圓形加工件自動(dòng)焊接裝置在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用

陳 勇，張化乾

(河南能源集團(tuán) 永煤公司順和煤礦，河南 永城 476600)

隨著礦井對(duì)各類圓形加工件的需求量不斷增大，使用手工電弧焊已不能滿足生產(chǎn)需要，焊接圓形加工件，受溫度、工藝、人員緊缺、勞動(dòng)強(qiáng)度大等限制，對(duì)焊接方法提出了更高的要求，礦井迫切需要實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)焊接，用以提高生產(chǎn)效率、保證焊接質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，本文自行研發(fā)、設(shè)計(jì)、制作圓形工件自動(dòng)焊接裝置，用來焊接圓形工件風(fēng)水管三通、鐵柱鞋、圓形接頭等，該自動(dòng)焊接裝置具有焊接性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、人為因素小、焊接速度快、焊接合格率高、外形美觀，能大幅度提高工作效率，降低操作技術(shù)難度，減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度等特點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)要求及礦井實(shí)際情況，因地制宜、多種途徑、講求實(shí)效、重點(diǎn)突破的方針，遵循機(jī)電設(shè)備綜合利用與企業(yè)發(fā)展相結(jié)合，與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)相結(jié)合，經(jīng)濟(jì)效益與企業(yè)效益相統(tǒng)一的原則，努力提高設(shè)備的綜合利用水平，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。

1 實(shí)施方案

1.1 工作原理

自動(dòng)焊接裝置主要由CO2焊機(jī)、電氣控制、傳動(dòng)系統(tǒng)、無(wú)線接地、旋轉(zhuǎn)圓盤、焊接調(diào)節(jié)支架等幾部分組成，如圖1所示。

圖1 圓形加工工件自動(dòng)焊接裝置Fig.1 Automatic welding device for circular workpieces

作業(yè)人員將被焊圓形加工件放置在自動(dòng)焊接旋轉(zhuǎn)圓盤上，CO2焊槍對(duì)準(zhǔn)焊接部位，保持5～10 mm距離。此時(shí)，按下無(wú)線遙控器啟動(dòng)按鈕，焊機(jī)與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)同時(shí)帶電，焊接控制系統(tǒng)通電產(chǎn)生焊接火花，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)圓盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。圓形加工件在沿焊槍環(huán)繞運(yùn)動(dòng)1周后，限位開關(guān)動(dòng)作，向電動(dòng)機(jī)和焊機(jī)發(fā)出反轉(zhuǎn)信號(hào)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，圓形加工件進(jìn)行第2遍焊接，完成第2周期焊接后，觸動(dòng)限位開關(guān)，自動(dòng)焊接完成，關(guān)閉電動(dòng)機(jī)及CO2焊機(jī)電源，整個(gè)焊接過程56 s，焊接均勻、焊縫美觀、牢固。

1.2 電氣控制

1.2.1 主控的選擇

圓形加工件自動(dòng)焊接過程，要求電動(dòng)機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在頻繁的啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)荷等多種方式，對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置要求靈敏、可靠。因漏電、電纜老化、環(huán)境潮濕等造成了電動(dòng)機(jī)比過去更容易損壞，尤其是過載、短路、缺相等故障出現(xiàn)頻率增高，傳統(tǒng)的設(shè)備保護(hù)裝置以熱繼電器為主，但熱繼電器靈敏度低、穩(wěn)定性差，保護(hù)不可靠。為了安全起見，本廠設(shè)計(jì)的自動(dòng)焊接裝置安裝了以漏電斷路器為主控，緊急停止、無(wú)線遙控、電焊機(jī)防觸電保護(hù)器等，靈敏度和可靠性明顯提高、功能多、調(diào)試方便，保護(hù)動(dòng)作后一目了然。既減少了電動(dòng)機(jī)的損壞，又極大地方便了故障的判斷，對(duì)設(shè)備和人身安全起到了保護(hù)作用。

1.2.2 電動(dòng)機(jī)的控制

按下無(wú)線遙控器啟動(dòng)按鈕，無(wú)線接收器ND1線圈閉合，繼電器J2得電吸合并自保，繼電器J1線圈帶電吸合， J1開點(diǎn)閉合后給變頻器Mi1供電，變頻器工作，電動(dòng)機(jī)開始正傳，通過三角帶將力矩傳遞到旋轉(zhuǎn)圓盤上，圓盤帶動(dòng)圓形加工件同步旋轉(zhuǎn)，同時(shí)J2開點(diǎn)閉合后，電焊機(jī)啟動(dòng)，開始焊接作業(yè)，焊接速度可通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，圓盤運(yùn)行至1號(hào)限位器時(shí)，工件沿焊槍焊接一周，1號(hào)限位器動(dòng)作，J1失電斷開，J3得電吸合，給變頻器Mi3供電，變頻器工作，電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一周后，完成焊接作業(yè)，2號(hào)限位器動(dòng)作，繼電器J3失電，電動(dòng)機(jī)及電焊機(jī)停止工作，設(shè)備停電，取下圓形工件后，再次按下無(wú)線遙控器啟動(dòng)按鈕，設(shè)備開始工作。電機(jī)控制原理如圖2所示。

