鋼卷外護(hù)板自動(dòng)包裹技術(shù)的分析及設(shè)計(jì)

趙東洋，左 斌，王 磊，孫高翔，肖 暘

（機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

0 前言

隨著我國高端冷軋鋼卷產(chǎn)量的持續(xù)增加和鋼鐵企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量和品牌意識的不斷提高，冷軋卷材包裝作為冷軋產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的最后工序，無論是其物流方式還是包裝工藝方面都越來越受到鋼鐵企業(yè)的重視。冷軋成品鋼卷在運(yùn)輸過程中,為了避免受潮、雨淋，防止起吊和運(yùn)輸時(shí)的摩擦和磕碰等,在成品鋼卷內(nèi)外表面要覆蓋多種包裝材料，如防銹紙、塑料膜、紙護(hù)角、鋼護(hù)角、內(nèi)外護(hù)板和捆帶等，其中外周護(hù)板的作用主要是防止鋼卷外表面的磕碰和剮蹭。鋼卷在包裝完防銹紙和塑料膜后，通常在鋼卷的外周面都要再包裹一層外護(hù)板。常用的外護(hù)板主要有兩種，一種是鍍鋅板，一種是PE板。外護(hù)板的包裝方式隨著鋼廠對包裝設(shè)備自動(dòng)化的要求不斷提高，由最初的手動(dòng)包裝逐漸的升級為用外護(hù)板包裹的專機(jī)設(shè)備來包裝。

1 目前鋼卷外護(hù)板的包裝方式

鋼卷包裝方式通?？煞譃楹喴装b、普通包裝和精包裝。簡易包裝一般是鋼卷卷取完成后在外圓周上捆扎1～3道鋼帶進(jìn)行固定，這種方式適合于熱軋卷、冷硬卷以及短途運(yùn)輸且運(yùn)輸條件較好的鋼卷。普通包裝一般是鋼卷包裹一些簡單的包裝材料，如防銹紙、鋼護(hù)角等，最后在鋼卷的周向和眼向打捆帶固定，這種方式適合于冷軋普通卷材以及短途運(yùn)輸?shù)木聿摹＞b是指使用多種包裝材料，按照不同的包裝工藝要求包裹在鋼卷的外表面，并在鋼卷的周向和眼向打多跟鋼帶固定，適合于高端冷軋板，尤其是汽車板、硅鋼板等。

鋼卷的精包裝會(huì)用到多種包裝材料，包裝材料通常分為防銹紙、塑料袋、內(nèi)襯板、內(nèi)護(hù)板、外護(hù)板、內(nèi)紙護(hù)角、外紙護(hù)角、端護(hù)板、內(nèi)鐵護(hù)角、外鐵護(hù)角、捆帶墊、捆帶等。外護(hù)板的包裹是精包裝中非常重要的一個(gè)包裝環(huán)節(jié)。鋼卷外護(hù)板的包裝方式種類很多，根據(jù)自動(dòng)化程度可分為手動(dòng)包裝、半自動(dòng)包裝和全自動(dòng)包裝。手動(dòng)包裝方式一般在離線的手工鋼卷包裝區(qū)，天車將鋼卷吊到鋪好外護(hù)板的鞍座上，人工將外護(hù)板包裹在鋼卷外周面后用膠帶粘貼。半自動(dòng)包裝方式一般是在半自動(dòng)鋼卷包裝產(chǎn)線上，借助提升設(shè)備將鋼卷提起，人工將裁好的外護(hù)板包裹到鋼卷外表面上，或者借助輔助包裹機(jī)構(gòu)將外護(hù)板包裹在鋼卷表面上，人工粘貼外護(hù)板的頭尾。全自動(dòng)包裝方式無需人工參與，應(yīng)用在自動(dòng)化程度比較高的包裝產(chǎn)線上，由專用自動(dòng)包裹設(shè)備將外護(hù)板包裹在鋼卷的外周面。全自動(dòng)包裝方式與手動(dòng)和半自動(dòng)包裝方式相比，不但可以節(jié)省人員成本和原材料成本，而且還大幅提高包裝生產(chǎn)效率。

