蔣培進(jìn) ,許紅兵 ,彭 輝

(1.銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司,安徽 銅陵 244000;2.銅陵金威銅業(yè)有限公司,安徽 銅陵244000);3.中南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,湖南 長沙 410083)

0 引言

在鋼鐵、冶金加工等行業(yè)的企業(yè)中,軋制、退火、清洗、剪切等是生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),而帶卷快速和安全的上料和卸料有助于安全和高效生產(chǎn)。在小車上料過程中,各種原因?qū)е碌姆硎鹿蕦乙姴货r,有的是帶卷舉升過程中液壓管路爆裂引發(fā)的[1],有的是大徑寬比帶卷運(yùn)行中晃動(dòng)引發(fā)的[2],有的是帶卷小車啟動(dòng)和剎車引發(fā)的[3],有的是帶卷軸心線和卷軸軸心線不重合引發(fā)的,翻卷會(huì)砸壞小車和護(hù)欄,甚至危及人身安全,引起重大安全事故。本文所研究的是帶卷軸心線和卷軸軸心線不重合引發(fā)的翻卷原因和解決辦法,當(dāng)操作工人疏忽或因光線昏暗未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)帶卷軸心線是否重合,或者自動(dòng)上料帶卷直徑的測量裝置的累積誤差或者干擾[4],都會(huì)產(chǎn)生翻卷事故。

上料小車承載帶卷重量可達(dá)20 t,卷徑達(dá)2 m,一般通過軌道運(yùn)輸,根據(jù)負(fù)載和運(yùn)行要求來選擇電機(jī)控制和液壓馬達(dá)[5],如圖1 所示,小車通過液壓機(jī)構(gòu)舉升帶卷,使帶卷軸心線和卷軸軸心線這兩個(gè)軸心線重合即垂直方向重合[6],小車完成上料。

圖1 小車帶卷和卷軸軸心線重合以及受力分析示意圖

生產(chǎn)中除了通過加強(qiáng)安全教育來規(guī)避操作失誤,還可通過設(shè)計(jì)研發(fā)安全裝置避免人為疏忽和測量儀器累加誤差,是更為可靠和安全的方法[7]。

1 設(shè)計(jì)原理和部件選型

研發(fā)思路是采用演繹推理中的分析法,從所需要的功能倒推需要哪些元件和原理能夠?qū)崿F(xiàn),安全裝置所需的功能要求一是要能檢測到帶卷移動(dòng),二是要控制小車運(yùn)行。現(xiàn)場中排除了采用超聲波傳感器進(jìn)行距離測量和計(jì)算的方法,由于小車上料和帶卷滑動(dòng)二者疊加,難以實(shí)現(xiàn)帶卷位置測量。另外一種方法是直接在Ⅴ型鞍座設(shè)置光電開關(guān),由于難以檢測到不同寬度帶卷的端部,難以檢測帶卷落在Ⅴ型鞍座任意位置而被排除。

帶卷的軸心線不重合時(shí)受力分析如圖1 所示,當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)小車水平向左推力Fcar大于帶卷對小車施加的摩擦力f,帶卷被卷軸抵住不動(dòng),小車若繼續(xù)前進(jìn)會(huì)發(fā)生帶卷落下鞍座危險(xiǎn),小車翻卷受力計(jì)算如公式(1)所示。

式中i—電機(jī)減速比;

d—小車車輪半徑;

P—電機(jī)功率;

N—電機(jī)轉(zhuǎn)速;

μ—摩擦系數(shù);

mg—帶卷重力。

在公式(1)合力作用下,通過膠輥可以將帶卷在小車鞍座上的平移變換成圓周運(yùn)動(dòng),具體原理如圖2 所示,平移-角度公式如(2)所示。

圖2 小車安全裝置設(shè)計(jì)原理

式中L—帶卷在V型鞍座上平移距離,mm;

A1—帶卷在V型鞍座上平移距離起點(diǎn),mm;

A2—帶卷在V型鞍座上平移距離終點(diǎn),mm;

θ—膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)角度,°;

r—膠輥半徑,mm;

v—小車速度,m/s;

t—從被抵住到開始觸發(fā)信號(hào)時(shí)間,s。

由公式(2)可知,平移距離和角度一一對應(yīng),可以通過膠輥上安裝的光電開關(guān)來檢測平移距離,將此信號(hào)納入小車控制程序中,控制小車。

選擇帶有內(nèi)置軸承的膠輥而放棄鋼輥主要是鋼輥存在容易打滑的問題[7],膠輥的直徑大小是復(fù)位彈簧和膠輥鉸支點(diǎn)由初始位轉(zhuǎn)動(dòng)后到最高處與帶卷至少留出10 mm 距離,和復(fù)位彈簧的最小工作行程[8]公式(3)式之和:

