步進梁鋼卷對中裝置設(shè)計與研究

吳修文 吳 虹 汪建國

(馬鋼集團設(shè)計研究院責(zé)任有限公司，安徽243000)

如果冷軋廠酸軋線鋼卷對中裝置對中精度不夠，運輸?shù)竭\卷小車上沒有對中放置，會造成芯軸插入不到位，開卷造成偏離，直接影響生產(chǎn)線安全和高效運行。故步進梁對中裝置的結(jié)構(gòu)精度和運行狀況直接影響到生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量和安全性。

某鋼鐵廠冷軋酸軋線入口步進梁鋼卷對中裝置，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，經(jīng)過多年磨合運行，對中裝置時常出現(xiàn)卡頓和對中不精確問題，設(shè)備精度和功能已無法滿足產(chǎn)品生產(chǎn)線高效運行等要求。因此，有必要針對該入口步進梁對中裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計進一步改進。

根據(jù)鋼卷對中裝置的結(jié)構(gòu)和對中精度特性，提出合理設(shè)計應(yīng)用方案，基于Inventor三維仿真軟件的優(yōu)勢，建立了對中裝置的優(yōu)化模型，最終實踐驗證了該裝置的有效性及正確性。

1 鋼卷對中裝置基本參數(shù)及機械運動原理

1.1 鋼卷對中裝置基本參數(shù)

鋼卷對中裝置基本參數(shù)見表1。

表1 改造前鋼卷對中裝置基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of steel coil centering device before renovation

1.2 鋼卷對中裝置機械運行原理

改造前，入口步進梁鋼卷對中裝置由滑動鞍座、對中油缸、雙滑塊等部件組成，改造前鋼卷對中裝置剖面圖如圖1所示。當(dāng)動梁提升后，鋼卷放置在滑動鞍座上，操作人員觀察鋼卷在滑動鞍座上的偏離位置，結(jié)合固定鞍座上的對中線標(biāo)識，操作對中油缸，滑動鞍座在底部雙滑塊導(dǎo)向作用下，進行滑動鞍座的前后移動，壓板壓住滑動鞍座，當(dāng)偏離的鋼卷中心線與固定鞍座上的對中線標(biāo)識目測重合時，人工實現(xiàn)鋼卷對中。

2 改造前鋼卷對中裝置存在的問題及分析

該鋼卷對中裝置滑動鞍座底部和雙滑塊配合，在重載鋼卷載荷下，滑動鞍座總是存在一個方向的傾翻力矩，而且該滑動鞍座與固定梁接觸面較小，在對中油缸推動作用下，滑動鞍座滑動不平穩(wěn)，時常造成鞍座與滑塊之間的卡頓現(xiàn)象，有極大的安全隱患，在多年服役下，更換雙滑塊備件頻率較高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

同時，在人工視覺對中環(huán)境下，鋼卷在滑動鞍座上的中心線與固定鞍座上對中參考線往往存在偏差，達不到±50 mm的精度。這樣，鋼卷放置在運卷小車上的精度就達不到要求，開卷芯軸插入鋼卷中心的功能就無法保證，所以，在保證生產(chǎn)線安全高效運行的前提下，有效地解決卡頓和對中精度等問題是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

1—滑動鞍座 2—雙滑塊 3—壓板圖1 改造前改造前鋼卷對中裝置剖面圖Figure 1 Sectional view of steel coil centering device before renovation

3 提出改進方案及設(shè)計鋼卷對中裝置

目前滑動鞍座運行不穩(wěn)定性、卡頓和對中不精確，因此在結(jié)構(gòu)上和自動控制上提出了改進方案。改造后的鋼卷對中裝置如圖2所示，改造后鋼卷對中裝置包括滑動鞍座、直線導(dǎo)軌、滑道、對中油缸、齒輪、齒條、連桿、聯(lián)軸器、對中編碼器、光電開關(guān)及接近開關(guān)等。