圖2 電機(jī)控制原理Fig.2 Motor control principle

1.2.3 電焊機(jī)防觸電保護(hù)

電焊機(jī)防觸電保護(hù)器主控板各項(xiàng)保護(hù)特性提前設(shè)定，不可隨意調(diào)整和拆卸。防觸電保護(hù)器共有3根檢測(cè)線，其中B1必須通過耐溫檢測(cè)、保護(hù)電阻、保護(hù)手環(huán)與被保護(hù)的焊接人員相連，確保能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)焊接人員的觸電情況，B3與焊接回流地線相連，確保試驗(yàn)點(diǎn)的安全，B5與焊鉗線相連，用于配合檢測(cè)觸電情況。每天使用前進(jìn)行漏電跳閘試驗(yàn)，先將保護(hù)手環(huán)的導(dǎo)電橡膠緊貼試驗(yàn)點(diǎn)(裝置右側(cè)圓形金屬)上，用手按下保護(hù)器開關(guān)，待運(yùn)行燈正常閃爍后，按下一個(gè)漏電試驗(yàn)按鈕，如果正常跳閘并亮起紅色指示燈，且綠色運(yùn)行燈仍然正常閃爍，說明保護(hù)裝置正常，可以正常使用，否則嚴(yán)禁使用。圓形工件自動(dòng)焊接裝置選用的電焊機(jī)防觸電保護(hù)器，無(wú)論空載和工作狀態(tài)，均能夠可靠地檢測(cè)電焊工的觸電情況，并能夠準(zhǔn)確可靠切斷電源，從而確保職工的生命安全。漏電保護(hù)原理如圖3所示。

圖3 漏電保護(hù)原理Fig.3 Leakage protection principle

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

1.3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇

自動(dòng)焊接裝置是不間斷地做連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要電動(dòng)機(jī)將力從一個(gè)傳動(dòng)輪傳遞到另一個(gè)旋轉(zhuǎn)圓盤上面。因此傳動(dòng)系統(tǒng)要求具有收縮性小、抗變形、速度快、傳動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)。一般機(jī)電設(shè)備的軸與軸之間轉(zhuǎn)動(dòng)常使用膠帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)等方式，在傳動(dòng)過程中必須能將動(dòng)力傳動(dòng)所具有的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得淋漓盡致，對(duì)比以上3種傳動(dòng)方式，選擇了不需外購(gòu)、加工方便、成本低，自身即可加工完成的三角帶傳動(dòng)。三角帶傳動(dòng)是用來將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力直接轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，其具有傳動(dòng)效率高，定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)。

1.3.2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)

主要作為圓形加工件自動(dòng)焊接裝置的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)功率為0.2 kW，由SS-20C變頻器配合使用，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開始，最大值不超過額定電流，結(jié)合三角帶傳動(dòng)特點(diǎn)，具有傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)、可靠，減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

1.4 旋轉(zhuǎn)圓盤的制作

旋轉(zhuǎn)圓盤采用直徑為400 mm、厚度為16 mm鋼板制作，主要用作承載加工件及配合回流接地。圓盤表面銑有150 mm×5 mm×2 mm長(zhǎng)形槽，增加工件與圓盤的摩擦阻力。旋轉(zhuǎn)圓盤適用于100～500 mm的圓形加工件。

1.5 焊接調(diào)節(jié)支架

焊接支架主要用于焊把的夾持及焊接角度調(diào)整，整體結(jié)構(gòu)要求輕便、緊湊，便于安裝、拆除。焊接支架主要有底座、支柱、可升降調(diào)節(jié)套管、懸臂管、工件夾持端、緊固螺栓等組成。豎桿長(zhǎng)度為0.6 m，橫桿長(zhǎng)度為0.5 m，焊鉗采用萬(wàn)能V型加持器，該裝置為自行設(shè)計(jì)、制作，在圓形加工件自動(dòng)焊接中起著十分重要的作用。

