軋鋼生產線加熱爐前輥道上料機構設計及分析

牛怡珺

（重慶大學機械工程學院，重慶 400044）

引言

線材、棒材、型材軋制過程就是將一定規格長度的鋼坯經過加熱爐加熱到1 100～1 150℃軋制溫度后，經過一系列軋制工藝過程，最后形成符合一定性能尺寸要求的線材、棒材或型材。加熱爐前設備一般由儲料冷床，入爐輥道，從儲料冷床到入爐輥道的上料設備，固定擋板和升降擋板等組成。其中上料機構的選型，每位用戶都會根據各自生產工藝的要求進行反復研究，慎重選擇。目前上料設備的主要形式包括四連桿平托移動式機和旋轉平托式上料機構等。結構原理圖如圖1所示。

液壓式推鋼機（圖1－1）優點：上料及落料過程比較平穩，工作現場噪音小。缺點：設備電氣控制復雜，運動軌跡固定不能調整，設備布置空間大。四連桿平托移動式機構（圖1－2）優點：設備結構簡單、控制方便。缺點：運動軌跡固定不能調整，容易拉傷鋼坯表面［1］，工作現場噪音大。旋轉平托式上料機構（圖1－3）優點：該機構可以實現二維平面的運動，適合大型鋼坯的工況。缺點：運動副多，故障點多，設備復雜、重量重。

圖1 常用上料設備

劉慶祖在文章上料臺架的機構分析與計算中介紹了一種由曲軸帶動的鋼坯上料臺架［2］，Wang，C.Z.1Song，J.C.2在文章 Material uninterrupted feeding technology and feeding speed control research of large electroslag remelting furnace中研究了實現上料機構不間斷上料的技術及其速度控制［5］，Arafa1，H.在文章Design of Feeding Mechanism for Machine Tools中介紹了一種由齒輪載荷的多少決定導軌路線的上料機構設計。

本文主要研究一種新型的上料機構，設備特點：由機、電、液高度配合經過PLC控制來實現將鋼坯從儲料冷床平穩準確地移送到入爐輥道。

1 上料機構的方案原理

1.1 上料機構結構原理

目標設計的上料機構在軋鋼生產線將要運載規格為120mm×120mm×12 000mm質量為1 356kg的鋼坯，機構上的托盤水平移動距離為585mm，上下移動距離300mm，根據平面連桿機構設計的原理［4］，采取機械式托料方式，上料機構結構原理圖如圖2所示。

圖2 上料機構結構原理圖

上料機構機械部分由序號4升降油缸，序號5構件，序號6平移油缸，序號7滑塊組成。C點為移動副，實現序號4升降油缸工作過程，可推動構件5圍繞轉動副A擺動；D點移動副表示序號6平移油缸工作過程，可推動滑塊7沿著構件5（導桿）移動；序號7滑塊為上料機構托盤。

1.2 上料機構液壓控制

上料機構的工作過程，由升降油缸和上料平移油缸協調配合來實現，升降油缸液壓原理圖如圖3所示。

圖3 升降油缸液壓原理圖

序號19為升降油缸共4臺；序號20為液壓同步馬達；序號21為電液控制閥組。要點是通過液壓同步馬達，保證4臺升降油缸同步升降。電液控制閥組控制4臺升降油缸同時動作。

圖4 上料平移油缸液壓原理圖

序號22為平移油缸，共4臺；序號23為液壓同步馬達；序號24為電液控制閥組。要點是通過液壓同步馬達，保證4臺平移油缸同步移動。電液控制閥組控制4臺平移油缸同時動作。

1.3 上料機構電氣控制

上料機構結構原理（如圖2所示），序號4升降油缸運動軌跡為上中下3個位置分別對應軌跡點A、B、D，分別由3個接近開關檢測。序號6平移油缸有兩個極限位置分別由2個接近開關檢測。檢測信號反饋到PLC控制系統來實現控制功能，電氣控制原理圖如下頁圖5所示。

