张碧华
(福建三钢闽光股份有限公司,福建 三明 365000)
研发设计了一台翻卷机,能够转动高速线材PF线C型钩上运载的成品卷,转至平整的、易于起吊位置,在卸卷站卸卷,整个运行过程为全自动。按照以上设计,C型钩运行及翻卷机必需具备以下条件及功能:①C型钩驶入翻卷机前,设备上方PF线上无C型钩。②带有成品卷的C型钩到达翻卷工位后停止。③设备升降机构上升托起成品线卷,使其脱离C型钩一定高度。④升降机构到位后,转动机构在原位通过转动带动成品卷转动,翻转到合适位置。⑤升降机构下降,成品卷落回C型钩。⑥PF线链条将带卷C型钩带离翻卷工位,继续前进。
令线卷在C型钩上方转动是设计难点,若采用机械固定线卷将其转动,结构较为复杂。基于此,根据机动车行驶原理,利用原地转动的4个轮胎的磨擦力来带动平稳托上的线卷转动,无需固定线卷转动,只需将线卷用轮胎托住,转动轮胎即可,结构简单。
1.1 结构描述
该设备在机架上安装升降机构及升降信号感应装置。升降机构由4个轴承座、主动及被动曲柄式拉杆轴(图1序号3、4,其两端轴均装配固定在轴承座上,轴承座安装在机架上)、两根双头连接螺栓(图1序号2)、液压缸(图1序号1)、框式联接架(图1序号5)及装于其上的具有翻卷功能的转动机构组成。升降信号感应装置接近开关固定支架,焊接在机架上,感应块焊接固定在主动轴装配底座上,接近开关与感应块的相对位置根据现场实际确定。转动机构由电机减速机、带双轮胎的主动轴装配(图1序号6)及带双轮胎的被动轴装配(图1序号7)组成,两组轴装配分别安装在框式联接架上的底座上,电机减速机安装在框式联接架上的另一底座上。转动机构随框式联接架的升降而升降。
1.液压缸; 2.连接螺栓; 3.主动曲柄式拉杆轴; 4.被动曲柄式拉杆轴; 5.框式联接架; 6.带双轮胎的主动轴装配; 7.带双轮胎的被动轴装配; 8.线卷; 9.机架图1 翻卷机机构运动及受力简图Fig.1 Winding machine mechanism motion and force diagram
1.2 运行模式
当打包好的成品卷由C型钩载到翻卷工位,C型钩感应到停止信号即停止,液压缸驱动机架上的升降机构上升,转动机构随升降机构同步上升,轮胎托住线卷,上升到位后电机驱动转动机构,依靠轮胎的磨擦力,线卷随之转动,转至180°后机构停止转动,升降机构下降,下降到位后,C型钩放行。整个过程依靠感应信号通过PLC程序实现全自动控制。
升降机构结构设计采用曲柄式拉杆轴的连杆结构型式,设备机架、升降机构的框式联接架及转动机构本体、地坑深度大小等,根据安装设备的场地大小、标高、线卷包形尺寸及各自功能特点,本着简单、轻便、牢固、易于维护的原则进行结构设计。其他方面设计选型主要涉及的零部件包括轮胎、电机减速机、液压缸、联轴器。除了满足强度及功能要求外,考虑到设备运行周期需小于出钢节奏以保证生产,按C型钩从进入翻卷机到驶出翻卷机的总时间t小于40 s进行控制,即:
t=t进+t升+t转+t降+t出=8+4+t转+3+8=23+t转<40 s
(1)
∴t转<17 s
(2)
式中:t进—C型钩进入翻包工位的时间(s),t进=8 s;
t升—升降机构上升托起线卷的时间(s),t升=4 s;
t转—线卷被托起后随转动机构转动至180°的时间(s);
t降—升降机构下降至初始位的时间,t降=3 s;
t出—C型钩离开翻包工位的时间(s),t出=8 s。
式(1)、式(2)是电机减速机选型及液压缸运行速度控制的重要依据。
2.1 翻卷用轮胎选型及滚动阻力矩
轮胎在转动机构电机减速机的驱动下原地转动,带动落在其上打包好的成品卷转动。为缩小设备占用的高度空间,降低地坑深度,令结构简单紧凑,备件要保证通配性、互换性良好,轮胎选用直径尺寸较小的厂内装运用叉车的后轮。
图1所示为受力情况,轮胎与线卷的相对转动可视为两圆柱的相对滚动,滚动摩擦副材料为橡胶轮胎与钢,轮胎滚动阻力矩M阻[1]:
M阻=Nμk(1+r1/r2)[1]=0.5G/cosβμk(1+r1/r2)
(3)
式中:N-主动圆柱(轮胎)对被动圆柱(线卷)的压力;
G-线卷重力,G=mg=2 350*9.8=23 030 N;
β-N与G的夹角,cosβ=0.5o1o2/o1o=0.836;
μk-滚动摩擦因素,μk取橡胶与铸铁的值,μk=0.8 cm[1];
r1-主动圆柱半径(轮胎半径),r1=0.285 m;
r2-被动圆柱半径(线卷半径),r2=0.625 m。
以上值代入式(3)计算得,M阻=160.439 N·m
(4)
