胡曉珍,斯周炬

(浙江海洋大學(xué),浙江 舟山 316022)

隨著近年來我國風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展,風(fēng)電螺桿作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要組成部分之一,其市場(chǎng)需求不斷增加的同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)也更加激烈。風(fēng)電螺桿制造企業(yè)需要不斷提高技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量,以保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[1-2]。風(fēng)電地腳螺栓桿是基礎(chǔ)混凝土內(nèi)的預(yù)埋構(gòu)件,用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)鋼制塔筒和基礎(chǔ)連接固定。如果直接使用極易產(chǎn)生腐蝕、生銹等損傷,產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患,出現(xiàn)安全事故將造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。所以風(fēng)電螺桿的防腐質(zhì)量將直接影響到風(fēng)電螺桿乃至風(fēng)電設(shè)備的安全性及使用壽命[3]。

為提高風(fēng)電地腳螺桿的防腐性能,一般采用添加防腐材料與保護(hù)套,以提高螺桿的長(zhǎng)效防護(hù)能力。當(dāng)前一般采用螺桿外包一層防腐帶,再套上PP-R套管與基礎(chǔ)混凝土隔離。由于套管徑應(yīng)較地腳螺桿直徑大4～5 mm,螺桿套管與螺桿之間存在空隙,灌漿安裝中螺桿套管上下容易漏漿,一旦地腳螺桿漏漿,螺桿的該處將產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失,在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,該處會(huì)承受附加作用力,當(dāng)超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),該處會(huì)發(fā)生裂縫,進(jìn)而影響基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)安全[4]。因此為防止水泥漿漏到空隙,致使螺桿在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失,影響螺桿受力性能,需要在螺桿兩端增設(shè)熱縮管,將螺桿和混凝土完全隔離開來,保證地腳螺桿套管的密封性。

由于風(fēng)電螺桿的防腐帶的纏繞和保護(hù)套套管工藝的復(fù)雜性,目前國內(nèi)一般采用人工進(jìn)行風(fēng)電螺桿的防腐帶的纏繞和保護(hù)套的套管。整個(gè)過程勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低,質(zhì)量不可控,安全性低。因此開展螺桿保護(hù)套自動(dòng)套裝的研發(fā),開發(fā)一種工藝步驟少、危險(xiǎn)性低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、生產(chǎn)效率高、加工過程自動(dòng)化的螺桿保護(hù)套自動(dòng)套裝生產(chǎn)設(shè)備,對(duì)提高風(fēng)電螺桿的防腐質(zhì)量,提升企業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級(jí),增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,具有很高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)實(shí)意義。

1 風(fēng)電地腳螺桿保護(hù)套套裝工藝步驟分析

1.1 風(fēng)電地腳螺桿及套管形狀

本次研究裝置的套裝風(fēng)電螺桿規(guī)格:直徑和長(zhǎng)度為φ39 mm×4 355 mm,兩端各有一段螺紋,其規(guī)格為M39 mm×300 mm(見圖1)。

圖1 風(fēng)電地錨螺桿

風(fēng)電螺桿中間纏繞一層防腐帶后,套上黑色PP-R長(zhǎng)保護(hù)套管(見圖2),螺紋與光桿接頭處套上熱縮管,加熱熱縮管,以密封套管,最后兩端套上短套管,套裝完成后的螺桿成品如圖3所示。中間長(zhǎng)保護(hù)套管規(guī)格為φ44 mm×3 755 mm,兩端短套管規(guī)格為φ42 mm×350 mm,熱縮管規(guī)格為φ50 mm×150 mm。

圖2 套管

1.2 風(fēng)電地腳螺桿保護(hù)套套裝工藝流程

螺桿套裝工藝如下:螺桿棒料→防腐帶纏繞、切斷→黑色長(zhǎng)保護(hù)套套管→熱縮管套管→加熱熱縮管→兩端保護(hù)套套管→套裝成品。

分析整個(gè)套裝工藝流程,套裝完成主要分為兩個(gè)階段:1)防腐帶纏繞,套中間長(zhǎng)保護(hù)套;2)加熱熱縮套管,套兩端保護(hù)套。由于考慮加熱熱縮管時(shí)的安全性,需要獨(dú)立的套管平臺(tái),所以設(shè)計(jì)自動(dòng)化套管工藝時(shí)需要分兩段進(jìn)行。在自動(dòng)化套管裝置設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮眾多的步驟和因素,本文設(shè)計(jì)自動(dòng)化套管裝置主要完成第1階段動(dòng)作。

