飛剪廢料捕捉器設(shè)計計算

陳功彬 郭建強 桑孔超

(1：寶武集團廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司 廣東韶關(guān) 512123；2:北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司軋鋼分公司 北京100029)

1 前言

在高速線材生產(chǎn)線，飛剪是不可缺少的重要設(shè)備，飛剪位于精軋機前，是負責(zé)軋制中切頭，切尾和事故碎斷的主要設(shè)備，并且在工作時處于髙速運轉(zhuǎn)狀態(tài)，控制精度要求較高[1]。位于飛剪機出口側(cè)后方的出口導(dǎo)槽裝置，則是負責(zé)剪后的軋件導(dǎo)向。然而，在實際生產(chǎn)中，飛剪機切頭時,鋼頭在慣性作用下會以微大于軋件的速度向前飛行,往往不會按照預(yù)設(shè)軌跡落入飛剪機下方的溜槽裝置中，而是隨著軋件繼續(xù)向前運動，從而飛入導(dǎo)槽，堵住軋件運行的軋制通道,產(chǎn)生卡鋼、堆鋼事故，嚴重影響生產(chǎn)線的正常運行[2]。

為了有效消除這一現(xiàn)象，需要在出口導(dǎo)槽裝置上增加廢料捕捉器，通過電氣控制，廢料捕捉器可以有效的截住切頭，切尾廢料，將其拍打進飛剪機下方的溜槽中，保證出口導(dǎo)槽的暢通，從而保證飛剪機的正常運行。

2 裝置結(jié)構(gòu)介紹

如圖1所示，該廢料捕捉器由傳動裝配、連桿裝配、擺臂、伺服電機、減速機、聯(lián)軸器以及制動器等部分組成。

圖1 出口導(dǎo)槽裝配示意圖

設(shè)備運行過程中，飛剪機切掉的廢料將從左邊飛入導(dǎo)槽本體。當(dāng)料頭行進到一定距離時，PLC給伺服電機發(fā)送啟動指令，伺服電機通過減速機、聯(lián)軸器帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，傳動軸聯(lián)接連桿裝配帶動擺臂繞擺臂軸上下擺動，將廢料截住并拍打進位于出口導(dǎo)槽下方的收集裝置中。

3 計算與分析

3.1 運動過程描述

捕捉器擺臂的運動過程如圖2所示，伺服電機軸的運動過程如圖3所示。當(dāng)電機軸位于圖3所示的位置“D”時，擺臂位于初始位置“d”，如圖2所示，也是擺臂所處的最低位置。當(dāng)熱鋼坯行進到金屬探測器HMD時，說明飛剪即將進行“切頭”作業(yè)，捕捉器需要進入準備狀態(tài)，PLC給伺服電機發(fā)出啟動指令，伺服電機逆時針轉(zhuǎn)過α并停在“A’”位等待下次指令，擺臂在伺服電機帶動下由最低位置向上運動至位置“a”，即擺臂即將進行拍打作業(yè)的初始位置。

圖2 擺臂運動過程示意圖

圖3 電機轉(zhuǎn)動過程示意圖

表1 伺服電機角度參數(shù)表(數(shù)據(jù)來源于某工程)

熱鋼坯行進到HMD的同時，測長編碼器開始計數(shù)，經(jīng)過t1秒延時，PLC向伺服電機發(fā)出啟動指令，伺服電機逆時針加速轉(zhuǎn)過β，由“A’”轉(zhuǎn)到位置“B”，擺臂在電機帶動下由位置“a”加速運動到位置“b”，此時擺臂到達最高位置；伺服電機繼續(xù)加速轉(zhuǎn)過γ，擺臂由最高位繼續(xù)加速但反向運動，回到位置“a”，飛剪機切除的頭部廢料大約在該位置被截住。然后伺服電機開始勻速轉(zhuǎn)過θ1,到達位置“C”，最終減速轉(zhuǎn)過θ2后停在位置“D”。在伺服電機帶動下，擺臂從“a”處勻速向下運動至其水平位置“c”，此后減速運動至最低位“d”停止，等待下次動作。

當(dāng)測長編碼器開始計數(shù)并延時t2秒后，PLC給伺服電機發(fā)動啟動指令，伺服電機順時鐘加速轉(zhuǎn)過θ2到達位置“C”，同時擺臂在電機帶動下也加速運行至水平位置。接下來，電機軸勻速轉(zhuǎn)過θ1到達位置“A”，帶動擺臂以恒定速度向上運動至位置“a”，確保捕捉器在電氣控制下將飛剪機切除的尾部廢料攔截。最終，電機軸減速轉(zhuǎn)過β+γ后停在位置“A’”，而擺臂則在伺服電機作用下，完成一次“a-b-a”的往返擺動，即當(dāng)前軋件的尾端通過擺臂以后，擺臂最終?；亍癮”位置，準備進行下一次作業(yè)。

