冷彎型鋼方矩管收集裝置的自動化改造

張 偉

山西鋼鐵建設(shè)(集團(tuán))有限公司 山西 太原 030000

一、前言

中國作為目前最大冷彎型生產(chǎn)基地之一。主要有兩大系列:第一,不銹鋼冷彎型鋼產(chǎn)品,主要負(fù)責(zé)鐵路客車和動車上下墻板,地鐵車輛不銹鋼底架邊梁、頂棚上弦梁、波紋地板、波紋頂板、側(cè)頂板、窗上板等產(chǎn)品。第二,碳鋼冷彎型鋼產(chǎn)品,通常包括工程機(jī)械及塔吊型材、汽車改裝、鐵路貨車型材、集裝箱、重載汽車、物流設(shè)備、建筑鋼板樁等產(chǎn)品。同時,冷彎型鋼項目作為我公司主要的鋼材深加工項目,其焊接技術(shù)、控制調(diào)整技術(shù)、成型技術(shù)在國內(nèi)一直位于頂尖水平。但由于方矩管收集方式過于滯后,仍然利用翻管機(jī)來將軌道上的方管運輸?shù)焦ぷ魅藛T面前,提供給工作人員收集,再對其進(jìn)行人工打包,自動化程度較低,根本無法確保工作效率。基于此,本文通過分析方矩形管成形的關(guān)鍵技術(shù),有利于工作人員能真正掌握建設(shè)方矩形管收集裝置的基礎(chǔ),再從不同方面來分析方矩形管收集裝置自動化改造中存在的問題,從而針對問題提出有效解決措施,來提升方矩形管收集裝置的工作效果[1]。

二、方矩形管成形的關(guān)鍵技術(shù)

(一)方矩形管成形的CAD/CAE技術(shù)

方矩形管冷彎成形工藝的軋輥設(shè)計在整個生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié),是利用計算機(jī)技術(shù)為載體,能有效精細(xì)化軋輥輪廓,控制軋輥設(shè)計時間,降低軋輥制造成本,讓方矩形管成形設(shè)計脫離設(shè)計者的工作經(jīng)驗。同時,COPRA RF軟件作為目前最先進(jìn)冷彎成型設(shè)計軟件,上海某公司通過購買兩套該軟件,實現(xiàn)方矩形管設(shè)計的自動化,從工藝設(shè)計到軋輥配置、自動出圖、成本核算等工作,都能采用軟件來進(jìn)行實施,不僅能有效提升設(shè)計效率,還能完成大量人工都無法實現(xiàn)的工作(如圖1所示)。

圖1 直接成方管的CAD設(shè)計

在傳統(tǒng)方矩形管產(chǎn)品開發(fā)過程中,需要注重依賴工程師的工作經(jīng)驗,不可避免需要經(jīng)過產(chǎn)品調(diào)試過程。通過利用有限元仿真技術(shù),能給產(chǎn)品開發(fā)工作提供多樣化方式,設(shè)計出來的軋輥和板帶材料能及時引入到有限元模型中,根據(jù)機(jī)組實際參數(shù)來準(zhǔn)確計算出機(jī)組荷載,并針對其成形結(jié)果來出具形象仿真結(jié)構(gòu)。同時,在軋輥進(jìn)行制作前,要提前實現(xiàn)計算機(jī)優(yōu)化功能,來解決未來設(shè)計中存在的問題,才能將整個調(diào)試過程完整的呈現(xiàn)在計算機(jī)上,特別是針對一些難度較大的截面設(shè)計和新材料方面,才能利用有限元仿真方式來進(jìn)行解決。

(二)高精度方矩形管成形技術(shù)

我國方矩形管經(jīng)歷過從無到有的過程,產(chǎn)品質(zhì)量呈現(xiàn)出逐年遞增的形式,隨著客戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提升,無形中推動生產(chǎn)廠家不斷優(yōu)化產(chǎn)品精度,從而滿足行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。針對該種情況,我們公司就結(jié)合企業(yè)實際情況,制定非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠髽I(yè)標(biāo)準(zhǔn),來滿足不同類型客戶的基本要求。在正常情況下,高精度方矩形管產(chǎn)品主要包括生產(chǎn)控制、成型工藝、原料、設(shè)備等環(huán)節(jié),為滿足客戶基本要求,企業(yè)構(gòu)建精度較高的截面冷彎成型生產(chǎn)線,整個生產(chǎn)線的產(chǎn)品尺寸精度能上升到上下0.05mm范圍內(nèi)[2]。同時,該條生產(chǎn)線具有快速換輥裝置、導(dǎo)柱式高剛度機(jī)架、插入式輥機(jī)架等(如圖2所示)。

圖2 高精度冷彎成型機(jī)組

(三)方矩形管柔性成形技術(shù)

