高速線材全自動翻卷機的設計及應用

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)設計了一臺翻卷機,能夠轉動高速線材PF線C型鉤上運載的成品卷,轉至平整的、易于起吊位置,在卸卷站卸卷,整個運行過程為全自動。按照以上設計,C型鉤運行及翻卷機必需具備以下條件及功能:①C型鉤駛入翻卷機前,設備上方PF線上無C型鉤。②帶有成品卷的C型鉤到達翻卷工位后停止。③設備升降機構上升托起成品線卷,使其脫離C型鉤一定高度。④升降機構到位后,轉動機構在原位通過轉動帶動成品卷轉動,翻轉到合適位置。⑤升降機構下降,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。

令線卷在C型鉤上方轉動是設計難點,若采用機械固定線卷將其轉動,結構較為復雜?；诖?根據機動車行駛原理,利用原地轉動的4個輪胎的磨擦力來帶動平穩(wěn)托上的線卷轉動,無需固定線卷轉動,只需將線卷用輪胎托住,轉動輪胎即可,結構簡單。

1 設計方案

1.1 結構描述

該設備在機架上安裝升降機構及升降信號感應裝置。升降機構由4個軸承座、主動及被動曲柄式拉桿軸(圖1序號3、4,其兩端軸均裝配固定在軸承座上,軸承座安裝在機架上)、兩根雙頭連接螺栓(圖1序號2)、液壓缸(圖1序號1)、框式聯(lián)接架(圖1序號5)及裝于其上的具有翻卷功能的轉動機構組成。升降信號感應裝置接近開關固定支架,焊接在機架上,感應塊焊接固定在主動軸裝配底座上,接近開關與感應塊的相對位置根據現場實際確定。轉動機構由電機減速機、帶雙輪胎的主動軸裝配(圖1序號6)及帶雙輪胎的被動軸裝配(圖1序號7)組成,兩組軸裝配分別安裝在框式聯(lián)接架上的底座上,電機減速機安裝在框式聯(lián)接架上的另一底座上。轉動機構隨框式聯(lián)接架的升降而升降。

1.液壓缸; 2.連接螺栓; 3.主動曲柄式拉桿軸; 4.被動曲柄式拉桿軸; 5.框式聯(lián)接架; 6.帶雙輪胎的主動軸裝配; 7.帶雙輪胎的被動軸裝配; 8.線卷; 9.機架圖1 翻卷機機構運動及受力簡圖Fig.1 Winding machine mechanism motion and force diagram

1.2 運行模式

當打包好的成品卷由C型鉤載到翻卷工位,C型鉤感應到停止信號即停止,液壓缸驅動機架上的升降機構上升,轉動機構隨升降機構同步上升,輪胎托住線卷,上升到位后電機驅動轉動機構,依靠輪胎的磨擦力,線卷隨之轉動,轉至180°后機構停止轉動,升降機構下降,下降到位后,C型鉤放行。整個過程依靠感應信號通過PLC程序實現全自動控制。

2 設計選型

升降機構結構設計采用曲柄式拉桿軸的連桿結構型式,設備機架、升降機構的框式聯(lián)接架及轉動機構本體、地坑深度大小等,根據安裝設備的場地大小、標高、線卷包形尺寸及各自功能特點,本著簡單、輕便、牢固、易于維護的原則進行結構設計。其他方面設計選型主要涉及的零部件包括輪胎、電機減速機、液壓缸、聯(lián)軸器。除了滿足強度及功能要求外,考慮到設備運行周期需小于出鋼節(jié)奏以保證生產,按C型鉤從進入翻卷機到駛出翻卷機的總時間t小于40 s進行控制,即:

t=t進+t升+t轉+t降+t出=8+4+t轉+3+8=23+t轉<40 s

(1)

∴t轉<17 s

(2)

式中:t進—C型鉤進入翻包工位的時間(s),t進=8 s;

t升—升降機構上升托起線卷的時間(s),t升=4 s;

t轉—線卷被托起后隨轉動機構轉動至180°的時間(s);

t降—升降機構下降至初始位的時間,t降=3 s;

t出—C型鉤離開翻包工位的時間(s),t出=8 s。

式(1)、式(2)是電機減速機選型及液壓缸運行速度控制的重要依據。

2.1 翻卷用輪胎選型及滾動阻力矩

輪胎在轉動機構電機減速機的驅動下原地轉動,帶動落在其上打包好的成品卷轉動。為縮小設備占用的高度空間,降低地坑深度,令結構簡單緊湊,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裝運用叉車的后輪。

圖1所示為受力情況,輪胎與線卷的相對轉動可視為兩圓柱的相對滾動,滾動摩擦副材料為橡膠輪胎與鋼,輪胎滾動阻力矩M阻[1]:

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

(3)

式中:N-主動圓柱(輪胎)對被動圓柱(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-滾動摩擦因素,μk取橡膠與鑄鐵的值,μk=0.8 cm[1];

r1-主動圓柱半徑(輪胎半徑),r1=0.285 m;

r2-被動圓柱半徑(線卷半徑),r2=0.625 m。

以上值代入式(3)計算得,M阻=160.439 N·m

(4)

