鋼水檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置的研究

劉 勇，郭 強(qiáng)，王孝軍

(山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 前言

鋼鐵行業(yè)煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中，需要對(duì)鋼水進(jìn)行測(cè)溫和取樣分析，傳統(tǒng)方式是工人站在爐口手持測(cè)槍、安裝檢測(cè)棒(其上安裝有熱電偶或取樣器)、將檢測(cè)棒插入1 600℃以上的鋼水中進(jìn)行測(cè)溫取樣、拆除檢測(cè)棒[1-5]。由于測(cè)溫取樣工作頻繁重復(fù)，比如LF精煉爐每個(gè)冶煉周期就需要6至8次測(cè)溫取樣工作，這種傳統(tǒng)方式工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，并且存在很大的人身安全隱患[6-8]。

近年來(lái)，隨著鋼鐵行業(yè)智能化發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn)，機(jī)器人技術(shù)在鋼鐵行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[9-12]，鋼水機(jī)器人自動(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)因此應(yīng)運(yùn)而生。

1 鋼水機(jī)器人自動(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)

鋼水機(jī)器人自動(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)主要包括機(jī)器人、檢測(cè)棒輸出裝置、測(cè)槍等，如圖1所示[13-17]。檢測(cè)棒輸出裝置可以把檢測(cè)棒擺放到確定位置，便于測(cè)槍準(zhǔn)確可靠地插入到檢測(cè)棒內(nèi)孔中，同時(shí)可以暫存一定數(shù)量的檢測(cè)棒。系統(tǒng)工作時(shí)，機(jī)器人手臂帶動(dòng)測(cè)槍運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)棒輸出裝置處，測(cè)槍插取一只檢測(cè)棒，然后將檢測(cè)棒插入鋼水中進(jìn)行測(cè)溫取樣。

圖1 鋼水機(jī)器人自動(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)示意圖

2 檢測(cè)棒輸出裝置存在的問(wèn)題

鋼水檢測(cè)棒為一次性耗材，除其頭部的熱電偶或取樣器外，主體部分是紙板做成的中空細(xì)長(zhǎng)管套結(jié)構(gòu)[18]，密度較小，表面較粗糙，容易變形或折彎，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸出比較困難。

目前，大部分檢測(cè)棒輸出裝置為具有動(dòng)力的箱型設(shè)備[13-16]，其驅(qū)動(dòng)部件和傳動(dòng)部件繁多，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還設(shè)有多處檢測(cè)控制元件，控制程序繁瑣。這類(lèi)檢測(cè)棒輸出裝置可以一次性裝入幾十只檢測(cè)棒暫存，但因結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易發(fā)生檢測(cè)棒跑偏、卡阻等問(wèn)題，故障率高，制造和維修成本也高。

部分鋼水機(jī)器人自動(dòng)測(cè)溫取樣系統(tǒng)沒(méi)有檢測(cè)棒輸出裝置，取而代之的是一臺(tái)安裝有特制夾具的機(jī)器人，以此實(shí)現(xiàn)檢測(cè)棒自動(dòng)抓取和拆裝[19,20]，這種方案需要另外配備檢測(cè)棒暫存裝置，成本高昂，不利于鋼廠降本增效。

還有部分鋼廠由工人細(xì)致地將檢測(cè)棒依次整齊擺放在檢測(cè)棒輸出裝置內(nèi)部，或者由人工對(duì)檢測(cè)棒進(jìn)行拆裝，沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且有一定的安全隱患。

3 檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置

3.1 結(jié)構(gòu)組成

鋼水檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置是由側(cè)擋板、裝棒框、導(dǎo)向板、連接固定桿件、V型導(dǎo)向塊、U型卸棒塊等組成的箱型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋼水檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置結(jié)構(gòu)示意圖