通過利用直接成形方矩形管技術(shù),有利于實現(xiàn)軋輥公用,能根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行合理調(diào)整,在直接成形工藝基礎(chǔ)上,國內(nèi)很多制造企業(yè)都相繼研究出適用于方矩形管的新型機(jī)組。同時,在我國正式公布一種新型機(jī)組,主要包括軋輥、調(diào)整結(jié)構(gòu)、機(jī)架等環(huán)節(jié),整個機(jī)架呈現(xiàn)立式,調(diào)整結(jié)構(gòu)是通過利用兩組絲杠橫向安裝在機(jī)架兩端,絲桿一端上面設(shè)置有電機(jī),上下軋輥則是根據(jù)要求進(jìn)行依次布置,安裝在兩組絲桿中間,并在軋輥兩端分別設(shè)置滑座,且將軋輥和絲桿進(jìn)行固定。另外,軋輥兩段輥面的花鍵軸外套上和連接套相互連接,輥面被安裝在連接套中間,并且在輥面外側(cè)的連接套中安裝承載螺帽和軸承,用來作為固定作為,軸承外套用來連接絲桿和固定軋輥,整個連接體用螺帽進(jìn)行固定,工作人員將螺套根據(jù)正反原則扣在絲桿上,電機(jī)能帶動絲桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動,并合理調(diào)整軋輥間距,保證其能滿足不同程度厚度板材的成型[3]。

在信息化時代背景下,科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展,研究人員研究出新型軋機(jī)結(jié)構(gòu),非常適合應(yīng)用在加工軋件寬度變化幅度較大的浮動牌坊軋機(jī)中,在和軋件位置相同的固定牌坊間安裝軋輥浮動牌坊裝置,該裝置主要是由兩個上下軋輥浮動機(jī)構(gòu)成,主要包括偏心套、浮動牌坊、下輥套、寬度調(diào)整零件等環(huán)節(jié)組成,不僅能應(yīng)用在軋件寬度變化較多的軋制中,還能使用在軋制規(guī)格較小的方矩形管中。目前,我國冷彎成型方式有定半徑法、定長度法等類型,這些方面無法滿足方矩形管在厚度變化時彎曲精確度要求。因此,在創(chuàng)新軋機(jī)結(jié)構(gòu)過程中,要滿足不同尺寸、不同壁厚產(chǎn)品的基本要求,針對該種情況,研究人員提出利用外直線輪廓為固定交叉點的彎曲設(shè)計方式,這種方式不僅能滿足輥型公用要求,還要有利于工作人員及時調(diào)整柔性輥型系統(tǒng)的設(shè)計方式。通過利用該種方法,一旦板厚出現(xiàn)任何變化,輥型板厚能直接根據(jù)板厚差異值來進(jìn)行調(diào)整,而軸向方向能根據(jù)幾何關(guān)系進(jìn)行控制,孔型調(diào)整則能完成板料精確彎曲成型作用,在理論上能都完成實施。當(dāng)產(chǎn)品板厚出現(xiàn)不同程度變化時,孔型垂直方向會根據(jù)板厚差值來進(jìn)行控制,而水平橫向會結(jié)合厚度差和彎曲角度幾何關(guān)系來進(jìn)行[4]。

(四)高精度高矩形管檢測技術(shù)

目前,最常見的方矩形管檢測是利用角度尺、千分尺、量具卡尺作為主要工具,針對圓角環(huán)節(jié)的檢測,必須要進(jìn)行剖面投影;針對冷彎型產(chǎn)品,尤其是針對截型過于復(fù)雜的產(chǎn)品,要工作人員可通過桌面式輪廓掃描儀來進(jìn)行檢測。其能通過利用旋轉(zhuǎn)臺和傳感器來實現(xiàn)截面無接觸檢測,還能將肉眼可見截面實施圖形化,其具有較高的靈活性、精度等特征。因此,在檢測型材時,工作人員只需要將手放在旋轉(zhuǎn)型臺面上,將其旋轉(zhuǎn)360°,就能將整個型面輪廓掃描出來,并將所有掃描截面全部匯聚到同一輪廓上,并將其和預(yù)期的設(shè)計斷面進(jìn)行對比,從而準(zhǔn)確計算出型面出現(xiàn)的差異性,來判斷其是否超過預(yù)定值(如圖3所示)。