式中f1—最小拉力工作行程,mm;

F1—最小拉力,N,根據(jù)測試,選擇至少3 N;

F0—初始拉力,N,1.5 N;

F'—彈簧剛度,N/mm,0.195。通過計(jì)算,實(shí)際選擇外徑25 mm、長30 mm 膠輥。由此,輸送小車的安全裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,通過使用壓力彈簧,可以實(shí)現(xiàn)帶卷和膠輥的柔性和緊密彈性接觸。

圖3 安全裝置結(jié)構(gòu)圖

膠輥上的復(fù)位彈簧,采用拉伸彈簧,根據(jù)彈簧最小回位拉力,彈簧工作行程,裝置膠輥和支架空間等因素,選擇LIA0.8 ×8 ×33.2GB/T2088 彈簧[8],固定在膠輥和支架上。

接近開關(guān)的選型主要考慮安裝位置和方式,考慮微型化選擇器身直徑8 mm、長30 mm,與測量位置之間的距離即感應(yīng)距離,考慮帶卷落下震動(dòng)和滑移速度選擇感應(yīng)距離大的為6 mm,參考選型手冊,因此選擇電感式IE5367 接近開關(guān)。膠輥附置的金屬片,它與接近開關(guān)之間的角度等同于帶卷在Ⅴ型架上移動(dòng)的距離[9]。

2 安裝調(diào)試和控制流程設(shè)計(jì)

現(xiàn)場測試時(shí),膠輥安裝高度要求比小車Ⅴ型鞍座的底端超出15～20 mm,根據(jù)現(xiàn)場情況適當(dāng)調(diào)整?，F(xiàn)場模擬帶卷被抵住滑移,觸發(fā)操作臺(tái)上閃光報(bào)警,小車立即停車。

進(jìn)一步,在開卷機(jī)卷軸入口前安裝了激光傳感器圖1 所示,目的是做停車檢查,并根據(jù)軸心線情況,完成上料。該裝置改造流程如圖4 所示,目前已經(jīng)在生產(chǎn)中應(yīng)用,它消除了機(jī)組操作工上料的恐懼心理,提高了小車上料的安全性。

圖4 安全裝置改造流程圖

3 其他防止上料小車翻卷的方法

在冶金、鋼鐵等企業(yè)中,涌現(xiàn)出多種防止小車上料翻卷方法和裝置,有的是小車承載帶卷質(zhì)量大,在液壓缸設(shè)計(jì)回路中要設(shè)置防爆保護(hù)[1],當(dāng)油路爆裂流量閥防爆閥會(huì)關(guān)閉,維持油壓,防止帶卷急速下落造成翻卷,有的是帶卷徑寬比過大,在小車上安裝防傾翻裝置,在帶卷兩側(cè)通過保護(hù)臂將其牢牢固定[2],有的是電機(jī)突然啟動(dòng)或剎車產(chǎn)生的慣性,通過采用H 型鋼改制而成的半封閉軌道限制小車車輪[3],防止傾翻,其它還包括優(yōu)化控制程序等,提高小車行車安全已經(jīng)成為企業(yè)安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。

4 結(jié)束語

小車安全裝置可廣泛應(yīng)用在鋼鐵、冶金、造紙等領(lǐng)域,據(jù)統(tǒng)計(jì),國內(nèi)類似生產(chǎn)線上料小車數(shù)量合計(jì)約為14 萬個(gè),本文設(shè)計(jì)的小車安全裝置已獲得專利,不足之處是非標(biāo)制作,如何開展專利成果轉(zhuǎn)化是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)鍵一環(huán)[10],讓技術(shù)研發(fā)和市場推廣相結(jié)合,符合國家創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略。

小車安全裝置的研發(fā)和應(yīng)用,解決了帶卷和卷軸軸心線不重合引發(fā)翻卷事故的問題,提高了小車本質(zhì)安全,是對人為疏忽和儀表測量誤差的第二道防線。結(jié)合其他幾種防止小車翻卷的方法,推動(dòng)上料小車安全運(yùn)行,可以化解安全風(fēng)險(xiǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。