表1 鋼卷外護(hù)板包裝方式的比較

目前最常用的自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)大體可分為兩種，一種是芬蘭Pesmel公司研發(fā)的全自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)，由外護(hù)板存放小車、夾送輥、外護(hù)板導(dǎo)板臺、剪板機(jī)、噴膠機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)地輥等組成。此設(shè)備外護(hù)板卷材可存放10種以上規(guī)格，存放外護(hù)板原料卷的小車沿著卷心方向一字排開，每種規(guī)格的原料卷放置在獨(dú)立的移動(dòng)小車上，每卷外護(hù)板在小車上可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開卷收卷，當(dāng)使用某種規(guī)格外護(hù)板時(shí)，將待使用一定長度的外護(hù)板全部開到導(dǎo)板臺上，導(dǎo)板臺具有自動(dòng)對中功能。此種全自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)的特點(diǎn)是外護(hù)板存放的種類多，但是占地面積較大，受限于廠房面積，而且成本較高。另一種是國產(chǎn)的全自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)，由外護(hù)板開卷機(jī)、導(dǎo)板臺、夾送輥、剪板機(jī)、噴膠機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)地輥等組成，目前常用的外護(hù)板種類有2到4種，不同規(guī)格的外護(hù)板分別存放在單獨(dú)的開卷機(jī)上，存放不同規(guī)格外護(hù)板的開卷機(jī)并列平行排開，設(shè)備間銜接緊湊，節(jié)省空間。

以上兩種常用的自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)都是地輥輔助待包鋼卷旋轉(zhuǎn)，外護(hù)板包裹機(jī)自動(dòng)送板，板頭噴膠后沿著鋼卷與地輥的切線方向粘在鋼卷外周面上，跟隨鋼卷旋轉(zhuǎn)，通過鋼卷自重將外護(hù)板與鋼卷外周面壓實(shí)，外護(hù)板的長度是根據(jù)鋼卷的外形信息自動(dòng)計(jì)算的，外護(hù)板尾部噴膠后，鋼卷跟隨地輥繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，最終將外護(hù)板包裹在鋼卷外周面。

圖1 地輥式自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)

由于地輥式自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)是地輥帶動(dòng)鋼卷旋轉(zhuǎn)，再加上鋼卷自重較重，尤其是對于一些厚度較薄的高端冷軋卷材，如取向硅鋼卷、鍍錫卷等，可能會(huì)導(dǎo)致鋼卷層與層間產(chǎn)生滑動(dòng)，對鋼卷表面產(chǎn)生二次損傷，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此地輥式全自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)在一些較薄的高端冷軋卷材包裝上是不適用的。

2 新研發(fā)的外護(hù)板自動(dòng)包裹技術(shù)工作原理

針對較薄的高端冷軋卷材包外護(hù)板的情況，本文研究了一種旋轉(zhuǎn)漲筒式自動(dòng)外護(hù)板包裹技術(shù)。其原理為：待包裹鋼卷到位后，由上卷小車鞍座舉升到卷心中心與旋轉(zhuǎn)漲筒中心一致，上卷小車移動(dòng)將待包裹鋼卷送到旋轉(zhuǎn)漲縮套筒機(jī)構(gòu)上，旋轉(zhuǎn)漲縮套筒機(jī)構(gòu)將待包裹鋼卷內(nèi)孔漲緊，自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)根據(jù)待包鋼卷寬度自動(dòng)選擇外護(hù)板原料卷規(guī)格，外護(hù)板原料卷通過開卷機(jī)旋轉(zhuǎn)自動(dòng)開卷，通過夾送輥?zhàn)詣?dòng)送板，當(dāng)板頭到達(dá)噴膠位后，噴膠頭沿著外護(hù)板板寬方向自動(dòng)噴膠，噴膠結(jié)束后，夾送輥繼續(xù)將外護(hù)板送到伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板上，伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板根據(jù)待包裹鋼卷的直徑信息將前端壓輥頂在鋼卷外周面上，旋轉(zhuǎn)漲縮套筒帶動(dòng)待包裹鋼卷旋轉(zhuǎn)，送板機(jī)繼續(xù)送板，外護(hù)板跟隨待包裹鋼卷旋轉(zhuǎn)，外護(hù)板送到指定長度后剪板機(jī)裁板，板尾部到達(dá)噴膠位置后噴膠頭噴膠，尾部噴膠完成后，外護(hù)板跟隨待包裹鋼卷旋轉(zhuǎn)將尾部粘牢，最終完成待包裹鋼卷外護(hù)板包裹。工作原理如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)漲筒式自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)原理圖