兩側(cè)擋板為支撐部件，分別置于鋼水檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置的左右兩側(cè)。連接固定桿件的兩端分別固定在兩側(cè)擋板上，并穿過(guò)導(dǎo)向板上的孔以支撐導(dǎo)向板。兩導(dǎo)向板安裝于兩側(cè)擋板之間的適當(dāng)位置，其上設(shè)置有曲線形導(dǎo)槽，曲線形導(dǎo)槽的下部設(shè)有豎向缺口。裝棒框由連接固定桿件鉸鏈在側(cè)擋板上部距導(dǎo)向板上邊適當(dāng)距離的位置，裝棒框由半槽形構(gòu)件和鉸鏈在半槽形構(gòu)件上部的方形框組成，方形框可繞鉸鏈軸上下轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)方形框繞鉸鏈軸轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置時(shí)，與半槽形構(gòu)件構(gòu)成水平U型裝棒槽。在鋼水檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置的下部右側(cè)正對(duì)曲線形導(dǎo)槽最末端檢測(cè)棒的位置，設(shè)有V型導(dǎo)向塊，便于機(jī)器人手臂上的測(cè)槍準(zhǔn)確插入到檢測(cè)棒內(nèi)孔中。在V型導(dǎo)向塊一側(cè)設(shè)有U型卸棒塊，測(cè)溫取樣完成后通過(guò)U型卸棒塊將燒損的檢測(cè)棒從測(cè)槍上脫除下來(lái)。

3.2 工作過(guò)程

在需要裝入檢測(cè)棒時(shí)，首先人工把方形框向上掀起，此時(shí)方形框下面形成空位；接著把多只檢測(cè)棒放入方形框向上掀起而形成的空位內(nèi)，檢測(cè)棒靠其自身重力并在人工稍作輔助的情況下，平鋪到裝棒框的水平U型裝棒槽處；待檢測(cè)棒裝滿(mǎn)水平U型裝棒槽后，將方形框向下翻轉(zhuǎn)至與半槽型構(gòu)件結(jié)合的位置；人工掀起裝棒框，當(dāng)裝棒框向上旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，由于重力作用測(cè)溫棒從裝棒框的水平U型裝棒槽中依次流入到導(dǎo)向板上的曲線形導(dǎo)槽中；當(dāng)曲線形導(dǎo)槽中充滿(mǎn)檢測(cè)棒時(shí)停止裝棒，這樣就實(shí)現(xiàn)了鋼水檢測(cè)棒單層整齊排列在曲線形導(dǎo)槽中。

當(dāng)需要對(duì)鋼水進(jìn)行測(cè)溫取樣時(shí)，機(jī)器人手臂上的測(cè)槍在V型導(dǎo)向塊的引導(dǎo)下插入到曲線形導(dǎo)槽最末端的檢測(cè)棒內(nèi)孔中；插入到位后，測(cè)槍帶動(dòng)檢測(cè)棒向上移動(dòng)，從曲線形導(dǎo)槽下部的豎向缺口中移出；當(dāng)取走曲線形導(dǎo)槽最末端的檢測(cè)棒后，由于重力作用，前面的檢測(cè)棒會(huì)自動(dòng)填充到被取走的檢測(cè)棒的位置，依次循環(huán)；當(dāng)曲線形導(dǎo)槽中的檢測(cè)棒減少到一定數(shù)量時(shí)，需要用裝棒框向曲線形導(dǎo)槽中補(bǔ)充檢測(cè)棒；當(dāng)鋼水測(cè)溫取樣完成后，機(jī)器人手臂上的測(cè)槍帶動(dòng)燒損的檢測(cè)棒卡入到U型卸棒塊的U型槽中，測(cè)槍向后運(yùn)動(dòng)，U型卸棒塊U型槽通過(guò)阻擋作用將燒損的檢測(cè)棒從測(cè)槍上脫除下來(lái)。

3.3 曲線形導(dǎo)槽傾角

為了便于操作使用，檢測(cè)棒裝入頻率不能太高，即檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置應(yīng)具有一定的檢測(cè)棒暫存容量。在檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置的尺寸一定的前提下，曲線形導(dǎo)槽傾斜部分的傾角α的大小決定了檢測(cè)棒暫存容量，如圖2c所示。傾角α過(guò)大導(dǎo)致暫存容量太小，傾角α過(guò)小檢測(cè)棒不能順利沿曲線形導(dǎo)槽滾下輸出。

