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        步進梁鋼卷對中裝置設(shè)計與研究

        2020-10-14 08:40:04吳修文汪建國
        中國重型裝備 2020年4期

        吳修文 吳 虹 汪建國

        (馬鋼集團設(shè)計研究院責(zé)任有限公司,安徽243000)

        如果冷軋廠酸軋線鋼卷對中裝置對中精度不夠,運輸?shù)竭\卷小車上沒有對中放置,會造成芯軸插入不到位,開卷造成偏離,直接影響生產(chǎn)線安全和高效運行。故步進梁對中裝置的結(jié)構(gòu)精度和運行狀況直接影響到生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量和安全性。

        某鋼鐵廠冷軋酸軋線入口步進梁鋼卷對中裝置,由于結(jié)構(gòu)設(shè)計問題,經(jīng)過多年磨合運行,對中裝置時常出現(xiàn)卡頓和對中不精確問題,設(shè)備精度和功能已無法滿足產(chǎn)品生產(chǎn)線高效運行等要求。因此,有必要針對該入口步進梁對中裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計進一步改進。

        根據(jù)鋼卷對中裝置的結(jié)構(gòu)和對中精度特性,提出合理設(shè)計應(yīng)用方案,基于Inventor三維仿真軟件的優(yōu)勢,建立了對中裝置的優(yōu)化模型,最終實踐驗證了該裝置的有效性及正確性。

        1 鋼卷對中裝置基本參數(shù)及機械運動原理

        1.1 鋼卷對中裝置基本參數(shù)

        鋼卷對中裝置基本參數(shù)見表1。

        表1 改造前鋼卷對中裝置基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of steel coil centering device before renovation

        1.2 鋼卷對中裝置機械運行原理

        改造前,入口步進梁鋼卷對中裝置由滑動鞍座、對中油缸、雙滑塊等部件組成,改造前鋼卷對中裝置剖面圖如圖1所示。當(dāng)動梁提升后,鋼卷放置在滑動鞍座上,操作人員觀察鋼卷在滑動鞍座上的偏離位置,結(jié)合固定鞍座上的對中線標(biāo)識,操作對中油缸,滑動鞍座在底部雙滑塊導(dǎo)向作用下,進行滑動鞍座的前后移動,壓板壓住滑動鞍座,當(dāng)偏離的鋼卷中心線與固定鞍座上的對中線標(biāo)識目測重合時,人工實現(xiàn)鋼卷對中。

        2 改造前鋼卷對中裝置存在的問題及分析

        該鋼卷對中裝置滑動鞍座底部和雙滑塊配合,在重載鋼卷載荷下,滑動鞍座總是存在一個方向的傾翻力矩,而且該滑動鞍座與固定梁接觸面較小,在對中油缸推動作用下,滑動鞍座滑動不平穩(wěn),時常造成鞍座與滑塊之間的卡頓現(xiàn)象,有極大的安全隱患,在多年服役下,更換雙滑塊備件頻率較高,嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

        同時,在人工視覺對中環(huán)境下,鋼卷在滑動鞍座上的中心線與固定鞍座上對中參考線往往存在偏差,達不到±50 mm的精度。這樣,鋼卷放置在運卷小車上的精度就達不到要求,開卷芯軸插入鋼卷中心的功能就無法保證,所以,在保證生產(chǎn)線安全高效運行的前提下,有效地解決卡頓和對中精度等問題是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

        1—滑動鞍座 2—雙滑塊 3—壓板圖1 改造前改造前鋼卷對中裝置剖面圖Figure 1 Sectional view of steel coil centering device before renovation

        3 提出改進方案及設(shè)計鋼卷對中裝置

        目前滑動鞍座運行不穩(wěn)定性、卡頓和對中不精確,因此在結(jié)構(gòu)上和自動控制上提出了改進方案。改造后的鋼卷對中裝置如圖2所示,改造后鋼卷對中裝置包括滑動鞍座、直線導(dǎo)軌、滑道、對中油缸、齒輪、齒條、連桿、聯(lián)軸器、對中編碼器、光電開關(guān)及接近開關(guān)等。

