飛剪廢料捕捉器設計計算

陳功彬 郭建強 桑孔超

(1：寶武集團廣東韶關鋼鐵有限公司 廣東韶關 512123；2:北京中冶設備研究設計總院有限公司軋鋼分公司 北京100029)

1 前言

在高速線材生產線，飛剪是不可缺少的重要設備，飛剪位于精軋機前，是負責軋制中切頭，切尾和事故碎斷的主要設備，并且在工作時處于髙速運轉狀態，控制精度要求較高[1]。位于飛剪機出口側后方的出口導槽裝置，則是負責剪后的軋件導向。然而，在實際生產中，飛剪機切頭時,鋼頭在慣性作用下會以微大于軋件的速度向前飛行,往往不會按照預設軌跡落入飛剪機下方的溜槽裝置中，而是隨著軋件繼續向前運動，從而飛入導槽，堵住軋件運行的軋制通道,產生卡鋼、堆鋼事故，嚴重影響生產線的正常運行[2]。

為了有效消除這一現象，需要在出口導槽裝置上增加廢料捕捉器，通過電氣控制，廢料捕捉器可以有效的截住切頭，切尾廢料，將其拍打進飛剪機下方的溜槽中，保證出口導槽的暢通，從而保證飛剪機的正常運行。

2 裝置結構介紹

如圖1所示，該廢料捕捉器由傳動裝配、連桿裝配、擺臂、伺服電機、減速機、聯軸器以及制動器等部分組成。

圖1 出口導槽裝配示意圖

設備運行過程中，飛剪機切掉的廢料將從左邊飛入導槽本體。當料頭行進到一定距離時，PLC給伺服電機發送啟動指令，伺服電機通過減速機、聯軸器帶動傳動軸轉動，傳動軸聯接連桿裝配帶動擺臂繞擺臂軸上下擺動，將廢料截住并拍打進位于出口導槽下方的收集裝置中。

3 計算與分析

3.1 運動過程描述

捕捉器擺臂的運動過程如圖2所示，伺服電機軸的運動過程如圖3所示。當電機軸位于圖3所示的位置“D”時，擺臂位于初始位置“d”，如圖2所示，也是擺臂所處的最低位置。當熱鋼坯行進到金屬探測器HMD時，說明飛剪即將進行“切頭”作業，捕捉器需要進入準備狀態，PLC給伺服電機發出啟動指令，伺服電機逆時針轉過α并停在“A’”位等待下次指令，擺臂在伺服電機帶動下由最低位置向上運動至位置“a”，即擺臂即將進行拍打作業的初始位置。

圖2 擺臂運動過程示意圖

圖3 電機轉動過程示意圖

表1 伺服電機角度參數表(數據來源于某工程)

熱鋼坯行進到HMD的同時，測長編碼器開始計數，經過t1秒延時，PLC向伺服電機發出啟動指令，伺服電機逆時針加速轉過β，由“A’”轉到位置“B”，擺臂在電機帶動下由位置“a”加速運動到位置“b”，此時擺臂到達最高位置；伺服電機繼續加速轉過γ，擺臂由最高位繼續加速但反向運動，回到位置“a”，飛剪機切除的頭部廢料大約在該位置被截住。然后伺服電機開始勻速轉過θ1,到達位置“C”，最終減速轉過θ2后停在位置“D”。在伺服電機帶動下，擺臂從“a”處勻速向下運動至其水平位置“c”，此后減速運動至最低位“d”停止，等待下次動作。

當測長編碼器開始計數并延時t2秒后，PLC給伺服電機發動啟動指令，伺服電機順時鐘加速轉過θ2到達位置“C”，同時擺臂在電機帶動下也加速運行至水平位置。接下來，電機軸勻速轉過θ1到達位置“A”，帶動擺臂以恒定速度向上運動至位置“a”，確保捕捉器在電氣控制下將飛剪機切除的尾部廢料攔截。最終，電機軸減速轉過β+γ后停在位置“A’”，而擺臂則在伺服電機作用下，完成一次“a-b-a”的往返擺動，即當前軋件的尾端通過擺臂以后，擺臂最終停回“a”位置，準備進行下一次作業。