結(jié)合上述螺桿套裝工藝,本文設(shè)計(jì)的風(fēng)電螺桿保護(hù)套自動(dòng)套裝完成的加工工藝步驟如圖4所示。

圖4 保護(hù)套自動(dòng)套裝完成的加工工藝步驟

2 螺桿自動(dòng)套裝流水線的總體方案

螺桿自動(dòng)套裝系統(tǒng)是一種典型的非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備,是一種要求生產(chǎn)效率高,能自動(dòng)完成送料、纏繞、切斷、套管、卸料全過程自動(dòng)化的螺桿套裝生產(chǎn)設(shè)備,每小時(shí)套裝70～80件。為達(dá)到國外同類生產(chǎn)線的效率及產(chǎn)品質(zhì)量,要求設(shè)計(jì)的螺桿自動(dòng)套裝流水線具有如下性能[5]:1)套裝產(chǎn)量高而且穩(wěn)定;2)整個(gè)加工過程簡(jiǎn)單可靠,自動(dòng)化程度高;3)高效節(jié)能,調(diào)整較方便;4)操作安全,控制方便,便于監(jiān)控。

總結(jié)參考國內(nèi)外膠帶纏繞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[6～8],防腐帶纏繞可以采用2種方法:一種是螺桿旋轉(zhuǎn),防腐帶壓緊并移動(dòng);另一種是螺桿不動(dòng),防腐帶旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)。為保證防腐帶在螺桿上呈螺旋狀均勻纏繞,方便后續(xù)套管定位,采用第1種方法比較合理。綜合分析套裝工藝及流水線性能要求,制定風(fēng)電螺桿保護(hù)套自動(dòng)套裝流水線的布局方案(見圖5)。加工完成的螺桿放置在堆料槽中,同時(shí)套管也堆積在另一個(gè)堆料槽中。通過上料裝置將螺桿與套管分別傳送到待工作區(qū)域,纏繞機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)同時(shí)工作將防腐帶均勻纏繞在螺桿上,繞完規(guī)定長(zhǎng)度后剪斷。之后通過套管機(jī)構(gòu)完成套管動(dòng)作,最后將套裝好的螺桿通過下料裝置完成卸料,等待下一環(huán)節(jié)。

圖5 自動(dòng)套裝流水線的布局

3 螺桿自動(dòng)套裝系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)套裝系統(tǒng)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)包括螺桿及套管的上料機(jī)構(gòu)、螺桿旋轉(zhuǎn)定位機(jī)構(gòu)、纏繞剪切機(jī)構(gòu)、套管機(jī)構(gòu)、套管螺桿下料機(jī)構(gòu)。保證能自動(dòng)完成供料、纏繞、套管、卸料。各部分具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。

3.1 上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)螺桿和套管兩處自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)。工作開始需要把風(fēng)電螺桿傳送到包裝臺(tái)上,之后進(jìn)行防腐帶纏繞環(huán)節(jié)。風(fēng)電螺桿上料機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì)如圖6所示。將風(fēng)電螺桿放置于堆料槽中,堆料槽為一個(gè)傾斜坡,在重力的作用下風(fēng)電螺桿會(huì)滾到堆料槽最前方。在堆料槽最前方下端放置兩個(gè)液壓抬升裝置,通過液壓缸的推動(dòng),頂料塊將最前方的風(fēng)電螺桿抬升一定高度,使其剛好能夠順著斜坡滾落到包裝臺(tái)上。為了防止一次抬升多根風(fēng)電螺桿,頂料塊在安裝時(shí)與堆料槽內(nèi)測(cè)距離L應(yīng)滿足:0.6d

圖6 風(fēng)電螺桿上料機(jī)構(gòu)

中間套管上料機(jī)構(gòu)和螺桿上料機(jī)構(gòu)類似(見圖7),只是裝置整體長(zhǎng)度要比螺桿上料機(jī)構(gòu)短。

圖7 套管上料機(jī)構(gòu)

3.2 旋轉(zhuǎn)定位裝置設(shè)計(jì)

螺桿旋轉(zhuǎn)定位裝置設(shè)計(jì)如圖8所示。通過液壓缸控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)裝置位置。待風(fēng)電螺桿傳送到包裝臺(tái)上,旋轉(zhuǎn)電機(jī)裝置隨導(dǎo)軌向前移動(dòng),卡爪通過卡爪氣缸固定風(fēng)電螺桿?？ㄗεc旋轉(zhuǎn)電機(jī)由聯(lián)軸器相連接,帶動(dòng)風(fēng)電螺桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？ㄗΦ撞繛橐粚酉鹉z墊,可進(jìn)行拆卸替換,避免在夾緊旋轉(zhuǎn)過程中卡爪損壞螺桿螺紋。同時(shí)在后續(xù)套管環(huán)節(jié)中,需要借助外部裝置定位風(fēng)電螺桿。所以在裝置前端設(shè)有一組升降裝置,由擋板氣缸推動(dòng)擋板頂住風(fēng)電螺桿協(xié)助完成套管環(huán)節(jié),同時(shí)兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)桿防止擋板頂偏。

