楊青建，楊 永

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

在前擺式預(yù)精焊機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程中，需要停車對(duì)頭［1］。為了節(jié)省對(duì)頭時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，山東勝利鋼管有限公司引進(jìn)了一臺(tái)預(yù)開卷機(jī)。預(yù)開卷機(jī)將鋼卷包裝帶去除，并將鋼卷頭部打開，切除鋼卷“舌頭”部分，使得鋼卷進(jìn)入成型預(yù)焊機(jī)組時(shí)，銑邊后與加工好的板尾對(duì)接，從而提高生產(chǎn)效率。

1 設(shè)備組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

預(yù)開卷機(jī)主要由底座、上下旋轉(zhuǎn)輥、鏟刀、板頭夾緊裝置、測(cè)量裝置、切割系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成［2-3］。預(yù)開卷機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 底 座

底座由方矩形管焊接加工而成，上下旋轉(zhuǎn)輥、鏟刀、板頭夾緊裝置、切割系統(tǒng)等都固定在底座上。上述設(shè)計(jì)有利于加強(qiáng)設(shè)備剛度，同時(shí)便于設(shè)備安裝。

1.2 上下旋轉(zhuǎn)輥

上下旋轉(zhuǎn)輥是由2套下旋轉(zhuǎn)輥和1套上旋轉(zhuǎn)輥組成。下旋轉(zhuǎn)輥由軸承座、支撐輥、長(zhǎng)條輥和電機(jī)組成，長(zhǎng)條輥表面采用聚氨脂膠輥，可以防止劃傷鋼卷；電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)采用瑞典赫格隆CBM電機(jī)，具有使用壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕、壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)。上旋轉(zhuǎn)輥由支架、擺臂、油缸和長(zhǎng)條輥組成，長(zhǎng)條輥在油缸的作用下，可以繞擺臂旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)踹\(yùn)鋼卷時(shí)，長(zhǎng)條輥在最上面；當(dāng)開卷時(shí)，長(zhǎng)條輥始終以一定的壓力壓在鋼卷上面，防止鋼卷散卷事故的發(fā)生。

1.3 鏟 刀

鏟刀固定在板頭夾緊裝置上面，既可以左右擺動(dòng)，也可以上下伸出和縮回。鏟刀的作用是將板頭展開，并引導(dǎo)板頭進(jìn)入夾緊裝置。鏟刀的擺動(dòng)和伸縮動(dòng)作由十字操作手柄控制，操作靈活方便。

1.4 板頭夾緊裝置

板頭夾緊裝置在油缸的作用下，可以左右移動(dòng)；板頭夾緊通過(guò)3個(gè)油缸共同壓下，將鋼卷頭部（板頭）牢牢夾??；板頭首先被夾緊，板頭在夾緊裝置的牽引下向右伸出一定長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)開卷的目的。另外，當(dāng)切割板頭時(shí)可以防止鋼卷竄動(dòng)［4］。

1.5 測(cè)量裝置

測(cè)量裝置由無(wú)桿氣缸、測(cè)量棒和傳感器組成，共有4套。無(wú)桿氣缸沒(méi)有普通氣缸的剛性活塞桿，它是利用活塞直接或間接實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省安裝空間。測(cè)量棒為圓柱形，在無(wú)桿氣缸的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量時(shí)測(cè)量棒緊靠在帶鋼邊緣形成點(diǎn)接觸，測(cè)量精確。傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量棒的位置測(cè)量。

1.6 切割系統(tǒng)

切割系統(tǒng)由等離子切割機(jī)、割把夾持裝置、割把擺動(dòng)和橫移裝置組成［5］。等離子切割機(jī)采用的是ESAB等離子切割機(jī)，能夠自動(dòng)啟動(dòng)和停止，切割所用的割嘴和電極具有很長(zhǎng)的使用壽命。割把夾持裝置將割把固定，同時(shí)可以帶動(dòng)割把實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，切割時(shí)割把落下，切割停止時(shí)割把升起。割把擺動(dòng)和橫移裝置實(shí)現(xiàn)割把沿垂直于帶鋼中心線的方向運(yùn)動(dòng)，防止切斜，為后續(xù)的鋼管生產(chǎn)提供良好的保障［6-7］。

