軋鋼生產(chǎn)線加熱爐前輥道上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

牛怡珺

（重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

引言

線材、棒材、型材軋制過程就是將一定規(guī)格長度的鋼坯經(jīng)過加熱爐加熱到1 100～1 150℃軋制溫度后，經(jīng)過一系列軋制工藝過程，最后形成符合一定性能尺寸要求的線材、棒材或型材。加熱爐前設(shè)備一般由儲(chǔ)料冷床，入爐輥道，從儲(chǔ)料冷床到入爐輥道的上料設(shè)備，固定擋板和升降擋板等組成。其中上料機(jī)構(gòu)的選型，每位用戶都會(huì)根據(jù)各自生產(chǎn)工藝的要求進(jìn)行反復(fù)研究，慎重選擇。目前上料設(shè)備的主要形式包括四連桿平托移動(dòng)式機(jī)和旋轉(zhuǎn)平托式上料機(jī)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

液壓式推鋼機(jī)（圖1－1）優(yōu)點(diǎn)：上料及落料過程比較平穩(wěn)，工作現(xiàn)場噪音小。缺點(diǎn)：設(shè)備電氣控制復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)軌跡固定不能調(diào)整，設(shè)備布置空間大。四連桿平托移動(dòng)式機(jī)構(gòu)（圖1－2）優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)軌跡固定不能調(diào)整，容易拉傷鋼坯表面［1］，工作現(xiàn)場噪音大。旋轉(zhuǎn)平托式上料機(jī)構(gòu)（圖1－3）優(yōu)點(diǎn)：該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)二維平面的運(yùn)動(dòng)，適合大型鋼坯的工況。缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)副多，故障點(diǎn)多，設(shè)備復(fù)雜、重量重。

圖1 常用上料設(shè)備

劉慶祖在文章上料臺(tái)架的機(jī)構(gòu)分析與計(jì)算中介紹了一種由曲軸帶動(dòng)的鋼坯上料臺(tái)架［2］，Wang，C.Z.1Song，J.C.2在文章 Material uninterrupted feeding technology and feeding speed control research of large electroslag remelting furnace中研究了實(shí)現(xiàn)上料機(jī)構(gòu)不間斷上料的技術(shù)及其速度控制［5］，Arafa1，H.在文章Design of Feeding Mechanism for Machine Tools中介紹了一種由齒輪載荷的多少?zèng)Q定導(dǎo)軌路線的上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本文主要研究一種新型的上料機(jī)構(gòu)，設(shè)備特點(diǎn)：由機(jī)、電、液高度配合經(jīng)過PLC控制來實(shí)現(xiàn)將鋼坯從儲(chǔ)料冷床平穩(wěn)準(zhǔn)確地移送到入爐輥道。

1 上料機(jī)構(gòu)的方案原理

1.1 上料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理

目標(biāo)設(shè)計(jì)的上料機(jī)構(gòu)在軋鋼生產(chǎn)線將要運(yùn)載規(guī)格為120mm×120mm×12 000mm質(zhì)量為1 356kg的鋼坯，機(jī)構(gòu)上的托盤水平移動(dòng)距離為585mm，上下移動(dòng)距離300mm，根據(jù)平面連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的原理［4］，采取機(jī)械式托料方式，上料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 上料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

上料機(jī)構(gòu)機(jī)械部分由序號(hào)4升降油缸，序號(hào)5構(gòu)件，序號(hào)6平移油缸，序號(hào)7滑塊組成。C點(diǎn)為移動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)序號(hào)4升降油缸工作過程，可推動(dòng)構(gòu)件5圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)副A擺動(dòng)；D點(diǎn)移動(dòng)副表示序號(hào)6平移油缸工作過程，可推動(dòng)滑塊7沿著構(gòu)件5（導(dǎo)桿）移動(dòng)；序號(hào)7滑塊為上料機(jī)構(gòu)托盤。

1.2 上料機(jī)構(gòu)液壓控制

上料機(jī)構(gòu)的工作過程，由升降油缸和上料平移油缸協(xié)調(diào)配合來實(shí)現(xiàn)，升降油缸液壓原理圖如圖3所示。

圖3 升降油缸液壓原理圖

序號(hào)19為升降油缸共4臺(tái)；序號(hào)20為液壓同步馬達(dá)；序號(hào)21為電液控制閥組。要點(diǎn)是通過液壓同步馬達(dá)，保證4臺(tái)升降油缸同步升降。電液控制閥組控制4臺(tái)升降油缸同時(shí)動(dòng)作。

圖4 上料平移油缸液壓原理圖

序號(hào)22為平移油缸，共4臺(tái)；序號(hào)23為液壓同步馬達(dá)；序號(hào)24為電液控制閥組。要點(diǎn)是通過液壓同步馬達(dá)，保證4臺(tái)平移油缸同步移動(dòng)。電液控制閥組控制4臺(tái)平移油缸同時(shí)動(dòng)作。

1.3 上料機(jī)構(gòu)電氣控制

上料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理（如圖2所示），序號(hào)4升降油缸運(yùn)動(dòng)軌跡為上中下3個(gè)位置分別對(duì)應(yīng)軌跡點(diǎn)A、B、D，分別由3個(gè)接近開關(guān)檢測。序號(hào)6平移油缸有兩個(gè)極限位置分別由2個(gè)接近開關(guān)檢測。檢測信號(hào)反饋到PLC控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制功能，電氣控制原理圖如下頁圖5所示。