圖8 旋轉(zhuǎn)定位裝置

3.3 纏繞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

防腐帶纏繞機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示。防腐帶固定在纏繞臂上,在其前方設(shè)有一個(gè)引導(dǎo)輥,將防腐帶通過引導(dǎo)輥引至壓輥處并適當(dāng)預(yù)留出一定長(zhǎng)度。在纏繞臂下方安裝一組滑塊裝置和伸縮氣缸,在纏繞環(huán)節(jié)前,纏繞臂通過伸縮氣缸向前移動(dòng);纏繞完成后氣缸縮回,纏繞臂向后移動(dòng)。整個(gè)纏繞機(jī)構(gòu)通過升降滑塊固定在纏繞架上。升降滑塊控制纏繞臂的高度,其高度是可以進(jìn)行人為調(diào)整的,保證纏繞時(shí)與風(fēng)電螺桿處于同軸內(nèi)。

圖9 防腐帶纏繞裝置

卷邊及剪切裝置設(shè)計(jì)如圖10所示,為表示清楚,隱藏了側(cè)面機(jī)架。卷邊作業(yè)由壓輥完成,能夠環(huán)繞風(fēng)電螺桿做整周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);剪切作業(yè)由一個(gè)動(dòng)刀片和一個(gè)定刀片完成,當(dāng)動(dòng)刀片逆時(shí)針快速旋轉(zhuǎn)過定刀片位置時(shí),由于兩個(gè)刀片之間有一定角度,能夠?qū)崿F(xiàn)防腐膠帶的剪切。動(dòng)刀片安裝在固定塊上,固定塊與壓輥安裝在扇形齒墊片上,由齒輪帶動(dòng)扇形齒墊片運(yùn)動(dòng)。由于扇形齒墊片呈半月型,當(dāng)旋轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)脫離齒輪控制,故設(shè)計(jì)兩個(gè)齒輪傳動(dòng)通過伺服電機(jī)進(jìn)行控制運(yùn)動(dòng)。

圖10 卷邊及剪切裝置

纏繞裝置與套管裝置獨(dú)立工作,但考慮到實(shí)際操作空間,采用龍門式支架(見圖11)。將兩款絲杠滑臺(tái)裝置分別安裝在上下端:纏繞機(jī)構(gòu)滑臺(tái)安裝在龍門支架底部,通過一臺(tái)纏繞絲杠電機(jī)控制絲杠旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)纏繞機(jī)構(gòu)進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng);套管機(jī)構(gòu)滑臺(tái)安裝在龍門支架頂部,同樣通過另一臺(tái)套管絲杠電機(jī)控制絲杠旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)套管機(jī)構(gòu)滑塊進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)。

圖11 龍門架

3.4 套管機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

套管機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖12所示,采用機(jī)械手夾取套管。為防止機(jī)械手與套管之間因摩擦不足而可能產(chǎn)生打滑現(xiàn)象,同時(shí)防止套管夾取時(shí)發(fā)生形變,設(shè)計(jì)圓管夾取的機(jī)械手,在夾取手里端填一層橡膠襯套,并可根據(jù)松緊拆卸替換。左右兩個(gè)氣動(dòng)爪頭部連接夾取手,安裝在中間件凹槽處。由于套管機(jī)構(gòu)梁垂直方向固定,因此在中間件與套管機(jī)構(gòu)梁之間設(shè)計(jì)具有導(dǎo)軌的支撐臂,使絲桿通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)滑塊,從而使整個(gè)套管機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)。

圖12 套管機(jī)構(gòu)

進(jìn)行套管作業(yè)時(shí),電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿使套管機(jī)構(gòu)下降一定高度,通過氣缸驅(qū)動(dòng),使夾取手處于夾緊狀態(tài),牢牢固定套管,隨后驅(qū)動(dòng)龍門架上的套管絲杠電機(jī)進(jìn)行套管動(dòng)作。

3.5 下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖13所示。風(fēng)電螺桿套管作業(yè)完成后,液壓缸帶動(dòng)斜面頂料塊抬升風(fēng)電螺桿一定高度,使其剛好脫離凹槽,順著軌道直接進(jìn)入收集槽。在收集槽表端設(shè)有橡膠墊,防止風(fēng)電螺桿與槽發(fā)生碰撞導(dǎo)致螺紋的損壞。

圖13 下料機(jī)構(gòu)

3.6 自動(dòng)套裝系統(tǒng)總裝

風(fēng)電螺桿自動(dòng)套裝系統(tǒng)的整體布置如圖14所示,依次為上料機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝置、纏繞裝置、套管機(jī)構(gòu)及下料機(jī)構(gòu)。成品螺桿由上料機(jī)構(gòu)上料,送至包裝臺(tái)進(jìn)行防腐帶纏繞,套管經(jīng)過上料機(jī)構(gòu)上料,被送至包裝臺(tái)上,套管機(jī)構(gòu)進(jìn)行套管作業(yè),下料機(jī)構(gòu)把套管螺桿推入收集槽,最終完成整套自動(dòng)化流程。