1.7 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)采用德國(guó)力士樂(lè)液壓系統(tǒng)，電機(jī)功率37 kW；液壓泵采用力士樂(lè)A10VSO系列DFLR恒功率液壓泵，該泵在不同的工作壓力下，輸出不同的流量，最終使其流量和壓力的乘積維持常數(shù)［8］；因此，下旋轉(zhuǎn)輥電機(jī)工作時(shí)可以輸出恒驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，既能夠穩(wěn)定工作，又能夠?qū)υO(shè)備起到保護(hù)作用。

1.8 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用西門子S7-300系列PLC作為主控，并通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作點(diǎn)及數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。切割系統(tǒng)縱向和橫向移動(dòng)均采用德國(guó)STOBER交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制，響應(yīng)快速，對(duì)位置和速度的控制精度高。測(cè)量裝置用來(lái)測(cè)量無(wú)桿氣缸伸出量的4個(gè)傳感器均采用德國(guó)TRElectronic公司的直線位移編碼器，具有測(cè)量精度高、無(wú)溫度漂移、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并且支持PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，可以將測(cè)量所得的絕對(duì)值信號(hào)直接傳送給PLC。PLC經(jīng)過(guò)計(jì)算偏移量來(lái)調(diào)節(jié)直線驅(qū)動(dòng)器伸出量，從而調(diào)節(jié)切割角度防止切斜。

預(yù)開卷機(jī)在使用過(guò)程中，有工作運(yùn)行狀況的動(dòng)態(tài)顯示，故障診斷及報(bào)警功能。該電氣控制系統(tǒng)具有獨(dú)立的西門子PROFISAFE安全總線系統(tǒng)；因此，具有良好的互鎖、自鎖及安全保護(hù)措施，以確保設(shè)備和人身安全。

圖1 預(yù)開卷機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2 工作原理及過(guò)程

2.1 工作原理

預(yù)開卷機(jī)的重要工作就是將鋼卷“舌頭”切除，使切除后的鋼卷頭部能夠順利地與前一個(gè)鋼卷的尾部對(duì)接。為了保證對(duì)接良好，切割時(shí)必須切正。板頭測(cè)量和切割如圖2所示。其中，ABCD為4個(gè)測(cè)量棒的測(cè)量點(diǎn)。當(dāng)板頭被夾緊，4套測(cè)量裝置同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得每個(gè)測(cè)量點(diǎn)距板邊在水平方向的距離分別為X1、X2、X3、X4。切割割把的初始位置為M點(diǎn)，割把可以繞N點(diǎn)擺動(dòng)，擺動(dòng)距離Y到達(dá)L點(diǎn)，線段LN與帶鋼中心線垂直，割把沿LN方向進(jìn)行切割，從而保證切割質(zhì)量。Y值計(jì)算如下：距離Y（1線段AC）和X（線段MN）已知，根據(jù)三角形EFG和NML相似可以求出Y=（X2+X4-X1-X3）X/（2Y）1。圖4中帶鋼位置Y值為正值，如果帶鋼向左傾斜，Y值為負(fù)值，割把沿ML反方向運(yùn)動(dòng)距離Y。

圖2 板頭測(cè)量和切割示意

2.2 誤差分析

Y值的計(jì)算公式是以帶鋼頭部尺寸精確（寬度一致，無(wú)側(cè)彎）為前提的，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中帶鋼頭部尺寸總會(huì)有誤差，那么計(jì)算出來(lái)的Y值也會(huì)有誤差，從而造成切斜。帶鋼頭部尺寸主要有寬度變化和側(cè)彎量?jī)身?xiàng)對(duì)切斜量有影響。由于螺旋縫焊管前擺機(jī)組采用帶鋼中心線遞送成型，Y值是按中心線進(jìn)行計(jì)算的，所以帶鋼寬度的變化對(duì)切斜量影響很小，可忽略不計(jì)。以下主要分析帶鋼側(cè)彎量對(duì)切斜量的影響。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定帶鋼無(wú)側(cè)彎、無(wú)寬度變化，帶鋼中心線與測(cè)量裝置的中心線重合，即X1=X2=X3=X4，Y=0。帶鋼寬度一致、無(wú)側(cè)彎時(shí)的板頭測(cè)量和切割如圖3所示。