電氣控制原理動作說明：

1）上料托盤由初始停止位SQ1上升至SQ2（上料位置），停留0.5s。

圖5 電氣控制框圖

2）上料托盤上升至SQ3停止，然后退至SQ4停止。

3）上料托盤下降至入爐輥道位置SQ5，完成落料工作。

4）上料托盤下降至SQ1初始停止位，然后回退50mm。

1.4 上料機構設備總體布置

上料機構設備總體布置圖如圖6所示。

圖6 上料機構設備總體布置圖

圖中序號14為上料機構，共布置有4臺；序號15為鋼坯檢測儀，共2套；序號16為入爐輥道；序號17為鋼坯料，規格120mm×120mm×12 000 mm；序號18為鋼坯儲料床。

當2套鋼坯檢測儀同時檢測到入爐輥道沒有鋼坯信號時，電氣控制系統發出上料指令，這時上料機構按照運動軌跡完成一套上料動作，完成上料動作后，如果鋼坯檢測儀仍然沒有鋼坯料信號時，說明上料失敗，這時仍然按照運動軌跡進行上料動作。如果鋼坯檢測儀檢測到鋼坯信號后，上料動作停止，入爐輥道啟動將鋼坯料送進加熱爐，鋼坯檢測儀發出無料信號后，上料機構工作，保證入爐輥道一直有料備用。

2 上料機構運動路徑分析

機構運動路徑分析如圖7所示，其中序號1為儲料冷床，功能：進入加熱爐的鋼坯料，首先要儲存在該冷床上；序號2表示上料機構將坯料從序號1儲料冷床移動到序號3入爐輥道設備的過程；序號3為入爐輥道：電機減速機驅動，功能是將鋼坯料按生產工藝要求加熱爐。

圖7 上料機構功能示意圖

其中上料機構為關鍵設備，由于上料機構不同的選型將直接影響入爐區設備的整體布局及相關設備的控制方式。

圖8 上料機構托盤運動路徑分析

序號8為上料托盤等待上料位置；序號9為上料托盤上料中間位置；序號10為上料托盤上料位置；序號11為上料托盤托料最高位置；序號12為上料橫移位置；序號13為上料機構托盤落料后托盤最低位置。上料機構托盤上升由升降油缸來實現，上料機構托盤橫移由平移油缸來實現，上料托盤運動路徑如圖8、9所示。

圖9 上料托盤運動路徑圖

A點為上料托盤原始位置，上料托盤運動軌跡為A→B→C→D→E→F→A由此完成一次上料循環。

3 結語

本文提出了一種集機、電、液一體化的軋鋼生產線加熱爐前輥道上料機構的結構，完成了工作原理的分析和結構設計，液壓控制原理和載荷計算以及電氣控制的原理動作設計分析，該機構具有自動檢測和識別工作對象的功能，根據檢測和識別的結果自行做出下一步動作的決策的特點。通過該上料機構在軋鋼生產線的使用效果表明，該機構結構合理，運行平穩，對鋼坯及輥道沖擊小、噪音低，使用情況理想。本文通過對軋鋼生產線加熱爐前輥道上料機構的設計，提高了上料能力和上料速度，同時達到了節能的效果，適應現代化軋鋼的需要，在裝備制造業同類型的使用場合中具有借鑒及實用價值，對現代化生產有著重要的意義。

［1］ 曹丙起，曹玥.鋼坯上料臺架的分析與改造［J］.天津冶金，2010（3）：51.

［2］ 劉慶祖.上料臺架的機構分析與計算［J］.設計技術，2006（3）：32－33.

［3］ 黃茂林.機械原理［M］.第2版.北京：機械工業出版社，2010.

［4］ 高建發，鄧黎勇，張彥斌，等.PLC在加熱爐自動送料系統中的應用［J］.電氣自動化，1995（3）：53.

［5］ Wang，C.Z.1Song，J.C.2“Material uninterrupted feeding technology and feeding speed control research of large electroslag remelting furnace［J］.Proceedings of China Modern Logistics Engineering Lecture Notes in Electrical Engineering Volume，2015，286：40－42.