        3.1 改進滑動鞍座結(jié)構(gòu)

        增加了滑動鞍座與固定梁的接觸面積,加大了鞍座寬度,使鋼卷放置在鞍座的接觸面積增大,提高了滑動穩(wěn)定性。同時,根據(jù)鋼卷直徑1200~1950 mm,合理設(shè)計了鞍座V形面的夾角α,如圖2(c),改造后減少夾角α,α=20°,當(dāng)V形面與水平面間的夾角合適,鋼卷就位后就能滑入谷底即所謂的正位狀態(tài)[1]。

        底部滑動裝置包括直線導(dǎo)軌滑動端、直線導(dǎo)軌固定端及滑道。布置了四條相互平行的直線導(dǎo)軌,步進梁兩側(cè)各兩條,由于兩側(cè)的直線導(dǎo)軌可以承受上下左右方向的負(fù)荷,解決了改造前滑動導(dǎo)板由于承受較輕的載荷造成運行精度不良問題,同時,大大減少了由于鋼卷重力造成的傾翻力矩,減少鋼卷滑落的安全隱患。

        對中油缸布置在滑動鞍座中心線上,減少了油缸的推力矩,直線導(dǎo)軌的摩擦力非常小,只需較小的驅(qū)動力便能使滑動鞍座運行,改造前對中油缸選型?125/?70-400,改造后對中油缸選型?80/?45-400,即承載鋼卷情況下,N為對中裝置承載鋼卷總重36 t,μ為直線導(dǎo)軌摩擦因子,取μ=0.05,得出:

        F總摩擦力=2μN=2×0.05×36=3.6 t

        F油缸推力=PS1=14πr12/1000

        =14π×402/1000=7 t

        F油缸拉力=PS2=14πr22/1000

        =14π×(402-22.52)/1000=4.8 t

        即F油缸拉力>F總摩擦力

        (1)

        由式(1)得出選型油缸滿足要求。改造后減少了對中裝置關(guān)鍵備件的維護成本。

        (a)主視圖

        3.2 設(shè)計自動對中裝置系統(tǒng)

        結(jié)合改造后的鋼卷對中裝置(圖2),其中連桿裝置安裝在滑動鞍座側(cè)面,連桿裝置中間通過兩組銷軸鉸接,隨著滑動鞍座的前后移動,銷軸鉸接可以補償由鞍座的直線度帶來的影響。連桿裝置前端設(shè)置齒數(shù)z=152,模數(shù)m=2.5的齒條,與齒條配對的直齒圓柱齒輪齒數(shù)z=40,模數(shù)m=2.5,直齒圓柱齒輪通過鍵與連接軸固定,連接軸兩端設(shè)置軸承座,連接軸前端通過UL輪胎聯(lián)軸器相連,輪胎式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單,裝拆方便,適用于啟動頻繁,正反轉(zhuǎn)多變的傳動[2],通過聯(lián)軸器將編碼器與連接軸相連。

        當(dāng)滑動鞍座前后滑動時,連桿帶動齒條前后移動,與其配對的直齒齒輪相應(yīng)旋轉(zhuǎn),連接軸帶動編碼器轉(zhuǎn)動,編碼器開始計數(shù),測量滑動鞍座前后移動距離。

        3.3 鋼卷自動對中裝置工作原理

        鋼卷自動對中裝置功能原理圖如圖3,該自動對中裝置是由左右鞍座的對中液壓缸驅(qū)動,通過一對光電開關(guān)PH測量鋼卷寬度邊緣,并通過一個脈沖發(fā)生器PG測量鋼卷橫向移動長度。一對光電開關(guān)位于No.11和No.12鋼卷工位之間,脈沖發(fā)生器安裝在步進梁下方,運用鏈條結(jié)構(gòu)對動梁移動距離進行測量。

