基于機電液技術PC鋼棒凸輪擺桿剪切機設計

金賀榮，盧秀春，韓雪艷

(1.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室 (燕山大學)，河北秦皇島 066004;2.燕山大學河北省并聯機器人與機電系統實驗室，河北秦皇島 066004;3.燕山大學機械工程學院，河北秦皇島 066004)

隨著國家高速鐵路建設的發展，預應力混凝土用鋼棒 (Steel bars prestressed concrete，簡稱PC鋼棒)的需求量日益增加。作為整條生產線中的關鍵設備之一，對PC鋼棒在線定尺剪切機提出了耗能少、效率高、工作可靠的技術要求，其性能的優劣將直接影響高PC鋼棒的剪切質量和整條生產線的生產效率及自動化程度［1－2］。液壓切斷機構的滑道較長，定尺精度低，剪斷鋼棒端部常有油污現象產生［3］，錘擊式剪切機構依舊占著主導地位，生產效率低，故障率高，不適宜生產配線［4］。共軛凸輪屬形封閉類凸輪機構，具有沖擊小、剛度大、運動控制精確和結構緊湊等優點［5－6］，由此衍生的凸輪擺桿剪切機構工作可靠、驅動輸入簡單，具有連續、動態和高精度剪切的特點［7］。基于機電液一體化技術，文中提出一種PLC控制PC鋼棒凸輪擺桿剪切機，對方案設計與技術構成進行了研究。

1 凸輪擺式剪切系統方案設計

為克服傳統剪切機構連切、油污等不足，該系統剪切機構采用“起－停”間歇工作方式，從原理上解決了連切問題，將剪切裝置與液壓系統分開，從結構上避免切斷鋼棒切頭被油污現象的發生。當鋼棒行進到達指定長度時，剪切機構能自動開始動作實行剪切，鋼棒切斷后剪切機構又能自動停下來，并且能反復進行這一過程，這樣就能滿足鋼棒切斷工作自動化。鋼棒經驅動輪帶動觸碰定位裝置時，定位開關向PLC發出剪切信號，之后PLC控制電磁換向閥接通，高壓油通過旋轉接頭傳至液壓離合制動器，離合器摩擦片嚙合，飛輪帶動主軸使剪切結構實現剪切，在切刀接觸鋼棒時，鋼棒由于受到切刀的阻礙而無法繼續前進，牽引輥將會短暫打滑，鋼棒被切斷，切刀回位離開鋼棒時，鋼棒繼續前進，同步環隨主軸一起轉動，經過接近開關時會先后對PLC發信號，PLC控制電磁換向閥動作，制動器摩擦片嚙合，主軸停止轉動，與此同時PLC計數一次，至此一次剪切過程結束，等待下一根鋼棒的剪切，如圖1所示。

圖1 剪切系統工作原理圖

2 凸輪擺桿剪切機構工作原理

共軛凸輪實質上是由兩組能夠再現從動件運動規律的凸輪機構組合而成的機構。當其運轉時，從動件的往復兩個沖程可以認為是由兩個凸輪分別協調驅動的，通常把完成主要工作的稱為主凸輪，另一個為回凸輪。

凸輪擺式高強鋼絲剪切機構中主軸系統由帶輪飛輪、液壓離合制動器、共軛凸輪組成，依次安裝在主軸上，凸輪運動輸入與主軸同步，大皮帶輪的尺寸較厚，作為飛輪起蓄放能量的功用。下切刀固定在機架上，上切刀安裝在擺桿一側，擺桿另一側與共軛凸輪嚙合，可繞轉軸往復擺動，如圖2所示。該剪切機構響應快，動作平穩，精度高，并且鋼筋的切頭不會有油污現象。矯直后的鋼絲達到定尺長度時，無觸點開關發出脈沖信號，剪切機構中的液壓離合器接合，制動器脫開，由剪切電機驅動的連續轉動的飛輪釋放動能使凸輪旋轉的速度迅速升至工作轉速，共軛凸輪中的主凸輪的升程使安裝有上切刀的擺桿產生向下的位移，配合安裝在機架上的下切刀，實現對鋼棒的剪切。與此同時，旋轉的回凸輪的升程使擺桿產生向上的動作，擺桿回到初始位置時，液壓離合器變為脫開狀態，制動器閉合制動，帶輪飛輪運動與主軸脫離，處于空轉狀態，共軛凸輪與主軸處于制動狀態。該共軛凸輪機構屬于高速凸輪機構，考慮工況、加工成本等綜合因素的影響，共軛凸輪在升程期采用正弦加速度運動規律，而在回程期采用余弦加速度運動規律。

圖2 凸輪擺桿剪切機構示意圖

圖3 共軛凸輪工作圖

根據凸輪工作特性，希望其從轉動開始便做有效升程運動，凸輪擺桿機構便開始動作，如圖3所示。上滾輪最初應在起點位置，待凸輪轉過102°進入近休止區后切刀便完成往復行程，實現了對鋼棒的剪切，此后擺桿處于靜止狀態，便可以對主軸、凸輪進行制動，停止位置應始終與起始位置一致或者說停止位置始終不變，這樣才能保證其切斷精度的準確性。由此可見制動角的重要性，制動角與電器反應時間，液壓動作時間以及液壓制動器密切相關。