3.1 改進滑動鞍座結(jié)構(gòu)

增加了滑動鞍座與固定梁的接觸面積，加大了鞍座寬度，使鋼卷放置在鞍座的接觸面積增大，提高了滑動穩(wěn)定性。同時，根據(jù)鋼卷直徑1200～1950 mm，合理設(shè)計了鞍座V形面的夾角α，如圖2(c)，改造后減少夾角α，α=20°，當(dāng)V形面與水平面間的夾角合適，鋼卷就位后就能滑入谷底即所謂的正位狀態(tài)[1]。

底部滑動裝置包括直線導(dǎo)軌滑動端、直線導(dǎo)軌固定端及滑道。布置了四條相互平行的直線導(dǎo)軌，步進梁兩側(cè)各兩條，由于兩側(cè)的直線導(dǎo)軌可以承受上下左右方向的負荷，解決了改造前滑動導(dǎo)板由于承受較輕的載荷造成運行精度不良問題，同時，大大減少了由于鋼卷重力造成的傾翻力矩，減少鋼卷滑落的安全隱患。

對中油缸布置在滑動鞍座中心線上，減少了油缸的推力矩，直線導(dǎo)軌的摩擦力非常小，只需較小的驅(qū)動力便能使滑動鞍座運行，改造前對中油缸選型?125/?70-400，改造后對中油缸選型?80/?45-400，即承載鋼卷情況下，N為對中裝置承載鋼卷總重36 t，μ為直線導(dǎo)軌摩擦因子，取μ=0.05，得出：

F總摩擦力=2μN=2×0.05×36=3.6 t

F油缸推力=PS1=14πr12/1000

=14π×402/1000=7 t

F油缸拉力=PS2=14πr22/1000

=14π×(402-22.52)/1000=4.8 t

即F油缸拉力>F總摩擦力

(1)

由式(1)得出選型油缸滿足要求。改造后減少了對中裝置關(guān)鍵備件的維護成本。

(a)主視圖

3.2 設(shè)計自動對中裝置系統(tǒng)

結(jié)合改造后的鋼卷對中裝置(圖2)，其中連桿裝置安裝在滑動鞍座側(cè)面，連桿裝置中間通過兩組銷軸鉸接，隨著滑動鞍座的前后移動，銷軸鉸接可以補償由鞍座的直線度帶來的影響。連桿裝置前端設(shè)置齒數(shù)z=152，模數(shù)m=2.5的齒條，與齒條配對的直齒圓柱齒輪齒數(shù)z=40，模數(shù)m=2.5，直齒圓柱齒輪通過鍵與連接軸固定，連接軸兩端設(shè)置軸承座，連接軸前端通過UL輪胎聯(lián)軸器相連，輪胎式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，適用于啟動頻繁，正反轉(zhuǎn)多變的傳動[2]，通過聯(lián)軸器將編碼器與連接軸相連。

當(dāng)滑動鞍座前后滑動時，連桿帶動齒條前后移動，與其配對的直齒齒輪相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，連接軸帶動編碼器轉(zhuǎn)動，編碼器開始計數(shù)，測量滑動鞍座前后移動距離。

3.3 鋼卷自動對中裝置工作原理

鋼卷自動對中裝置功能原理圖如圖3，該自動對中裝置是由左右鞍座的對中液壓缸驅(qū)動，通過一對光電開關(guān)PH測量鋼卷寬度邊緣，并通過一個脈沖發(fā)生器PG測量鋼卷橫向移動長度。一對光電開關(guān)位于No.11和No.12鋼卷工位之間，脈沖發(fā)生器安裝在步進梁下方，運用鏈條結(jié)構(gòu)對動梁移動距離進行測量。

