制磚機械的自動化研究

朱 娟，蘇波泳，徐 影*

(1.江蘇龍源振華海洋工程有限公司，江蘇 南通 226019； 2.南通大學(xué)，江蘇 南通 226019)

重型推桿切坯機自動換鋼絲裝置是一種智能、快速換取切坯鋼絲的裝置，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工換取鋼絲。傳統(tǒng)切坯機在鋼絲斷裂時需要停止整個制磚系統(tǒng)的運行，再通過人工把斷裂的切坯鋼絲替換掉，而換鋼絲裝置能大大提高制磚效率，節(jié)約能源及降低生產(chǎn)成本。

目前，市場上出現(xiàn)了一些換鋼絲裝置，如中國專利200820029808.2，發(fā)明名稱為新型自動切坯機[1]，其原理是通過切坯鋼絲架在機架上來回滑動達(dá)到換取鋼絲的目的。但此方案操作不方便，需要大量人力，在切坯鋼絲切割一半時，鋼絲有一半在泥條當(dāng)中，未切割完全，這樣切坯鋼絲架根本無法移動，所以無法達(dá)到換鋼絲的目的。意大利OMG公司和瑞士Freymatic公司[2]采用更為先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)工作臺面換絲裝置，即切坯機裝有多個工作臺面，且可任意控制切換，這種裝置不僅能實現(xiàn)自動切坯送鋼絲功能，還能生產(chǎn)不同尺寸的磚瓦。發(fā)達(dá)國家換鋼絲裝置發(fā)展已相當(dāng)成熟，能完全實現(xiàn)智能化，但目前國內(nèi)中小磚瓦企業(yè)很難達(dá)到這樣高的技術(shù)水平，仍有待提高。

針對重型推桿切坯機設(shè)計研制了一種自動化程度高、安裝方便的切坯機自動換鋼絲裝置，設(shè)計了裝置總裝圖，包括各零部件尺寸和安裝位置，基于理論計算，對電機、細(xì)長軸和氣液增壓缸等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了選型，該樣機已進(jìn)入樣機制造及安裝調(diào)試階段，并將在某磚瓦廠試生產(chǎn)驗證。

1 自動換鋼絲裝置工作原理

設(shè)計的切坯機自動換裝置是基于現(xiàn)有重型推桿切坯機的改造裝置[3-5]，如圖1，其工作原理是：切坯機工作前，纏繞在從動繞絲輪4上的切坯鋼絲5穿過上夾緊裝置6、經(jīng)過繞絲輪8、再經(jīng)過切坯臺9，最后在電機11的轉(zhuǎn)動下，纏繞在主動繞絲輪上，繞絲輪通過銷鍵連接在細(xì)長軸10上面。切坯機工作時，加緊裝置將切坯鋼絲夾緊，等切坯鋼絲快到疲勞壽命時，加緊裝置迅速松開切坯鋼絲，電機開始轉(zhuǎn)動，即達(dá)到疲勞壽命的切坯鋼絲被新的鋼絲所取代，待電機停止轉(zhuǎn)動，加緊裝置迅速夾緊，使切坯鋼絲達(dá)到張緊的狀態(tài)繼續(xù)切割泥條。以此類推，這樣切坯機就可以持續(xù)不斷地切割泥條，實現(xiàn)切坯機24 h不間斷的工作，大大提高了制磚效率，節(jié)約制磚成本。

圖1 自動換鋼絲裝置主視圖和左視圖Fig.1 Main view and left view of automatic wire changer

2 自動換鋼絲裝置參數(shù)設(shè)計

2.1 細(xì)長軸和繞絲輪選擇

現(xiàn)有切坯機的切坯臺與地面的尺寸是450 mm，考慮安全系數(shù)，選取線輪直徑D輪為260 mm。線輪與軸之間靠鍵和銷傳動，可初選細(xì)長軸直徑φ80 mm。轉(zhuǎn)軸機構(gòu)的主要功能是帶動繞絲輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)換取切坯鋼絲的目的，帶動繞絲輪旋轉(zhuǎn)動作的實現(xiàn)主要通過轉(zhuǎn)軸與每個繞絲輪之間的銷鍵連接，為了滿足繞絲輪旋轉(zhuǎn)時，材料內(nèi)層不出現(xiàn)皺褶，轉(zhuǎn)軸必須要有足夠的強度。根據(jù)力學(xué)理論，轉(zhuǎn)軸的直徑必須滿足足夠的扭矩強度。而鋁合金的抗拉強度一般為150～300 MPa，鋁合金的密度2.7 g/cm3。從輕量化角度考慮[6]，使用鋁材料作為轉(zhuǎn)軸是符合要求的。

2.2 電機選擇

根據(jù)現(xiàn)有切坯機的邊界條件，初選線輪直徑D輪為260 mm，內(nèi)壁厚h為20 mm，細(xì)長軸直徑D軸為φ80 mm。標(biāo)磚尺寸為240×115×50 mm，線輪槽的面積可看成梯形，上底a為16 mm，下底b為32 mm，則：

線輪槽的橫截面積：

(1)

線輪的最小周長：

C輪=πD=3.14×(80+2×20)mm=376.8 mm

(2)

由于鋼絲的直徑為1 mm，則每個線輪的繞線量n約為1 680根，則：

鋼絲的最小總質(zhì)量：

m絲=ρS絲C輪n=7.8×1 680×376×π×0.5×0.5=3.87 kg

(3)

線輪的鑄造體積為2 dm3，且鋁合金的密度為2.5×103kg/m3，細(xì)長軸上一共35個繞絲輪，則：

繞絲輪總質(zhì)量：

m總=(m輪+m絲)×35=(2×2.5+3.87)×35=308 kg

(4)