根據(jù)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)原理，傾角α的大小應(yīng)能保證檢測(cè)棒沿曲線形導(dǎo)槽傾斜部分向下的驅(qū)動(dòng)力矩大于滾動(dòng)阻力矩，這樣才能順利輸出檢測(cè)棒。根據(jù)下式計(jì)算傾角α的大小[21]。

GD/2·sinα>Gμkcosα

(1)

式中，G為檢測(cè)棒重力；D為檢測(cè)棒主體部分外徑；μk為檢測(cè)棒與導(dǎo)向板之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)。

本研究中檢測(cè)棒主體部分外徑D為2.8 cm，檢測(cè)棒與導(dǎo)向板之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)μk取0.2～0.3 cm，經(jīng)計(jì)算可得傾角α>8～12°。

3.4 曲線形導(dǎo)槽寬度

當(dāng)檢測(cè)棒沿曲線形導(dǎo)槽依次滾下時(shí)，如圖3所示，一號(hào)檢測(cè)棒就位后，二號(hào)檢測(cè)棒因沖擊作用可能會(huì)彈跳到圖3中位置。如果三號(hào)檢測(cè)棒來(lái)到圖3中位置之前，二號(hào)檢測(cè)棒不能滑落并與曲線形導(dǎo)槽下緣接觸，就會(huì)發(fā)生圖3中的檢測(cè)棒疊摞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致檢測(cè)棒跑偏、卡阻。根據(jù)力學(xué)及幾何學(xué)原理，可按式(2)、(3)計(jì)算曲線形導(dǎo)槽寬度最大值[21]。

圖3 曲線形導(dǎo)槽寬度計(jì)算示意圖

Gsinβ>Gμcosβ

(2)

H-D=Dcos(α+β)

(3)

式中，β為二號(hào)檢測(cè)棒重力與其對(duì)一號(hào)檢測(cè)棒壓力的夾角；μ為檢測(cè)棒之間的摩擦系數(shù)；H為曲線形導(dǎo)槽寬度。

檢測(cè)棒之間的摩擦系數(shù)μ取0.4～0.6，經(jīng)計(jì)算可得曲線形導(dǎo)槽寬度H<1.7D～1.8D。

曲線形導(dǎo)槽寬度最小值應(yīng)大于檢測(cè)棒主體部分外徑，才能保證可以順利容納檢測(cè)棒。因此，曲線形導(dǎo)槽的寬度取值范圍為D

3.5 檢測(cè)棒就位及補(bǔ)充檢測(cè)

鋼水檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置設(shè)置兩只檢測(cè)元件：一只檢測(cè)元件用于檢測(cè)曲線形導(dǎo)槽最末端的檢測(cè)棒是否在位，以保證鋼水測(cè)溫取樣時(shí)機(jī)器人手臂上的測(cè)槍能順利取走檢測(cè)棒，以完成測(cè)溫取樣；另一只檢測(cè)元件用于檢測(cè)曲線形導(dǎo)槽最末端前面第若干只檢測(cè)棒是否在位，以提前告知曲線形導(dǎo)槽中的檢測(cè)棒是否將用盡，是否需要補(bǔ)充檢測(cè)棒。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋼水檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置不需要驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；可以批量投放檢測(cè)棒并暫存，效率高；檢測(cè)棒靠自身重力作用并在曲線形導(dǎo)槽導(dǎo)引下，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)輸出，不易發(fā)生跑偏、卡阻等現(xiàn)象。

隨著鋼鐵行業(yè)的智能化、高質(zhì)化發(fā)展，鋼水機(jī)器人自動(dòng)測(cè)溫取樣技術(shù)必將獲得更大發(fā)展。鋼水檢測(cè)棒無(wú)動(dòng)力自動(dòng)輸出裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠、效率高，對(duì)鋼水機(jī)器人自動(dòng)測(cè)溫取樣技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用具有重要促進(jìn)作用。