        圖3 功能原理圖Figure 3 Function principle

        當(dāng)在動梁上的鋼卷前端朝運行方向通過光電開關(guān)時,光電開關(guān)反饋數(shù)據(jù),鋼卷繼續(xù)前進,當(dāng)該鋼卷后端再次通過光電開關(guān)時,光電開關(guān)再次反饋數(shù)據(jù)。由此,通過系統(tǒng)計算這些反饋和攔截數(shù)據(jù),可以得到精確的鋼卷寬度和鋼卷中心偏差。系統(tǒng)工作原理框架圖如圖4所示,鋼卷寬度Wc為:

        圖4 系統(tǒng)工作原理框架圖Figure 4 Block diagram of system working principle

        Wc=L2-L1

        (2)

        由式(2)得鋼卷中心偏差Dc為:

        Dc=L3-L1-(Wc/2)

        (3)

        L1為鋼卷前端達到光電開關(guān)距離;L2為鋼卷后端達到光電開關(guān)距離;L3為從No.11鋼卷工位到光電開關(guān)固定距離。

        從式(2)和式(3),系統(tǒng)計算±Dc數(shù)據(jù),當(dāng)Dc>0,鋼卷放置在對中裝置上,系統(tǒng)反饋給對中裝置中的對中編碼器,驅(qū)動對中油缸回程,向后移動│Dc│距離,直至編碼器計數(shù)達到│Dc│數(shù)據(jù),停止滑動鞍座移動,對中裝置完成鋼卷寬度和對中功能。反之,Dc<0,系統(tǒng)驅(qū)動對中油缸沖程,向前移動│Dc│距離,直至編碼器計數(shù)達到│Dc│數(shù)據(jù),停止滑動鞍座移動,對中裝置完成鋼卷對中功能。等待動梁提升接收鋼卷。

        當(dāng)動梁提升接收對中裝置上的鋼卷后,在Dc>0情況下,系統(tǒng)反饋給對中油缸,驅(qū)動對中油缸沖程,直至達到鞍座后的接近開關(guān)檢測點,停止油缸動作,此時,滑動鞍座中心線與固定鞍座中心線重合,回到初始位置。同理,在Dc<0情況下,對中油缸回程,通過接近開關(guān)檢測,直至滑動鞍座中心線與固定鞍座中心線重合,回到初始位置。

        針對改造后設(shè)計的對中裝置進行了Inventor三維仿真設(shè)計,如圖5,利用可視化三維軟件,更加直觀地驗證了改造設(shè)計的合理性。

        圖5 對中裝置Inventor三維仿真Figure 5 Inventor 3D simulation of centering device

        改造后的鋼卷對中裝置在現(xiàn)場運用,并采集了鋼卷偏心距數(shù)據(jù),多次運行后的鋼卷偏心距散點浮動圖如圖6。根據(jù)圖表可見,改造后的鋼卷對中裝置鋼卷偏心距散點分布在28 mm平均線左右,對中精度約±30 mm,改造前對中精度±50 mm,改造后大大提高了對中精度。

        圖6 改造后對中裝置對中偏心距Figure 6 Centering eccentric distance of centering device after renovation

        綜合上述,改造后的對中裝置在結(jié)構(gòu)上解決了滑動鞍座運行不穩(wěn)定性和卡頓等問題,在自動控制系統(tǒng)上,利用安全精確的自動化程序控制代替了人工糾偏操作。同時,降低了備件消耗,提高了機組生產(chǎn)效率。

        4 結(jié)語

        以某酸軋線入口步進梁鋼卷對中裝置為研究對象,介紹了現(xiàn)有鋼卷對中裝置存在的問題,分析研究滑動鞍座結(jié)構(gòu)和自動控制工作原理的特性,基于Inventor三維仿真設(shè)計了鋼卷自動對中裝置,在實踐中驗證了對中裝置的合理性和有效性。改進后,減少了檢修時間,避免了由于對中精度過大而引起的掉卷或開卷機開卷等安全問題,大大提高了生產(chǎn)效率,保證了生產(chǎn)機組安全有效地穩(wěn)定運行。

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