三輥卷板機(jī)運動結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計

任育紅

(天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院分院, 河北 邯鄲 056404)

某鋼鐵企業(yè)的金屬結(jié)構(gòu)車間原有2臺規(guī)格為19mm×2 000mm的機(jī)械調(diào)節(jié)式對稱三輥卷板機(jī)，主要用于該廠所需管道和高爐爐皮的彎制。近幾年來，由于設(shè)備老化、故障頻繁，其彎制能力和生產(chǎn)的彎管質(zhì)量已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需要，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，因此決定研制一臺功能強(qiáng)大、便于操作、實用性強(qiáng)的新型卷板機(jī)。

1 原卷板機(jī)存在的問題

為了借鑒原卷板機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，并在研制新型卷板機(jī)時克服原卷板機(jī)的缺陷，需要對原卷板機(jī)進(jìn)行剖析。

1.1 原卷板機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

圖1為原卷板機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖。該機(jī)為機(jī)械調(diào)節(jié)式卷板機(jī)，兩下輥為主動輥，上輥為壓下輥，上、下輥由同一臺電機(jī)驅(qū)動。下輥由電機(jī)通過減速器驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，送進(jìn)板料；上輥由電機(jī)—減速器—蝸輪蝸桿—絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，帶動上輥作上下運動(升降)[1]。

圖1 原卷板機(jī)(19mm×2 000mm)結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 原卷板機(jī)存在的主要問題

1)下輥的旋轉(zhuǎn)和上輥的升降由一臺電機(jī)通過減速器驅(qū)動，下輥和上輥運動方向的改變由兩個長的操作手柄分別操作，操作不便、費力，易引起誤操作。

2)卷板機(jī)工作是通過手柄撥動兩套雙向牙嵌離合器進(jìn)行控制的，頻繁地進(jìn)行離合，離合器的齒容易損壞，平均兩個月左右就需更換一次備件。特別是在卷板時，上輥壓到要求位置后停止下壓，需要離合器脫開，此時離合器傳遞的負(fù)載扭矩較大，經(jīng)常出現(xiàn)離合器脫開困難，甚至導(dǎo)致升降絲杠拉斷。

3)無上輥壓下量測量和指示裝置，在操作過程中，操作人員全憑感覺和經(jīng)驗不斷調(diào)試，卷制精確度低，常出現(xiàn)過卷現(xiàn)象，影響制件質(zhì)量。

4)產(chǎn)品卷制由人工操作，工人勞動強(qiáng)度大，特別是預(yù)彎兩端時板料需要調(diào)頭，且需用吊車起吊配合，費時、費力，能耗高，工作效率低。

2 新型卷板機(jī)設(shè)計要求

該車間卷板機(jī)卷制管件的特點：1)制件形體品種多，有圓柱體、圓錐體和弧體等。2)卷曲半徑和板厚的變化范圍大。卷板厚度為10mm～22mm；彎曲直徑為500mm～2 500mm。3)批量小。4)卷制的大部分管件主要用于氧氣、煤氣、氮氣、蒸汽等的輸送。

根據(jù)制件規(guī)格多、批量小，又用于氣體輸送的特點，要求新型卷板機(jī)應(yīng)便于操作和調(diào)整，并有較高的卷制質(zhì)量。

3 卷板機(jī)運動系統(tǒng)方案研究

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場的條件和設(shè)計要求，在分析和消化國內(nèi)外卷板加工的新技術(shù)、新工藝的基礎(chǔ)上，本著易操作、高效率、高質(zhì)量的原則，經(jīng)綜合分析、研究，多方案對比、優(yōu)化，決定采用全液壓驅(qū)動和控制方案，并根據(jù)卷板工藝要求，確定運動系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)方案[1-3]。如圖2所示。

圖2 卷板機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

運動系統(tǒng)包括工作輥傳動機(jī)構(gòu)、翻倒機(jī)構(gòu)、支承輥裝置、上輥翹起和平衡機(jī)構(gòu)、對中機(jī)構(gòu)等。

1)工作輥傳動機(jī)構(gòu)。

工作輥包括1個上輥和2個下輥。由于該機(jī)主要是用來卷制10mm～22mm的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼板，所需驅(qū)動功率不大，因此不必采用全驅(qū)動。本文的設(shè)計以下輥作為驅(qū)動輥，上輥為從動輥。

工作輥傳動機(jī)構(gòu)分主、輔傳動機(jī)構(gòu)，主傳動為兩下輥的旋轉(zhuǎn)運動，輔傳動為下輥的同步水平移動和上輥的升降。上輥的升降可與下輥的移動同步進(jìn)行，也可分開進(jìn)行。

如圖2所示，下輥的旋轉(zhuǎn)運動由液壓馬達(dá)驅(qū)動，通過開式齒輪帶動兩下輥作回轉(zhuǎn)運動，下輥的同步水平移動由固定在機(jī)座上的兩個液壓缸控制。上輥升降由固定在左右機(jī)架下方的油缸控制。

