董 波，董豐收，劉 悅，陳 蕊，王雪峰，陳英凱

(中國重型機械研究院股份公司，西安 710005)

0 引言

直式鋼繩拉拔機的主要功能是冷態(tài)下拉拔穿過模具的坯料，使其達(dá)到尺寸無偏差、外形精密光滑的要求。直式鋼繩拉拔機可以用來加工特種合金、貴金屬、難熔金屬等材料，終端產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于我國航空航天、核能軍工、石油及海洋工程等重要領(lǐng)域。

直式鋼繩拉拔機的拉拔小車在直線方向動作有兩個：拉拔和快速退回。為提高加工生產(chǎn)效率，拉拔動作要求拉拔小車在生產(chǎn)時速度平穩(wěn)、拉拔力恒定；快速退回動作要求拉拔小車高速回到加工位置。

常規(guī)直式鋼繩拉拔機拉拔小車的傳動方式為：一臺低速電機通過皮帶輪和電磁離合器連接在減速機的第一個輸入軸上，減速機的輸出軸正轉(zhuǎn)帶動鋼繩卷筒，實現(xiàn)小車的拉拔動作；另一臺高速電機通過皮帶輪和電磁離合器連接在減速機的第二個輸入軸上，減速機的輸出軸反轉(zhuǎn)帶動鋼繩卷筒，實現(xiàn)小車的快速退回動作。為了滿足兩個動作的不同速度，低速電機與高速電機之間的速度差極大，且兩臺電機、兩套皮帶和兩套電磁離合器都需要在地面做基礎(chǔ)進行固定，因此設(shè)備部件數(shù)量較多，占地面積很大。電磁離合器在運行結(jié)束后若未正常脫開，又極易在下次生產(chǎn)中造成設(shè)備損壞。皮帶輪通過皮帶傳動，易打滑、易老化及易斷裂；若皮帶在高速運行中斷裂，還會有很大的安全隱患。皮帶和電磁離合器都需要定期進行檢修和更換，增加了維護成本。而基于交流伺服系統(tǒng)的直式鋼繩拉拔機則基本解決了上述問題。

1 設(shè)備組成及工藝簡介

基于交流伺服系統(tǒng)的直式鋼繩拉拔機如圖1所示。拉拔機通過聯(lián)軸器使單臺交流伺服電機與減速機輸入軸直連，減速機輸出軸帶動卷筒鋼繩，拖動拉拔小車?yán)位蚩焖偻嘶亍?/p>

1.伺服電機；2.聯(lián)軸器；3.減速機輸入軸；4.減速機；5.減速機輸出軸；6.卷筒；7.限位開關(guān)；8.鋼繩；9.拉拔小車；10.軌道。

伺服電機通過伺服控制器控制，伺服電機與伺服控制器組成的調(diào)速系統(tǒng)能使拉拔小車在位置閉環(huán)控制功能和矢量控制功能之間實時切換，既能滿足拉拔時的低速恒扭矩需求，又能滿足小車快速退回時的弱磁高速需求。伺服電機內(nèi)部帶有制動器和編碼器，軌道上設(shè)有獨立的限位開關(guān)，可進行位置準(zhǔn)確停止和極限位置保護停車。整個調(diào)速系統(tǒng)測量和計算功能完善，可在拉拔小車發(fā)生過載時及時停機保護。

拉拔機設(shè)備裝有聲光報警燈，可在小車移動時作為警示提醒安全。設(shè)備操作完全由HMI(人機交互畫面)進行，操作方便。

2 設(shè)備電氣系統(tǒng)構(gòu)成

常規(guī)直式鋼繩拉拔機控制均采用硬線邏輯控制，傳動采用非變頻調(diào)速。這種模式下的設(shè)備控制方式不靈活、控制參數(shù)無法實時變化。新系統(tǒng)由SIMATIC-S7-300 PLC通過PROFINET總線與伺服控制器、HMI通訊連接，可快速的交換指令與數(shù)據(jù)。伺服控制器與交流伺服電機通過DRIVE-CliQ總線連接，可以通過一根DRIVE-CliQ通訊線實時獲取伺服電機的轉(zhuǎn)速、溫度、電流等數(shù)據(jù)，極大簡化了現(xiàn)場布線工作。