圖3 帶鋼寬度一致、無(wú)側(cè)彎時(shí)的板頭測(cè)量和切割示意

帶鋼寬度一致、有側(cè)彎時(shí)的板頭測(cè)量和切割如圖4所示。帶鋼寬度為b，均勻無(wú)變化，帶鋼在長(zhǎng)度λ上側(cè)彎量為δ，4個(gè)測(cè)量點(diǎn)（A、B、C、D）測(cè)得距離分別為 X1′、X2′、X3′、X4′，偏移量為 Y′。通過(guò)幾何分析，可得出偏移量Y′和切斜量t的計(jì)算公式：

由式（1）~（2）可得：

如果切斜量t∧3（mm），那么帶鋼頭部和尾部對(duì)接時(shí)，帶鋼頭部一側(cè)比另一側(cè)要多銑削3 mm以上，這樣就必須降低銑削移動(dòng)速度；如果切斜量t∧6（mm），需要銑削兩次，大大降低了生產(chǎn)效率。目前生產(chǎn)使用最多的帶鋼寬度b=1 550（mm），預(yù)開卷機(jī)的設(shè)計(jì)值 X=2 635（mm），Y1=825（mm），λ=2（mm）。當(dāng) t=3（mm）時(shí)，帶入式（3）求得 δ=0.963（mm）；當(dāng) t=6（mm）時(shí)，帶入式（3）求得δ=1.925（mm）。

帶鋼在一定長(zhǎng)度上的側(cè)彎量稱為帶鋼“鐮刀彎”，在檢測(cè)時(shí)帶鋼長(zhǎng)度一般取5 m，將0.963 mm/2 m和1.925 mm/2 m比例換算后分別為6 mm/5 m和12 mm/5 m。也就是說(shuō)當(dāng)帶鋼“鐮刀彎”最大不超過(guò)6 mm/5 m時(shí)，切斜量t=0~3（mm）；當(dāng)“鐮刀彎”最大不超過(guò) 12 mm/5 m 時(shí)，切斜量 t=0~6（mm）［9-11］。

圖4 帶鋼寬度一致、有側(cè)彎時(shí)的板頭測(cè)量和切割示意

2.3 工作過(guò)程

吊裝鋼卷放置在下旋轉(zhuǎn)輥上→上旋轉(zhuǎn)輥壓下→旋轉(zhuǎn)輥旋轉(zhuǎn)→手工火焰切斷包裝帶并移走→利用鏟刀將板頭展平→夾持板頭→拖拽板頭到合適位置→測(cè)量板邊→根據(jù)測(cè)量結(jié)果切割帶鋼“舌頭”并移走→鋼卷吊走放置在上料區(qū)→下一個(gè)工作循環(huán)。

鋼卷從預(yù)開卷機(jī)吊走時(shí)，由于鋼卷已經(jīng)打開，吊裝鋼卷的吊具必須具有防散卷功能。如果用普通的C型鉤或T型鉤吊具，必須將鋼卷重新包扎，否則會(huì)出現(xiàn)散卷事故。

3 結(jié) 語(yǔ)

預(yù)開卷機(jī)已在山東勝利鋼管有限公司預(yù)精焊機(jī)組上使用兩年多。該預(yù)開卷機(jī)工作可靠穩(wěn)定，特別是對(duì)于X80鋼級(jí)及以上材質(zhì)鋼卷，在打開包裝帶的時(shí)候，能夠有效避免散卷事故。在打開X80鋼級(jí)材質(zhì)鋼卷時(shí)，開卷時(shí)間6~8 min（不含鋼卷吊運(yùn)過(guò)程），能夠很好地滿足生產(chǎn)需要。由于預(yù)精焊機(jī)組對(duì)于帶鋼頭部和尾部尺寸精度有較高的要求，如果能夠?qū)т摗扮牭稄潯笨刂圃? mm/5 m范圍之內(nèi)，可以大大提高帶鋼頭部和尾部對(duì)接銑邊速度，節(jié)省1~3 min的對(duì)接時(shí)間，進(jìn)而提高產(chǎn)量2%~6%，這對(duì)鋼管生產(chǎn)廠的意義是重大的。

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