2)支承輥裝置。

為防止工作輥發(fā)生撓曲變形從而使工作精度降低，影響卷板質(zhì)量，卷板機(jī)設(shè)置有支承輥裝置，用于支撐兩個下工作輥(圖2)。支承輥軸承座和兩下輥軸承座均由下輥水平移動油缸推動實現(xiàn)水平移動。

3)翻倒機(jī)構(gòu)。

左側(cè)機(jī)架為活動的翻倒機(jī)架。為方便卸下卷制成形的管件，設(shè)置翻倒機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)左側(cè)機(jī)架的翻倒與復(fù)位。卸料時翻倒機(jī)架及軸承體由外力驅(qū)動繞銷軸轉(zhuǎn)動85°～98°，實現(xiàn)翻倒。翻倒后，錐形軸承與上輥脫開，便于從上輥取出工件。然后由液壓缸驅(qū)動活動機(jī)架復(fù)位，復(fù)位后，依靠液壓缸的支承力，保持機(jī)架內(nèi)軸承與上輥左端軸頸的配合精度。

4)上輥翹起和平衡機(jī)構(gòu)。

上輥翹起和平衡機(jī)構(gòu)是為了方便卸下卷制成形的管件而設(shè)置。左側(cè)活動機(jī)架翻倒后，上輥左端處于懸臂狀態(tài)，此時由右側(cè)的上輥翹起油缸對上輥右端施加向下的拉力，保持上輥平衡并使上輥左端微微翹起(約3°)，以方便卸下卷制成形的管件。

5)對中機(jī)構(gòu)。

為防止板料在喂入時歪斜，導(dǎo)致工件扭斜，在設(shè)備一側(cè)安裝板料對中機(jī)構(gòu)，如圖3所示。在板料喂入時液壓缸推動擋板立起，起到限位和對中作用。卷制過程中擋板回位。

圖3 對中機(jī)構(gòu)

4 液壓控制系統(tǒng)方案研究

卷板機(jī)的液壓系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：1)控制上輥的升降；2)驅(qū)動兩下輥旋轉(zhuǎn)；3)驅(qū)動兩下輥及支承輥水平移動；4)控制對中機(jī)構(gòu)中擋塊的立起和回位；5)控制翻倒機(jī)架的翻倒和復(fù)位；6)控制翹起與平衡機(jī)構(gòu)，保證上輥平衡和翹起。

根據(jù)以上要求，進(jìn)行液壓回路設(shè)計[4-5]，確定液壓系統(tǒng)原理圖，如圖4所示。

該液壓系統(tǒng)主要包含7個基本回路，分別實現(xiàn)不同的控制功能，以滿足卷板工藝和性能要求[2]。

1)換向回路。

各執(zhí)行元件的換向均采用Y型中位機(jī)能的換向閥。當(dāng)換向閥處于中位時，控制油路的液壓油回油箱，以保證支路上液控單向閥鎖緊。

2)調(diào)壓回路。

根據(jù)各執(zhí)行元件在不同工況下對液壓力的要求采用多級調(diào)壓回路。

圖4 卷板機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

3)調(diào)速回路。

工作輥的調(diào)速采用調(diào)速平穩(wěn)、效率高的容積調(diào)速回路，其他油缸的調(diào)速采用便于操作調(diào)節(jié)的節(jié)流調(diào)速回路。

4)同步回路。

上輥升降油缸和下輥水平移動油缸的同步運動精度要求較高，采用結(jié)構(gòu)簡單、維修方便的分流閥同步回路。

5)鎖緊回路。

為使各運動部件動作準(zhǔn)確、定位可靠，在上輥升降、下輥平移、板料對中、上輥翹起等機(jī)構(gòu)中均采用雙向液壓鎖緊回路。

6)平衡回路。

在卷板過程中，如各工作機(jī)構(gòu)動作失衡不僅會影響卷制加工，還可能造成安全事故，因此在翻倒、上輥升降和下輥水平移動等液壓控制回路中均設(shè)置了單向順序閥平衡回路，采用壓力繼電器檢測和自動補(bǔ)油保壓。

7)液壓馬達(dá)制動回路。

根據(jù)本機(jī)運動特點，選用制動快捷、平穩(wěn)的液壓缸制動回路，控制液壓馬達(dá)的啟動與制動。

5 結(jié)束語

新型卷板機(jī)采用全液壓驅(qū)動和控制，具有較好的操作性能。調(diào)整方式采用水平下調(diào)式，可方便地實現(xiàn)對稱和非對稱卷板的轉(zhuǎn)換，既具有非對稱卷板機(jī)不用調(diào)頭便可預(yù)彎端頭的優(yōu)點，又有對稱卷板機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊的特點；上輥升降可在水平狀態(tài)也可在傾斜狀態(tài)與下輥平移同步進(jìn)行或單獨進(jìn)行，便于錐體卷制；加設(shè)對中裝置，避免了進(jìn)料時出現(xiàn)歪斜，提高了加工精度；加設(shè)支承輥裝置，增強(qiáng)下輥的剛度，提高了制件的加工精度。總之，該新型卷板機(jī)改進(jìn)了原卷板機(jī)的不足，具有操作方便、省力，工作效率高，應(yīng)用范圍廣，彎制質(zhì)量好的特點。