再計算輪和軸的轉(zhuǎn)動慣量：

軸的轉(zhuǎn)動慣量：

(5)

輪的轉(zhuǎn)動慣量：

(6)

由于標(biāo)磚尺寸為240×115×50 mm，那么鋼絲最長切割段的長度l為

最長切割段：

(7)

考慮到安全因素l取300 mm，由于C輪為376.8 mm，則電機轉(zhuǎn)一圈即可滿足換取鋼絲的目的，實際生產(chǎn)中，對鋼絲切換速度的要求較快，保證與切坯機協(xié)調(diào)搭配運行，可取切坯鋼絲切換時間t為0.2 s，則繞絲輪的線速度v和轉(zhuǎn)速n為：

繞絲輪的線速度：

(8)

繞絲輪的轉(zhuǎn)速：

(9)

電機扭矩T為：

(10)

電機所需功率P為：

(11)

由于載荷平穩(wěn)，使電動機的額定功率Ped大于p即可，故選Y160L-6型電動機，額定功率為11 kW，轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

2.3 氣液增壓缸選擇

切坯力：

F=1.8×l=1.8×280=504 N

(12)

查閱相關(guān)手冊，活塞桿端部的橡膠墊與鋼絲之間的摩擦系數(shù)μ=0.36，則壓緊切坯鋼絲所需壓力p：

壓緊力：

(13)

現(xiàn)有切坯機工作臺上有35根鋼絲并列安裝，考慮現(xiàn)有切坯機邊界條件和活塞桿加緊速度，選取氣液增壓缸TS01，加緊壓力[7]為10 kN，考慮到實際零部件安裝位置，可同時讓1個氣液增壓缸加緊并排放置的4根鋼絲。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 工作流程及系統(tǒng)控制要求

切坯機工作前，35組纏繞在從動繞絲輪上的切坯鋼絲穿過氣液缸夾緊裝置、經(jīng)過定位輪、再經(jīng)過切坯臺和氣液缸夾緊裝置，在伺服電機的轉(zhuǎn)動下，纏繞在主動繞絲輪上。切坯機工作時，氣液增壓缸裝置將切坯鋼絲夾緊，使鋼絲能夠切割泥條，每根鋼絲的平均使用壽命為2 000～3 000次[8]，考慮到安全因素，當(dāng)切坯機連續(xù)工作3 h達(dá)到疲勞壽命時，氣液增壓缸加緊裝置迅速松開切坯鋼絲，伺服電機開始轉(zhuǎn)動0.2 s，即達(dá)到疲勞壽命的切坯鋼絲被新的鋼絲所取代。等電機停止轉(zhuǎn)動，氣液增壓缸加緊裝置迅速夾緊，需要注意的是，上氣液增壓缸比下氣液增壓缸晚0.1 s夾緊，這樣就可以使切坯鋼絲達(dá)到張緊的狀態(tài)。以此類推，這樣切坯機就可以持續(xù)不斷地切割泥條。但是，當(dāng)切坯鋼絲在疲勞壽命內(nèi)意外斷裂，應(yīng)停止整個制磚系統(tǒng)，人工將切坯鋼絲重新連接上?？刂屏鞒倘鐖D2所示。

圖2 PLC控制流程圖Fig.2 PLC control flow chart

3.2 確定I/O設(shè)備

輸入信號有光電傳感器、時間繼電器、控制面板的輸入按鈕等共計23個，算上15%的備用點，共計27個輸入點。

輸出信號有氣液增壓缸、轉(zhuǎn)動電機、傳輸電機等共計15個，算上15%的備用點，共計18個輸出點。

根據(jù)輸入輸出設(shè)備的點數(shù)，可以選擇日本三菱公司FX2-64MT型號的PLC[9]，其輸出點和輸入點各有32個，滿足要求。同時該型號PLC功能強大，存儲空間大，智能程度高，能滿足自動換鋼絲裝置24 h部分晝夜的工作要求。

3.3 梯形圖設(shè)計

PLC投入運行后，當(dāng)攪拌電機、輸送電機、傳送帶電機啟動，X000接通，M0得電并自鎖，使輸出Y0接通。從X0接通到Y(jié)0接通，上氣液增壓缸Y000和下氣液增壓缸Y002得電并自鎖，使切坯鋼絲被加緊，定時器T0依靠自身復(fù)位產(chǎn)生一個周期為300 s的脈沖序列，作為計數(shù)器C0的計數(shù)脈沖。當(dāng)計數(shù)器計滿36個

脈沖后，延時時間為300 s×36=10 800 s，即3 h。其常開觸點閉合，上下氣液增壓缸松開，電機Y001得電開始轉(zhuǎn)動，計時器T1和T2開始計時，過0.2 s鋼絲換取成功后，上氣液增壓缸Y000得電加緊，再過0.1 s，下氣液增壓缸得電加緊，這樣達(dá)到切坯鋼絲張緊的目的。梯形圖如圖3所示。

圖3 PLC梯形圖Fig.3 PLC ladder diagram

4 結(jié)語

在對江蘇地區(qū)磚瓦設(shè)備廠進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對重型推桿切坯機，自主設(shè)計研制了自動換鋼絲裝置，確定了各零部件的安裝位置、規(guī)格、尺寸和材料，并對其進(jìn)行二維結(jié)構(gòu)建模，根據(jù)系統(tǒng)控制要求進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計。目前，該裝置已進(jìn)入樣機制作及安裝調(diào)試階段，并將投入某家磚瓦廠進(jìn)行試生產(chǎn)驗證。