式(4)輪胎的滾動阻力矩M阻即為轉動機構的負載轉矩T,是轉動機構的電機減速機及聯(lián)軸器選型的重要依據。

2.2 電機減速機選型及驗算

由計算結果(4)可知,負載轉矩T即為輪胎與線卷的滾動阻力矩M阻=160.439 N·m。

基于減速機許用轉矩T減速機>T的原則并滿足式(2)要求,選用現有庫存且外形尺寸適合的擺線針輪減速機,型號為BWEY2715-289-1.5 kw。輸入轉速n=1 400 r/min,許用轉矩T減速機=2 200 N·m。線卷被托起后隨轉動機構轉動至180°的時間t轉驗算如下:

輪胎與打包好的成品線卷為滾動運動副,無相對滑動,線速度v相同,即:

v=πd1n1=πd2n2

(5)

式中:n1—輪胎轉速(r/min);

n2—線卷轉速(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)計算得n2=n1/2.193

所選電機減速機的速比為i=289∶1,輸入轉速為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1圈所花費的時間為t2(s),計算式為:

t2=1/n2×60

線卷轉動半圈即180°至線卷底部朝上的時間t轉為t2/2,則:

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

(6)

∴t轉<17 s,符合式(2)。

2.3 聯(lián)軸器選型

為了使聯(lián)軸器易于維護及更換,結合設備工作環(huán)境及結構特點,確定采用GB/T5272-2002標準的梅花彈性聯(lián)軸器,其具有減振、緩沖、徑向尺寸小,不用潤滑、維護方便等特點,適用于啟動頻繁、正反轉、中低速、中小功率的傳動[2]?；诼?lián)軸器許用轉矩Tn>負載轉矩T的原則,查參考文獻[2]中表7-2-49,選用尺寸適合的型號為LM5(MT5) 的梅花彈性聯(lián)軸器,許用轉矩為Tn=350 N·m>負載轉矩T=160.439 N·m。

2.4 液壓缸選型及調速

曲柄式拉桿軸復用成品稱重設備的拉桿軸結構尺寸,升降機構選用與稱重設備相同的升降液壓缸,型號為Φ125/Φ90-500,缸徑D=125 mm,桿徑d=90 mm,行程L=500 mm,工作壓力=16 MPa,試驗壓力=24 MPa。

翻卷機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 自動控制設計及設備安裝

3.1 現場設備的安裝

PF線承載軌上增加兩個停止器和兩個占位接開,其中一個控制翻卷,另外一個控制下一包卷的位置。一臺電機控制輪胎帶動C型鉤上的卷轉動,兩個蘑菇頭接開檢測升降裝置到位情況,一對對射光電管檢測C型鉤上是否有卷。

3.2 操作箱的安裝與現場布線

操作箱安裝在翻卷機的附近,作為信號中轉站,面板上配有手動/自動選擇開關,翻卷機設有投入/不投入選擇開關及其他一些手動操作控制按鈕。翻卷機的信號來自P/F鏈遠程站ET3。現場布線情況為電纜從P/F鏈遠程站ET3經過P/F鏈上的電纜橋架到操作箱,現場信號通過操作箱的接線連到各個檢測原件。

3.3 硬件組態(tài)與PLC程序設計及調試

P/F鏈遠程站ET3需要增加兩個模塊,即數字量輸入模塊與數字量輸出模塊。在PLC系統(tǒng)上進行硬件組態(tài),編寫翻卷機手動/自動控制程序,進行現場檢測原件調試及運行調試。

自動程序流程:檢測翻卷工位占位信號→當翻卷工位有C型鉤等待位C型鉤繼續(xù)等待,無C型鉤則等待位C型鉤放行→檢測到C型鉤駛入翻卷工位占位信號→翻卷工位停止器關閉C型鉤停止→檢測線卷對射信號→無卷且前方PF線占位信號無時停止器打開C型鉤放行,占位信號有則等待→有卷則翻卷機升降機構啟動上升至檢測到上位接開信號停止→電機啟動翻卷至規(guī)定時間后停止→翻卷機升降機構啟動下降至下位接開信號后停止,前方PF線鉤占位信號無則停止器打開C型鉤放行→進入下一循環(huán)。

4 應用及效果

在圖紙設計基礎上進行土建施工、機械設備安裝、配管、PF線停止器及占位開關安裝、布線、硬件組態(tài)和PLC程序設計與調試,并于檢修結束后投入生產使用。在翻卷機生產應用中成功地將成品卷整齊的底部通過C型鉤上翻轉動至上部,整個過程全自動,無需人工操作,解決了卸卷時因上部參差不齊而造成的起吊困難的問題,減少了因磁力吊引發(fā)的成品刮傷等質量問題,降低了行車設備故障率,降低了維護工作量及備件消耗量。

5 結束語

高速線材全自動翻卷機采用輪胎滾動磨擦力帶動線卷翻轉,通過PLC集中控制,自動檢測C型鉤占位信號、線卷信號及高低位置,實現了高速線材成品卷卸卷前的全自動翻卷。此設備應用效果良好,投資小,見效快,解決了卸卷起吊難、速度慢、成品刮傷及行車故障多等問題,為解決類似問題提供了方法。