圖14 風(fēng)電螺桿自動(dòng)套裝系統(tǒng)總裝

4 自動(dòng)套裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)電螺桿自動(dòng)套裝各個(gè)動(dòng)作通過各類電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓元器件實(shí)現(xiàn)。由于螺桿、套管質(zhì)量重,上料、下料和螺桿旋轉(zhuǎn)需要的力較大,所以宜采用液壓裝置實(shí)現(xiàn);而纏繞、套管需要的力小,宜采用氣動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn);其他運(yùn)動(dòng)則由電機(jī)控制。由此設(shè)計(jì)自動(dòng)套裝電液氣控制系統(tǒng)方案,并由PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

4.1 系統(tǒng)氣壓回路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)氣壓回路如圖15所示,空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣源通過分流閥分4路分別經(jīng)過電磁閥輸送給卡爪氣缸、擋板氣缸、機(jī)械手氣缸和纏繞臂氣缸,控制螺桿夾緊、定位、套管、纏繞臂伸縮。

圖15 系統(tǒng)氣壓回路

4.2 系統(tǒng)液壓回路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)液壓回路如圖16所示,系統(tǒng)配置7個(gè)液壓缸,分別是2個(gè)風(fēng)電螺桿上料液壓缸、2個(gè)套管上料液壓缸、2個(gè)下料液壓缸、1個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置液壓缸。液壓缸的動(dòng)作信號(hào)通過PLC進(jìn)行傳輸處理。由于所需的液壓缸動(dòng)作均往返運(yùn)動(dòng),故選擇雙作用單活塞桿液壓缸,并由電磁換向閥實(shí)現(xiàn)液壓缸的控制。為了保證液壓回路的安全性,設(shè)計(jì)過程中還需添加溢流閥、節(jié)流閥等安全器件。

圖16 系統(tǒng)液壓回路

4.3 系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電氣控制圖如圖17所示,系統(tǒng)配置5個(gè)電機(jī),依次是纏繞機(jī)構(gòu)絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)、套管機(jī)構(gòu)絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支撐臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過PLC系統(tǒng)輸出信號(hào)控制其正反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

5 自動(dòng)套裝系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

與傳統(tǒng)人工套裝作業(yè)相比,本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)套裝系統(tǒng)作業(yè)具有較大優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過實(shí)際套管測(cè)試,兩者技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表1。從表1中可以看出,人工套管工人需要較大的體力勞動(dòng)才能完成,一般只能單班制多人協(xié)作完成。自動(dòng)套管流水線只需要一個(gè)操作檢測(cè)人員,其主要工作只是開機(jī)前的準(zhǔn)備和過程監(jiān)控、檢測(cè)成品,勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低,可以實(shí)現(xiàn)三班制加工,另外單個(gè)套管速度也比人工時(shí)快,可大大提高生產(chǎn)速率。套管尺寸誤差和套管密封性是衡量風(fēng)電地腳螺桿防腐質(zhì)量的主要指標(biāo),自動(dòng)套裝下的套管尺寸誤差值和套管密封誤差個(gè)數(shù)都同步下降。

表1 人工套裝和自動(dòng)套裝技術(shù)參數(shù)對(duì)比

6 結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)人工風(fēng)電螺桿套管勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、技術(shù)落后、效率低等缺點(diǎn),分析風(fēng)電螺桿保護(hù)套套裝加工工藝,設(shè)計(jì)了自動(dòng)套裝系統(tǒng)的總體布置方案,完成了各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(包括上料機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)裝置、纏繞裝置、套管機(jī)構(gòu)及下料機(jī)構(gòu)),同時(shí)設(shè)計(jì)了自動(dòng)套裝電液氣控制系統(tǒng)。測(cè)試對(duì)比顯示,本系統(tǒng)能提高風(fēng)電螺桿保護(hù)套套裝加工的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率,減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)安全性,減少人工數(shù)量及人工操作失誤帶來的不良品,提高風(fēng)電地腳螺桿防腐質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)套管自動(dòng)化。

本文研制的自動(dòng)套裝系統(tǒng)具有良好的自動(dòng)化高效節(jié)能性能,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性強(qiáng),應(yīng)用前景廣闊。國產(chǎn)化風(fēng)電螺桿保護(hù)套自動(dòng)套裝系統(tǒng)的成功研發(fā)為眾多非標(biāo)螺桿生產(chǎn)廠家提供了一套高效高產(chǎn)的生產(chǎn)裝備,具有較高的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。