圖3 功能原理圖Figure 3 Function principle

當(dāng)在動梁上的鋼卷前端朝運行方向通過光電開關(guān)時，光電開關(guān)反饋數(shù)據(jù)，鋼卷繼續(xù)前進，當(dāng)該鋼卷后端再次通過光電開關(guān)時，光電開關(guān)再次反饋數(shù)據(jù)。由此，通過系統(tǒng)計算這些反饋和攔截數(shù)據(jù)，可以得到精確的鋼卷寬度和鋼卷中心偏差。系統(tǒng)工作原理框架圖如圖4所示，鋼卷寬度Wc為：

圖4 系統(tǒng)工作原理框架圖Figure 4 Block diagram of system working principle

Wc=L2-L1

(2)

由式(2)得鋼卷中心偏差Dc為：

Dc=L3-L1-(Wc/2)

(3)

L1為鋼卷前端達到光電開關(guān)距離；L2為鋼卷后端達到光電開關(guān)距離；L3為從No.11鋼卷工位到光電開關(guān)固定距離。

從式(2)和式(3)，系統(tǒng)計算±Dc數(shù)據(jù)，當(dāng)Dc>0，鋼卷放置在對中裝置上，系統(tǒng)反饋給對中裝置中的對中編碼器，驅(qū)動對中油缸回程，向后移動│Dc│距離，直至編碼器計數(shù)達到│Dc│數(shù)據(jù)，停止滑動鞍座移動，對中裝置完成鋼卷寬度和對中功能。反之，Dc<0，系統(tǒng)驅(qū)動對中油缸沖程，向前移動│Dc│距離，直至編碼器計數(shù)達到│Dc│數(shù)據(jù)，停止滑動鞍座移動，對中裝置完成鋼卷對中功能。等待動梁提升接收鋼卷。

當(dāng)動梁提升接收對中裝置上的鋼卷后，在Dc>0情況下，系統(tǒng)反饋給對中油缸，驅(qū)動對中油缸沖程，直至達到鞍座后的接近開關(guān)檢測點，停止油缸動作，此時，滑動鞍座中心線與固定鞍座中心線重合，回到初始位置。同理，在Dc<0情況下，對中油缸回程，通過接近開關(guān)檢測，直至滑動鞍座中心線與固定鞍座中心線重合，回到初始位置。

針對改造后設(shè)計的對中裝置進行了Inventor三維仿真設(shè)計，如圖5，利用可視化三維軟件，更加直觀地驗證了改造設(shè)計的合理性。

圖5 對中裝置Inventor三維仿真Figure 5 Inventor 3D simulation of centering device

改造后的鋼卷對中裝置在現(xiàn)場運用，并采集了鋼卷偏心距數(shù)據(jù)，多次運行后的鋼卷偏心距散點浮動圖如圖6。根據(jù)圖表可見，改造后的鋼卷對中裝置鋼卷偏心距散點分布在28 mm平均線左右，對中精度約±30 mm，改造前對中精度±50 mm，改造后大大提高了對中精度。

圖6 改造后對中裝置對中偏心距Figure 6 Centering eccentric distance of centering device after renovation

綜合上述，改造后的對中裝置在結(jié)構(gòu)上解決了滑動鞍座運行不穩(wěn)定性和卡頓等問題，在自動控制系統(tǒng)上，利用安全精確的自動化程序控制代替了人工糾偏操作。同時，降低了備件消耗，提高了機組生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

以某酸軋線入口步進梁鋼卷對中裝置為研究對象，介紹了現(xiàn)有鋼卷對中裝置存在的問題，分析研究滑動鞍座結(jié)構(gòu)和自動控制工作原理的特性，基于Inventor三維仿真設(shè)計了鋼卷自動對中裝置，在實踐中驗證了對中裝置的合理性和有效性。改進后，減少了檢修時間，避免了由于對中精度過大而引起的掉卷或開卷機開卷等安全問題，大大提高了生產(chǎn)效率，保證了生產(chǎn)機組安全有效地穩(wěn)定運行。