圖3 CORPA桌面截型掃描儀

三、方矩管收集裝置現(xiàn)狀和主要問題

首先,以往方矩管收集裝置需要耗費較高的人工成本、工作效率較慢,通常需要吊裝、收集、翻管每個崗位2人,總共需要耗費6個人員;在處理80方以下的產(chǎn)品生產(chǎn)時,出管速度雖然能達(dá)到25m/min,但由于后期需要人工進(jìn)行翻管和吊裝排管,整體速度較慢,會將出管速度制約在20m/min左右,會給機(jī)組生產(chǎn)效率帶來嚴(yán)重影響[5]。同時,傳統(tǒng)方矩管收集裝置會影響到整個產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量,在翻管機(jī)翻動管子和管子掉落時,很容易出現(xiàn)表面劃傷,給質(zhì)量帶來很多方面的問題,且其還存在安全風(fēng)險,一旦其出現(xiàn)側(cè)翻,會和其他物體形成碰撞,從而帶來打擊性傷害;其次,冷彎項目生產(chǎn)線自動化系統(tǒng)是利用西門子S7-300PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制,在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置ET200M站,確保MCC柜、變頻器裝置、控制箱間進(jìn)行相互溝通。但由于項目在施工過程中,電氣設(shè)施接地系統(tǒng)規(guī)范程度不足,導(dǎo)致其經(jīng)常出現(xiàn)電磁干擾問題,從而引起變頻器和PLC間出現(xiàn)嚴(yán)重的通訊故障,給企業(yè)生產(chǎn)效率帶來嚴(yán)重影響。但由于后期精整區(qū)域和前期成型區(qū)域并未有直接聯(lián)系,所以這次改造將會去掉整個精整區(qū)域ET200M站,利用S7-200和S7300來進(jìn)行控制精整區(qū)域,變頻器則是利用高精度電位器來控制傳送輥速度,通過輸入輸出模塊和現(xiàn)場控制元件來實現(xiàn)硬線連接,減低系統(tǒng)通信故障影響范圍,從而提升設(shè)備運行穩(wěn)定性;最后,原鏈床排管收集是在懸臂吊下部進(jìn)行排管打包處理,根本無法實現(xiàn)自動打包工序[6]。

四、方矩管收集裝置具體實施內(nèi)容

(一)工程設(shè)計

原設(shè)計:手動收集方管、飛鋸鋸切、手動打包鋼管、手動翻管下輥。

新設(shè)計:飛鋸鋸切、自動收集方管、檢測有管、托板抬管、推料1對齊、檢測鋼管支數(shù)、傳輸單排鋼管大鏈床、碼垛、推料2對齊、檢測鋼管排數(shù)、運輸出倉位、小鏈床運輸、運輸?shù)綑z測點、打包鋼管[7]。

(二)土建改造

在改造過程中,工作人員要將原來鏈床排氣管收集線上的輸送軌道、懸臂吊、碼垛等環(huán)節(jié)拆除,然后在輸送鏈床北側(cè)安裝碼垛收集器、液壓油缸、推料機(jī),將原來的鏈床改造成大小不同的階梯式鏈床,建立碼垛收集液壓基礎(chǔ),從而恢復(fù)混凝土路面的正常運行,提升道路兩側(cè)的安全性。

(三)電氣改造

首先,通過西門子S7-300PLC控制器來控制189線自動化控制系統(tǒng),并在工作現(xiàn)場設(shè)置ET200 M站,利用PROFIBUS-DP通信來保證操作臺、MMC柜、變頻器裝置、控制箱等設(shè)備實現(xiàn)相互溝通。但由于在項目施工階段電氣設(shè)備接地系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范程度不足,導(dǎo)致其經(jīng)常受到電磁干擾,在主系統(tǒng)中PLC和變頻器時常出現(xiàn)通訊故障,給生產(chǎn)效率帶來嚴(yán)重影響。針對這種情況,工作人員對其進(jìn)行多方面分析,發(fā)現(xiàn)后期精整環(huán)節(jié)和前期成型工藝環(huán)節(jié)并未有明顯聯(lián)系,及時將精整區(qū)域ET200 M站去掉,利用S7-200和S7-300兩個PLC控制其來控制整個精整環(huán)節(jié),保證變頻器能控制傳送輥運行速度,從而實現(xiàn)硬線相互連接,降低主系統(tǒng)通信故障影響范圍,從而提升設(shè)備運行穩(wěn)定性。其次,鏈床收集打包系統(tǒng)是將SIEMENS S7-200為主體,并結(jié)合現(xiàn)場需求,編制對應(yīng)的系統(tǒng)運行程序,來提升整套設(shè)備的穩(wěn)定性。同時,由于精整區(qū)域PLC模塊和現(xiàn)場控制單元距離較近,根本不需要利用網(wǎng)絡(luò)傳輸來進(jìn)行控制,并且經(jīng)過優(yōu)化后的精整區(qū)域控制系統(tǒng)不需要網(wǎng)絡(luò)通信控制,單純采用硬線連接,就能提升其抗干擾能力和穩(wěn)定性,降低維修工作人員的工作量[8]。

五、總結(jié)

綜上所述,冷彎型鋼作為含大量鋼元素的深加工產(chǎn)品,工作人員通過進(jìn)行自動化改造,能有效提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率,和去年生產(chǎn)量相比,單班生產(chǎn)量能超過去年40噸,訂單完成效率得到明顯提升,給企業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)?；诖?本文通過分析方矩形管成形的關(guān)鍵技術(shù),有利于工作人員能真正掌握建設(shè)方矩形管收集裝置的基礎(chǔ),再從不同方面來分析方矩形管收集裝置自動化改造中存在的問題,從而針對問題提出有效解決措施,來提升方矩形管收集裝置的工作效果。