3 自動(dòng)外護(hù)板包裹設(shè)備的研發(fā)

自動(dòng)外護(hù)板包裹設(shè)備由外護(hù)板開卷裝置、夾送輥、伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板臺、剪板機(jī)、噴膠系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒、上卷小車等組成。外護(hù)板開卷裝置由漲縮開卷機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，漲縮機(jī)構(gòu)為伸縮連桿機(jī)構(gòu)，由液壓缸驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可存放外護(hù)板原料卷（鍍鋅板卷或PE板卷），根據(jù)不同待包裹鋼卷大小輸送不同長度的外護(hù)板，大大提高外護(hù)板原材料的利用率。一般外護(hù)板開卷裝置可存放多種寬度規(guī)格外護(hù)板，設(shè)備可根據(jù)待包裹鋼卷寬度自動(dòng)匹配切換不同規(guī)格外護(hù)板。夾送輥分為多層夾送輥和單層夾送輥，隨著外護(hù)板規(guī)格的不同，夾送輥的數(shù)量也不同，本設(shè)計(jì)采用2種規(guī)格外護(hù)板材料，夾送輥包括2層夾送輥和單層夾送輥，夾送輥一般采用聚氨酯掛膠輥。剪板機(jī)為液壓剪板機(jī)，剪切機(jī)構(gòu)為拉伸連桿式。噴膠機(jī)在外護(hù)板的頭部和尾部分別自動(dòng)噴膠，噴膠的長短和形式可根據(jù)不同外護(hù)板材料相應(yīng)的調(diào)整，為提高噴膠效率也可采用兩個(gè)噴膠頭同時(shí)噴膠。伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板臺由兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，根據(jù)待包鋼卷直徑的大小可自動(dòng)調(diào)整擺動(dòng)導(dǎo)板臺的長度和角度。旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒為自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)的核心設(shè)備，漲縮機(jī)構(gòu)由液壓驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為了讓外護(hù)板包裹時(shí)包的更緊，在旋轉(zhuǎn)漲縮機(jī)構(gòu)側(cè)面增加一套輔助擺動(dòng)壓輥，當(dāng)待包裹鋼卷重量過重時(shí)可在漲縮卷筒頭部增加一套輔助支撐機(jī)構(gòu)。待包鋼卷上卷一般采用上卷小車上卷，由于待包鋼卷的直徑范圍較大，所以上卷小車的舉升行程也較長，小車升降鞍座由液壓缸驅(qū)動(dòng)。整個(gè)自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)相當(dāng)于一個(gè)小型的開卷卷曲機(jī)組，各分體設(shè)備銜接緊湊，占地面積小，外護(hù)板開卷裝置可設(shè)計(jì)多種規(guī)格的外護(hù)板卷材，不同規(guī)格外護(hù)板可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。圖3為旋轉(zhuǎn)漲筒式自動(dòng)外護(hù)板設(shè)備示意圖。

圖3 旋轉(zhuǎn)漲筒式自動(dòng)外護(hù)板包裹設(shè)備示意圖

4 設(shè)備研發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 外護(hù)板原料卷開卷裝置的設(shè)計(jì)