3.2 控制過程計算

在工作過程中，捕捉器不僅要保證把切頭、切尾的廢料順利拍進溜槽中，防止廢料進入出口導槽；還要確保整個動作過程，不影響軋件的正常運行；這對捕捉器的動作精度要求很高。而捕捉器的動作過程由伺服電機控制，因此伺服電機的選擇，是該裝置能夠成功作業的關鍵。具體控制過程計算如下：

已知剪刃中心線到翻板水平尖端的距離為X；軋件的運行速度為a；

切除頭部廢料的軋件從剪機中心運行到切頭捕捉器前端的時間如下：

捕捉器從位置“a”勻速運動到水平位置(即軋制中心線)，伺服電機需從圖3所示的位置“A”運動至位置“C”，電機軸勻速轉過角度為θ1，即：

為了確保切頭后的軋件無障礙通過出口導槽，此時擺臂尖端必須低于軋制中心線，也就是說擺臂從位置“a”運動到位置“c”所用的時間必須小于軋件到達擺臂前端所花費的時間。

該情況下，電機的最低轉速為：

當捕捉器從位置“a”經過位置“c”，最終停在位置“d”，此時電機軸轉過的角度為(θ1+θ2)，即：

假如切頭后的軋件到達捕捉器尖端位置時，擺臂停在終點位置，此時電機的轉速為：

即伺服電機可能的最大轉速。

值得注意的是，擺臂從初始位置“a”開始加速，進行“a-b-a”往復運動，而并非一開始就停在最高位置“b”,從最高位開始加速，就是為了為伺服電機留有足夠的加速時間，使其能夠獲得足夠大的轉速。

3.3 結果與分析

以西門子電機為例，根據上述運動過程的計算結果進行電機選型。考慮到該裝置對控制精度要求高，選擇能滿足高精度的伺服電機[3]。首先，為滿足捕捉器的運行速度，伺服電機的轉速必須能夠覆蓋445rpm～870rpm；參考西門子伺服電機選型手冊，選擇額定轉速1500rpm的電機，滿足轉速要求。其次，需要計算帶動捕捉器運轉所需的扭矩。傳統的手工計算，首先要做出機構簡圖，套用各種力學公式以及平面幾何的概念，再根據結果描繪所需各種曲線。因模型已簡化成為最基本的桿單元，計算工程中數值近似取證等問題，造成得出的結果只能作為理論值，和實際還有一定差別。同時，由于傳統算法，手算量大，易出現人為計算的紕漏，最終容易造成設計誤差[4]。因此，如圖4所示，本文采用三維模型運動仿真的方法確定電機最小扭矩。

圖4 捕捉器部分三維模型

首先用INVENTOR建立零件的三維模型，裝配后根據零件之間的結構關系創建約束條件，然后在“環境”選項中運行“運行仿真”，在傳動軸上添加扭矩，通過改變扭矩大小進行仿真實驗，最終確定96N·m可以帶動負載滿足條件地運轉。

因此，最終確定伺服電機型號為1PH8133-1DF12-1BA1，該電機功率為15kW，電機額定轉速為1500rpm，可保持恒定功率輸出的最大轉速為5500rpm,輸出扭矩為96N·m。

4 結論

綜上所述，根據廢料捕捉裝置的結構特點，結合飛剪機的切頭、切尾功能，做運動過程的詳細分析，并對裝置控制部分進行有效的算，根據計算結果選擇合適的電控設備，才能夠保證該裝置的正確運行，從而實現廢料捕捉拍打，進而消除飛剪機出口導槽的堆鋼、卡鋼現象。除了本文中所涉及的計算外，還需要在實際生產過程中，根據具體情況，對控制部分進行調試，以達到捕捉器的最佳運行狀態。總之，該捕捉裝置能夠解決生產運行中的實際問題，有效地提高飛剪機的運行效率。