3.2 控制過程計算

在工作過程中，捕捉器不僅要保證把切頭、切尾的廢料順利拍進溜槽中，防止廢料進入出口導(dǎo)槽；還要確保整個動作過程，不影響軋件的正常運行；這對捕捉器的動作精度要求很高。而捕捉器的動作過程由伺服電機控制，因此伺服電機的選擇，是該裝置能夠成功作業(yè)的關(guān)鍵。具體控制過程計算如下：

已知剪刃中心線到翻板水平尖端的距離為X；軋件的運行速度為a；

切除頭部廢料的軋件從剪機中心運行到切頭捕捉器前端的時間如下：

捕捉器從位置“a”勻速運動到水平位置(即軋制中心線)，伺服電機需從圖3所示的位置“A”運動至位置“C”，電機軸勻速轉(zhuǎn)過角度為θ1，即：

為了確保切頭后的軋件無障礙通過出口導(dǎo)槽，此時擺臂尖端必須低于軋制中心線，也就是說擺臂從位置“a”運動到位置“c”所用的時間必須小于軋件到達擺臂前端所花費的時間。

該情況下，電機的最低轉(zhuǎn)速為：

當(dāng)捕捉器從位置“a”經(jīng)過位置“c”，最終停在位置“d”，此時電機軸轉(zhuǎn)過的角度為(θ1+θ2)，即：

假如切頭后的軋件到達捕捉器尖端位置時，擺臂停在終點位置，此時電機的轉(zhuǎn)速為：

即伺服電機可能的最大轉(zhuǎn)速。

值得注意的是，擺臂從初始位置“a”開始加速，進行“a-b-a”往復(fù)運動，而并非一開始就停在最高位置“b”,從最高位開始加速，就是為了為伺服電機留有足夠的加速時間，使其能夠獲得足夠大的轉(zhuǎn)速。

3.3 結(jié)果與分析

以西門子電機為例，根據(jù)上述運動過程的計算結(jié)果進行電機選型?？紤]到該裝置對控制精度要求高，選擇能滿足高精度的伺服電機[3]。首先，為滿足捕捉器的運行速度，伺服電機的轉(zhuǎn)速必須能夠覆蓋445rpm～870rpm；參考西門子伺服電機選型手冊，選擇額定轉(zhuǎn)速1500rpm的電機，滿足轉(zhuǎn)速要求。其次，需要計算帶動捕捉器運轉(zhuǎn)所需的扭矩。傳統(tǒng)的手工計算，首先要做出機構(gòu)簡圖，套用各種力學(xué)公式以及平面幾何的概念，再根據(jù)結(jié)果描繪所需各種曲線。因模型已簡化成為最基本的桿單元，計算工程中數(shù)值近似取證等問題，造成得出的結(jié)果只能作為理論值，和實際還有一定差別。同時，由于傳統(tǒng)算法，手算量大，易出現(xiàn)人為計算的紕漏，最終容易造成設(shè)計誤差[4]。因此，如圖4所示，本文采用三維模型運動仿真的方法確定電機最小扭矩。

圖4 捕捉器部分三維模型

首先用INVENTOR建立零件的三維模型，裝配后根據(jù)零件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系創(chuàng)建約束條件，然后在“環(huán)境”選項中運行“運行仿真”，在傳動軸上添加扭矩，通過改變扭矩大小進行仿真實驗，最終確定96N·m可以帶動負載滿足條件地運轉(zhuǎn)。

因此，最終確定伺服電機型號為1PH8133-1DF12-1BA1，該電機功率為15kW，電機額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，可保持恒定功率輸出的最大轉(zhuǎn)速為5500rpm,輸出扭矩為96N·m。

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)廢料捕捉裝置的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合飛剪機的切頭、切尾功能，做運動過程的詳細分析，并對裝置控制部分進行有效的算，根據(jù)計算結(jié)果選擇合適的電控設(shè)備，才能夠保證該裝置的正確運行，從而實現(xiàn)廢料捕捉拍打，進而消除飛剪機出口導(dǎo)槽的堆鋼、卡鋼現(xiàn)象。除了本文中所涉及的計算外，還需要在實際生產(chǎn)過程中，根據(jù)具體情況，對控制部分進行調(diào)試，以達到捕捉器的最佳運行狀態(tài)。總之，該捕捉裝置能夠解決生產(chǎn)運行中的實際問題，有效地提高飛剪機的運行效率。