3 伺服電機的計算及選型

3．1 拉拔機設(shè)備所需要的關(guān)鍵參數(shù)如下。

拉拔速度(max)：10 m/min

快退速度(max)：24 m/min

卷筒直徑：500 mm

減速機傳動比：63

總拉力：150 kN

3．2 拉拔機伺服電機參數(shù)計算

根據(jù)設(shè)備所需關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合設(shè)備各個環(huán)節(jié)要求(如圖2所示)，對拉拔機電機參數(shù)進行計算。

圖2 拉拔機伺服電機原理示意圖

拉拔電機力矩計算：

T=F×L(理想狀態(tài))

T理想=2 381×0.25=595.25 Nm

考慮各環(huán)節(jié)效率，經(jīng)查表得到如下系數(shù)：

cosφ(電機)=0．87

η1(減速機)=0．975

η2(聯(lián)軸器)=0．98

η3(卷筒)=0．98

η4(鋼繩)=0．98

將上述值代入公式

拉拔電機功率計算：

P2=F×V(理想狀態(tài))

P2=150 000×0.166 66=25 000 W

將各環(huán)節(jié)效率值代入公式

拉拔電機速度計算：

V1(拉拔速度max)=10 m/min

V2(快退速度max)=24 m/min

D(卷筒直徑)=0．5 m

減速機速比=63

拉拔時電機轉(zhuǎn)速

快退時電機轉(zhuǎn)速

經(jīng)以上計算，得到拉拔伺服電機的參數(shù)如下。

額定電壓：AC 380V

額定轉(zhuǎn)矩：745．58 Nm

額定功率：31．31 kW

拉拔轉(zhuǎn)速：401．3 r/min

快退轉(zhuǎn)速：963．1 r/min

3．3 拉拔機伺服電機選型

綜合現(xiàn)場使用工況，本拉拔設(shè)備電機選用西門子SIMOTICS 1PH8交流異步伺服主軸電機。此電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、高動態(tài)響應(yīng)、模塊化設(shè)計的特點，其極寬的調(diào)速范圍特性是實現(xiàn)單臺電機同時滿足拉拔速度和快退速度的關(guān)鍵。

1PH8異步電機特性曲線如圖3所示。

圖3 特性曲線圖

最終，根據(jù)計算結(jié)果選型1PH8186異步伺服主軸電機，通過比對，此電機能滿足設(shè)計需求。電機部分標(biāo)牌參數(shù)如下。

額定電壓：AC 400V

額定轉(zhuǎn)矩：752 Nm

額定功率：31．5 kW

額定轉(zhuǎn)速：400 r/min

最高轉(zhuǎn)速：1 900 r/min

同時，通過模塊化設(shè)計，還實現(xiàn)了電機內(nèi)置抱閘及DRIVE-CliQ接口編碼器等功能，進一步減小了設(shè)備的場地使用面積。

4 結(jié)論

直式鋼繩拉拔機應(yīng)用伺服電機，利用交流異步伺服主軸電機極寬速度范圍的特點，實現(xiàn)了一臺電機同時具備拉拔和快退能力，從而簡化了直式鋼繩拉拔機的傳動結(jié)構(gòu)，減少了設(shè)備占地面積和維護工作量，降低了設(shè)備故障率和安全隱患。同時，采用的全自動控制系統(tǒng)在讓操作人員的工作強度明顯下降的同時，還通過保護邏輯程序避免了因人為原因造成的誤操作。

這種新型結(jié)構(gòu)的直式鋼繩拉拔機已在某材料研究院投產(chǎn)應(yīng)用，至今三年多的生產(chǎn)運行證明：該設(shè)備運行穩(wěn)定、操作便捷，產(chǎn)品品質(zhì)得到較大提升，為用戶帶來了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。