2 首創(chuàng)關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)線遙控及電焊回流地線無(wú)線接地技術(shù)，首次使用在煤炭生產(chǎn)中，開創(chuàng)了煤炭行業(yè)加工工件的自動(dòng)焊接技術(shù)，積極響應(yīng)全省煤礦“一優(yōu)三減”(優(yōu)化系統(tǒng)、減水平、減頭面、減人員)及“四化”(機(jī)械化、自動(dòng)化、信息化、智能化)建設(shè)，真正做到了多上設(shè)備、少上人，無(wú)人則安的安全理念。

2.1 無(wú)線遙控

無(wú)線遙控設(shè)施的使用，一方面用于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，另一方面外接CO2焊機(jī)啟動(dòng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)一鍵雙控控制，做到了動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與自動(dòng)焊接的同步。單人單手即可完成操作，中間無(wú)須人員進(jìn)行輔助作業(yè)。

2.2 無(wú)線接地

傳統(tǒng)焊接作業(yè)需要將焊機(jī)回流地線與工件連接在一起，而采取自動(dòng)焊接機(jī)裝置后，必須解決焊接工件接地問題，人員不用手動(dòng)搭接回流地線，才能做到自動(dòng)化焊接。為此，技術(shù)人員將回流地線與銅套焊接一體，放入尼龍棒內(nèi)，尼龍棒底座安裝有伸縮彈簧，彈簧向外頂住銅棒里端，銅棒外端頂住旋轉(zhuǎn)圓盤邊緣處，依靠摩擦接觸傳遞回流接地電源，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線接地的良好效果。

3 創(chuàng)新促進(jìn)職工成長(zhǎng)

順和煤礦機(jī)修廠始建于2000年，設(shè)有鉚焊、修理、五小3個(gè)生產(chǎn)班組，共有職工100余人，其中高級(jí)技師5人，技師8人，高級(jí)工程師1人，工程師3人，技能人員中百分之80%以上為青年職工，在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，機(jī)修廠全體干部職工不斷解放思想，更新觀念，以安全管理為主線，努力科技創(chuàng)新，提高廣大青年員工的業(yè)務(wù)技術(shù)水平。培養(yǎng)一批高技能的青年技術(shù)人才，引導(dǎo)廣大青年員工秉承“勤奮學(xué)習(xí)、刻苦鉆研、勇于創(chuàng)新、精益求精”的工作作風(fēng)，立足本職崗位，提高職業(yè)技能，爭(zhēng)創(chuàng)一流業(yè)績(jī)，努力成為合格的維修、加工技術(shù)人才。圓形加工件自動(dòng)焊接裝置的研發(fā)成功，進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)修廠發(fā)展進(jìn)入到依靠科技進(jìn)步和提高職工素質(zhì)的軌道，從而使機(jī)修廠的工作與青年員工成長(zhǎng)緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)青年員工的成長(zhǎng)與企業(yè)發(fā)展的有機(jī)統(tǒng)一。

4 實(shí)施效果

(1)開源節(jié)流、減人增效。圓形加工件自動(dòng)焊接裝置是一種新型礦山科技，廣泛用于煤礦風(fēng)水管三通、鐵柱鞋、圓形接頭等，使用自動(dòng)焊接裝置焊絲為不間斷送進(jìn)的裸焊絲，無(wú)需更換焊條。生產(chǎn)效率比手工電弧焊提高3倍以上。每個(gè)人工費(fèi)用按照300元計(jì)算，每天使用自動(dòng)焊接裝置節(jié)省人工2個(gè)，費(fèi)用為600元，每月節(jié)約人工費(fèi)用15 600元，每年可為礦井節(jié)約人工費(fèi)用187 200元。

(2)提高焊接質(zhì)量。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接手臂伸長(zhǎng)度等對(duì)焊接結(jié)果起關(guān)鍵作用。采用自動(dòng)焊接裝置焊接時(shí)對(duì)于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人為因素影響較小，焊接質(zhì)量更加穩(wěn)定。

(3)改善職工勞動(dòng)環(huán)境。采用自動(dòng)焊接裝置，本廠職工只是用來裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺傷人等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，職工不再使用笨重的手工焊鉗，使職工從強(qiáng)大的體力勞動(dòng)中解脫出來，遠(yuǎn)離作業(yè)點(diǎn)、有利于職工身體健康。

5 結(jié)語(yǔ)

研究開發(fā)的圓形加工件自動(dòng)焊接裝置，是將自動(dòng)控制與焊接技術(shù)為一體化的機(jī)電設(shè)備，根據(jù)全省煤礦“一優(yōu)三減”及“四化”建設(shè)要求，自動(dòng)焊接裝置會(huì)逐漸代替人工焊接。該研究在煤炭行業(yè)內(nèi)屬于新產(chǎn)品，能夠有效應(yīng)對(duì)煤炭行業(yè)人員流失及環(huán)境對(duì)人體產(chǎn)生的危害。