式(4)轮胎的滚动阻力矩M阻即为转动机构的负载转矩T,是转动机构的电机减速机及联轴器选型的重要依据。
2.2 电机减速机选型及验算
由计算结果(4)可知,负载转矩T即为轮胎与线卷的滚动阻力矩M阻=160.439 N·m。
基于减速机许用转矩T减速机>T的原则并满足式(2)要求,选用现有库存且外形尺寸适合的摆线针轮减速机,型号为BWEY2715-289-1.5 kw。输入转速n=1 400 r/min,许用转矩T减速机=2 200 N·m。线卷被托起后随转动机构转动至180°的时间t转验算如下:
轮胎与打包好的成品线卷为滚动运动副,无相对滑动,线速度v相同,即:
v=πd1n1=πd2n2
(5)
式中:n1—轮胎转速(r/min);
n2—线卷转速(r/min);
d1—轮胎直径(mm),d1=1 250 mm;
d2—成品线卷直径(mm),d2=570 mm。
以上值代入式(5)计算得n2=n1/2.193
所选电机减速机的速比为i=289∶1,输入转速为n=1 400 r/min。
∴n1=n/i=1 400/289=4.844 r/min
n2=n1/2.193=4.844/2.193=2.209 r/min
线卷每转1圈所花费的时间为t2(s),计算式为:
t2=1/n2×60
线卷转动半圈即180°至线卷底部朝上的时间t转为t2/2,则:
t转=t2/2=(1/n2)/2×60=1/(2×2.209)×60=13.58 s
(6)
∴t转<17 s,符合式(2)。
2.3 联轴器选型
为了使联轴器易于维护及更换,结合设备工作环境及结构特点,确定采用GB/T5272-2002标准的梅花弹性联轴器,其具有减振、缓冲、径向尺寸小,不用润滑、维护方便等特点,适用于启动频繁、正反转、中低速、中小功率的传动[2]。基于联轴器许用转矩Tn>负载转矩T的原则,查参考文献[2]中表7-2-49,选用尺寸适合的型号为LM5(MT5) 的梅花弹性联轴器,许用转矩为Tn=350 N·m>负载转矩T=160.439 N·m。
2.4 液压缸选型及调速
曲柄式拉杆轴复用成品称重设备的拉杆轴结构尺寸,升降机构选用与称重设备相同的升降液压缸,型号为Φ125/Φ90-500,缸径D=125 mm,杆径d=90 mm,行程L=500 mm,工作压力=16 MPa,试验压力=24 MPa。
翻卷机曲柄式拉杆轴承载的重量G翻比称重曲柄式拉杆轴承载的重量G称轻,即G翻 PF线承载轨上增加两个停止器和两个占位接开,其中一个控制翻卷,另外一个控制下一包卷的位置。一台电机控制轮胎带动C型钩上的卷转动,两个蘑菇头接开检测升降装置到位情况,一对对射光电管检测C型钩上是否有卷。 操作箱安装在翻卷机的附近,作为信号中转站,面板上配有手动/自动选择开关,翻卷机设有投入/不投入选择开关及其他一些手动操作控制按钮。翻卷机的信号来自P/F链远程站ET3。现场布线情况为电缆从P/F链远程站ET3经过P/F链上的电缆桥架到操作箱,现场信号通过操作箱的接线连到各个检测原件。 P/F链远程站ET3需要增加两个模块,即数字量输入模块与数字量输出模块。在PLC系统上进行硬件组态,编写翻卷机手动/自动控制程序,进行现场检测原件调试及运行调试。 自动程序流程:检测翻卷工位占位信号→当翻卷工位有C型钩等待位C型钩继续等待,无C型钩则等待位C型钩放行→检测到C型钩驶入翻卷工位占位信号→翻卷工位停止器关闭C型钩停止→检测线卷对射信号→无卷且前方PF线占位信号无时停止器打开C型钩放行,占位信号有则等待→有卷则翻卷机升降机构启动上升至检测到上位接开信号停止→电机启动翻卷至规定时间后停止→翻卷机升降机构启动下降至下位接开信号后停止,前方PF线钩占位信号无则停止器打开C型钩放行→进入下一循环。 在图纸设计基础上进行土建施工、机械设备安装、配管、PF线停止器及占位开关安装、布线、硬件组态和PLC程序设计与调试,并于检修结束后投入生产使用。在翻卷机生产应用中成功地将成品卷整齐的底部通过C型钩上翻转动至上部,整个过程全自动,无需人工操作,解决了卸卷时因上部参差不齐而造成的起吊困难的问题,减少了因磁力吊引发的成品刮伤等质量问题,降低了行车设备故障率,降低了维护工作量及备件消耗量。 高速线材全自动翻卷机采用轮胎滚动磨擦力带动线卷翻转,通过PLC集中控制,自动检测C型钩占位信号、线卷信号及高低位置,实现了高速线材成品卷卸卷前的全自动翻卷。此设备应用效果良好,投资小,见效快,解决了卸卷起吊难、速度慢、成品刮伤及行车故障多等问题,为解决类似问题提供了方法。3.1 现场设备的安装
3.2 操作箱的安装与现场布线
3.3 硬件组态与PLC程序设计及调试