電氣控制原理動(dòng)作說明：

1）上料托盤由初始停止位SQ1上升至SQ2（上料位置），停留0.5s。

圖5 電氣控制框圖

2）上料托盤上升至SQ3停止，然后退至SQ4停止。

3）上料托盤下降至入爐輥道位置SQ5，完成落料工作。

4）上料托盤下降至SQ1初始停止位，然后回退50mm。

1.4 上料機(jī)構(gòu)設(shè)備總體布置

上料機(jī)構(gòu)設(shè)備總體布置圖如圖6所示。

圖6 上料機(jī)構(gòu)設(shè)備總體布置圖

圖中序號(hào)14為上料機(jī)構(gòu)，共布置有4臺(tái)；序號(hào)15為鋼坯檢測儀，共2套；序號(hào)16為入爐輥道；序號(hào)17為鋼坯料，規(guī)格120mm×120mm×12 000 mm；序號(hào)18為鋼坯儲(chǔ)料床。

當(dāng)2套鋼坯檢測儀同時(shí)檢測到入爐輥道沒有鋼坯信號(hào)時(shí)，電氣控制系統(tǒng)發(fā)出上料指令，這時(shí)上料機(jī)構(gòu)按照運(yùn)動(dòng)軌跡完成一套上料動(dòng)作，完成上料動(dòng)作后，如果鋼坯檢測儀仍然沒有鋼坯料信號(hào)時(shí)，說明上料失敗，這時(shí)仍然按照運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行上料動(dòng)作。如果鋼坯檢測儀檢測到鋼坯信號(hào)后，上料動(dòng)作停止，入爐輥道啟動(dòng)將鋼坯料送進(jìn)加熱爐，鋼坯檢測儀發(fā)出無料信號(hào)后，上料機(jī)構(gòu)工作，保證入爐輥道一直有料備用。

2 上料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑分析

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)路徑分析如圖7所示，其中序號(hào)1為儲(chǔ)料冷床，功能：進(jìn)入加熱爐的鋼坯料，首先要儲(chǔ)存在該冷床上；序號(hào)2表示上料機(jī)構(gòu)將坯料從序號(hào)1儲(chǔ)料冷床移動(dòng)到序號(hào)3入爐輥道設(shè)備的過程；序號(hào)3為入爐輥道：電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，功能是將鋼坯料按生產(chǎn)工藝要求加熱爐。

圖7 上料機(jī)構(gòu)功能示意圖

其中上料機(jī)構(gòu)為關(guān)鍵設(shè)備，由于上料機(jī)構(gòu)不同的選型將直接影響入爐區(qū)設(shè)備的整體布局及相關(guān)設(shè)備的控制方式。

圖8 上料機(jī)構(gòu)托盤運(yùn)動(dòng)路徑分析

序號(hào)8為上料托盤等待上料位置；序號(hào)9為上料托盤上料中間位置；序號(hào)10為上料托盤上料位置；序號(hào)11為上料托盤托料最高位置；序號(hào)12為上料橫移位置；序號(hào)13為上料機(jī)構(gòu)托盤落料后托盤最低位置。上料機(jī)構(gòu)托盤上升由升降油缸來實(shí)現(xiàn)，上料機(jī)構(gòu)托盤橫移由平移油缸來實(shí)現(xiàn)，上料托盤運(yùn)動(dòng)路徑如圖8、9所示。

圖9 上料托盤運(yùn)動(dòng)路徑圖

A點(diǎn)為上料托盤原始位置，上料托盤運(yùn)動(dòng)軌跡為A→B→C→D→E→F→A由此完成一次上料循環(huán)。

3 結(jié)語

本文提出了一種集機(jī)、電、液一體化的軋鋼生產(chǎn)線加熱爐前輥道上料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，完成了工作原理的分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，液壓控制原理和載荷計(jì)算以及電氣控制的原理動(dòng)作設(shè)計(jì)分析，該機(jī)構(gòu)具有自動(dòng)檢測和識(shí)別工作對(duì)象的功能，根據(jù)檢測和識(shí)別的結(jié)果自行做出下一步動(dòng)作的決策的特點(diǎn)。通過該上料機(jī)構(gòu)在軋鋼生產(chǎn)線的使用效果表明，該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)鋼坯及輥道沖擊小、噪音低，使用情況理想。本文通過對(duì)軋鋼生產(chǎn)線加熱爐前輥道上料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高了上料能力和上料速度，同時(shí)達(dá)到了節(jié)能的效果，適應(yīng)現(xiàn)代化軋鋼的需要，在裝備制造業(yè)同類型的使用場合中具有借鑒及實(shí)用價(jià)值，對(duì)現(xiàn)代化生產(chǎn)有著重要的意義。

［1］ 曹丙起，曹玥.鋼坯上料臺(tái)架的分析與改造［J］.天津冶金，2010（3）：51.

［2］ 劉慶祖.上料臺(tái)架的機(jī)構(gòu)分析與計(jì)算［J］.設(shè)計(jì)技術(shù)，2006（3）：32－33.

［3］ 黃茂林.機(jī)械原理［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］ 高建發(fā)，鄧?yán)栌拢瑥垙┍?，?PLC在加熱爐自動(dòng)送料系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電氣自動(dòng)化，1995（3）：53.

［5］ Wang，C.Z.1Song，J.C.2“Material uninterrupted feeding technology and feeding speed control research of large electroslag remelting furnace［J］.Proceedings of China Modern Logistics Engineering Lecture Notes in Electrical Engineering Volume，2015，286：40－42.