3 組合式液壓驅動離合器/制動器工作過程分析

離合制動器動作階段主、從動件速度變化過程如圖4所示，在剪切信號發出前，離合器摩擦片是脫離的，此時電機通過帶傳動帶動主動件 (飛輪)以額定轉速n0旋轉，從動件 (主軸、凸輪、擺桿)處于靜止不動狀態，停在初始位置上，此時為空轉階段ab。當發出剪切信號后，制動器脫開，離合器摩擦片開始嚙合，在油壓作用下其主動摩擦片與從動摩擦片開始逐漸接觸，發生初始摩擦打滑，主動件通過離合器的作用帶動從動件開始起動，此為空滑階段bc，在此階段中主動件消耗了能量轉速降低，而從動件處于空滑。當主動件作用于從動件上的摩擦力矩增加，克服掉從動件上阻力矩時，則使得從動件逐漸開始轉動，此時進入工作滑動階段cd，在此階段中主動件轉速繼續下降，從動件轉速逐漸上升，直到主動件和從動件完全結合，轉速達到n1。然后主動件和從動件受電機驅使一同升速達到穩定速度n2，此時進入穩速段ef。處于穩速狀態下的剪切機構在剪切段fg實施剪切，剪切中主動件和從動件同時降速，速度最低值為n3，剪切后在電機帶動下速度仍恢復至同步穩速n2，此為恢復穩速階段gh。在接到制動信號后，離合器斷開，制動器閉合，離合器隨主動件仍恢復到額定轉速n0，制動器則開始對從動件進行制動，此為制動階段hi。最終主動件回到額定轉速n0，制動器使從動件制動，轉速逐漸降至0，停在初始位置，完成整個剪切過程，此為復原階段ij。

圖4 液壓離合制動器工作主、從動件速度變化過程

4 PLC控制的液壓系統工作原理分析

剪切機構的液壓系統工作原理如圖5所示，液壓油在過濾之后，電機帶動雙聯泵將其分為兩路，為液壓離合制動器分別提供動力油和冷卻油。起初電磁鐵兩端均為失電狀態，在收到剪切信號后，PLC控制電磁鐵YV1得電，此時電磁換向閥接通工作壓力油進入活塞腔，克服彈簧作用使離合器摩擦片嚙合離合器動作;在離合器作用下剪切機構起動實現剪切，當同步環隨主軸運動至接近開關時發出制動信號，此時YV1先由得電狀態轉為失電，而后YV2得電，電磁換向閥動作，液壓油回油箱，活塞腔內的油在彈簧作用下克服單向閥背壓回到油箱內，活塞回到原位制動摩擦片嚙合，使剪切機構停止運動;在YV2得電一段時間后，PLC會強制其失電，從而YV1、YV2又恢復至原失電狀態等待下個剪切信號的到來，如此循環往復的進行。

圖5 液壓系統原理圖

在液壓系統工作過程中，各部件都會起到各自的作用確保液壓系統正常工作。濾油器使液壓油保持清潔，當其被堵住不能正常工作時會報警，此時PLC會控制雙聯泵停止工作;溢流閥除了保證液壓泵出口壓力的穩定還起到過載保護的作用;蓄能器補充了工作時液壓油量的不足;減壓閥使出口油壓降至離合器使用正常范圍內;在油箱箱體上裝有電接點溫度計，當油溫超過65℃時，通過PLC控制冷卻器啟動進行降溫，低于20℃時，通過PLC控制加熱器啟動進行升溫，使系統油溫始終處于正常工作范圍內;在油箱內液壓油量過少時，液位繼電器動作會使報警器報警。

由以上分析可知，該液壓系統能夠很好地滿足組合式液壓離合器/制動器的工作需要，從而保證使剪切機構能夠準確地起動與制動，確保了系統定尺切斷的準確性。

在該剪切系統中，液壓系統通過采用雙聯泵供油，采用相應的液壓部件，選擇穩定性好、外圍電路少的PLC對其進行控制，實現了液壓系統工作的安全穩定。剪切機構在電液控制下能夠準確動作，實現了與電、液聯合有序的工作過程，提高了系統的自動化程度。

5 剪切系統優點

該剪切系統相比傳統剪切機構比較，主要有以下顯著特點。

(1)剪切力大。由于在剪切機構中采用擺桿機構，會減小作用到軸上的剪切力;由于飛輪儲能的作用，使得電機功率不需太大只需滿足剪切平均功率即可。

(2)定位機構反應迅速。與以往檢測輪上安裝光電編碼器進行檢測相比，該定位機構避免了檢測輪打滑以及編碼器在產生脈沖過程中可能出現丟失脈沖或脈沖干擾，確保了檢測的準確性。另外對于隨動式剪切裝置常采用的機械信號，不與刀具剛性連接，不會使所切區段鋼棒在剪切過程中發生彎曲。

(3)傳動系統簡單。電機帶動小帶輪通過帶傳動帶動飛輪，通過組合式液壓離合/制動器的離合與制動帶動剪切機構完成剪切，避免了以往剪切機傳動系統復雜的缺點，傳動零件數目少，可靠性大大提高。

(4)無連切現象。經上述分析可知，機械結構的動作是嚴格受PLC控制的，每次剪切過程都會發生離合與制動，不會使凸輪擺桿機構連續工作，因此不會發生連切現象。

(5)切頭無油污。系統將液壓系統與剪切機構分開，不會使切刀上面出現油，因此不會出現油污現象。

(6)基于機電液一體化技術，動作靈敏，周期固定，切斷精度高。

6 結束語

作為PC鋼棒生產線上的關鍵設備，凸輪擺式剪切機用于實現鋼棒在線定尺切斷，具有剪切力大、動作周期短、定尺精度高等特點。文中對凸輪擺桿剪切系統的技術構成進行了分析，對剪切系統的機電液技術進行了分析，驗證了剪切系統進行實際生產制造的可行性。

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