為了方便外護(hù)板原料卷的更換，并且能自動(dòng)使外護(hù)板原料卷對中，外護(hù)板開卷裝置采用雙開卷機(jī)對夾形式，中間下方設(shè)置升降鞍座，鞍座表面有滑動(dòng)輥，能使外護(hù)板原料卷可在鞍座上沿卷心方向滑動(dòng)。具體動(dòng)作流程：將外護(hù)板原料卷吊入到升降鞍座上，根據(jù)原料卷直徑信息，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出升降鞍座舉升的高度，舉升到位后，兩側(cè)移動(dòng)開卷機(jī)同時(shí)向中間移動(dòng)，一側(cè)開卷機(jī)漲筒末端擋板先頂?shù)皆暇矶嗣鏁r(shí)，開卷機(jī)繼續(xù)移動(dòng)，直到兩側(cè)開卷機(jī)漲筒末端擋板都頂?shù)皆暇矶嗣鏁r(shí)，開卷機(jī)停止移動(dòng)，此時(shí)外護(hù)板原料卷已對中，兩側(cè)開卷機(jī)漲筒漲開，升降鞍座下降到原始位，外護(hù)板原料卷上卷完成。此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)原理簡單，可實(shí)現(xiàn)外護(hù)板與帶包裹鋼卷對中，外護(hù)板原料卷的上料安全又方便。

圖4 外護(hù)板原料卷開卷裝置示意圖

4.2 自動(dòng)切換不同規(guī)格外護(hù)板原理

本文設(shè)計(jì)研發(fā)的自動(dòng)外護(hù)板包裹設(shè)備有2種規(guī)格的外護(hù)板。當(dāng)外護(hù)板原料卷上卷完成后，分別控制兩個(gè)卷位的開卷機(jī)旋轉(zhuǎn)開卷，通過雙層導(dǎo)板臺先將兩個(gè)開卷機(jī)上原料卷板頭送至2層夾送輥，通過2層夾送輥夾送外護(hù)板，送到單層夾送輥前待用，此處即為不同規(guī)格外護(hù)板板頭的等待位。

當(dāng)接到指令需要1#外護(hù)板原料卷時(shí)，2層夾送輥啟動(dòng)，將1#外護(hù)板向前輸送，到達(dá)單層加送輥后，2層夾送輥松開，單層加送輥夾送1#外護(hù)板繼續(xù)向前，最終完成使用1#外護(hù)板包裹鋼卷，如果下一個(gè)待包鋼卷需要的外護(hù)板規(guī)格與剛包完鋼卷的外護(hù)板規(guī)格一致，2層夾送輥無需動(dòng)作，只需要單層夾送輥繼續(xù)送板完成待包鋼卷外護(hù)板包裹即可；當(dāng)接到指令需要2#外護(hù)板原料卷時(shí)，需要切換外護(hù)板規(guī)格，此時(shí)單層夾送輥松開，1#外護(hù)板原料卷的開卷機(jī)反向旋轉(zhuǎn)將1#外護(hù)板收回至單層夾送輥前的等待位，2層夾送輥啟動(dòng)將2#外護(hù)板輸送至單層夾送輥，單層夾送輥下壓，2層夾送輥松開，單層夾送輥將2#外護(hù)板繼續(xù)輸送，從而完成不同規(guī)格外護(hù)板的選擇和輸送。

對于較寬的待包鋼卷，在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)考慮增加外護(hù)板原料卷規(guī)格的數(shù)量，一般可增加到3到4種規(guī)格外護(hù)板。當(dāng)有3種規(guī)格的外護(hù)板時(shí)，設(shè)備需要增加一套開卷機(jī)、一套3層夾送輥和3層導(dǎo)板臺；同理，當(dāng)有4種規(guī)格的外護(hù)板時(shí)，在3種規(guī)格的基礎(chǔ)上，設(shè)備需要再增加一套開卷機(jī)、一套4層夾送輥和4層導(dǎo)板臺。自動(dòng)切換外護(hù)板規(guī)格的原理同2種規(guī)格的自動(dòng)切換原理一樣。

