鉤占位信號(hào)、線卷信號(hào)及高低位置,實(shí)現(xiàn)了高速線材成品卷卸卷前的全自動(dòng)翻卷。此設(shè)備應(yīng)用效果良好,投資小,見(jiàn)效快,解決了卸卷起吊難、速度慢、成品刮傷及行車故障多等問(wèn)題,為解決類似問(wèn)題提供了方法。