4.3 伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板臺的設(shè)計(jì)

外護(hù)板原料卷開卷后，經(jīng)夾送輥送至伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板臺，距離板頭30mm左右的位置先由噴膠機(jī)噴熱熔膠，然后繼續(xù)送板，此時(shí)板頭要想順利與待包鋼卷貼合需要伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板臺擺動(dòng)角度與不同的待包鋼卷直徑匹配，外護(hù)板板頭要盡可能沿著待包鋼卷外周的切線方向進(jìn)入，同時(shí)送板速度與鋼卷外周面旋轉(zhuǎn)的線速度要保持一致。為了使外護(hù)板與鋼卷外周面粘的更加緊密，在伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板臺頭部設(shè)計(jì)了一套壓輥，壓輥可以將外護(hù)板與鋼卷外周面壓實(shí)。當(dāng)送板送至一定長度后，剪板機(jī)將外護(hù)板剪斷，外護(hù)板尾部同樣在距離板30mm左右的位置由噴膠機(jī)噴熱熔膠，隨著鋼卷旋轉(zhuǎn)，外護(hù)板最后將鋼卷包裹一周并粘牢。伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板臺的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)均由液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過比例閥控制。噴膠頭的往復(fù)移動(dòng)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如果需要提高噴膠效率，可采用雙噴頭布置。

圖5 伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板臺示意圖

4.4 旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒的設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒可以把待包鋼卷從內(nèi)孔撐起，帶動(dòng)待包鋼卷沿著內(nèi)圈軸心旋轉(zhuǎn)，這是實(shí)現(xiàn)鋼卷外護(hù)板自動(dòng)包裹的必要條件。在旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒的設(shè)計(jì)中，由于待包鋼卷內(nèi)孔直徑的限制，尤其是待包鋼卷此時(shí)一般情況下已經(jīng)包裹了防銹紙和塑料布，內(nèi)孔的孔徑有所減小，旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒機(jī)構(gòu)要滿足支撐20噸以上的鋼卷時(shí)，為了防止旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒搭頭，需要在漲筒的頭部增加輔助支撐機(jī)構(gòu)，輔助支撐的動(dòng)力由液壓缸提供。另外鋼卷轉(zhuǎn)動(dòng)包外護(hù)板過程中，為了防止粘好的外護(hù)板崩開，在旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒的基座上再增加一套擺動(dòng)壓輥機(jī)構(gòu)，當(dāng)外護(hù)板板頭通過伸縮擺動(dòng)導(dǎo)板臺頭部的壓輥后，外護(hù)板與鋼卷外周面已經(jīng)粘住，鋼卷繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，外護(hù)板板頭經(jīng)過擺動(dòng)壓輥會(huì)讓外護(hù)板包裹鋼卷更加緊密。

圖6 旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒機(jī)構(gòu)平面示意圖

6 結(jié)語

通過對目前鋼卷包裹外護(hù)板的各種方式進(jìn)行分析，研制了一種新型的旋轉(zhuǎn)漲筒式全自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)。由于鋼卷是在漲筒撐起來的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)包裹外護(hù)板，包裹的過程是通過壓輥撫平的方式，因此不會(huì)對鋼卷產(chǎn)生擠壓、劃傷等缺陷。外護(hù)板的選擇、送板、噴膠、剪板、包裹全部自動(dòng)完成，既可以包裝效率，又可以節(jié)省人員及材料成本。由于旋轉(zhuǎn)漲筒式自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)不會(huì)對高端冷軋薄板卷材表面質(zhì)量產(chǎn)生二次損傷，因此適用于對各種高端冷軋薄板卷材的外護(hù)板包裹，如硅鋼卷、鍍錫卷等。本文研制的旋轉(zhuǎn)漲筒式全自動(dòng)外護(hù)板包裹機(jī)在國內(nèi)的某高端冷軋廠已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。