燒結(jié)臺車車輪潤滑油自動加注裝置設(shè)計及試驗

董 岱，方實年，衛(wèi) 衛(wèi)，杜 預(yù)，方 田，葉學農(nóng)

(中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019)

引言

燒結(jié)臺車是燒結(jié)生產(chǎn)作業(yè)中的核心設(shè)備，在燒結(jié)作業(yè)中，臺車車輪軸承經(jīng)受著高溫、重載、沖擊振動、粉塵和水沖淋等惡劣工況，若潤滑不及時，可能造成燒結(jié)機停機，不僅增加了臺車的維修費用，也增加了燒結(jié)機的停機時間，對整個燒結(jié)生產(chǎn)都將造成嚴重損失。目前，絕大部分燒結(jié)臺車車輪的潤滑采用人工加油的方式，不僅效率低、工人勞動強度大，而且人工在線操作存在加油困難、容易產(chǎn)生危險事故等問題[1-2]。

對于臺車車輪油潤滑，國內(nèi)外研究人員開展了一系列研究工作。早在20世紀80年代之前，前蘇聯(lián)的卡拉干達鋼鐵公司燒結(jié)廠及南烏拉爾機械制造廠均研制過燒結(jié)機臺車行走輪自動注油裝置[3]。80年代中期，西安重型機械研究所根據(jù)寶鋼從日本引進的450 m2燒結(jié)機成套設(shè)備中的臺車自動潤滑裝置的結(jié)構(gòu)原理，研制了燒結(jié)臺車自動潤滑裝置[4]。西安建筑科技大學與中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司合作，設(shè)計機器人配合視覺定位系統(tǒng)的燒結(jié)機臺車車輪注油系統(tǒng)[5]。從以上燒結(jié)機車輪注油潤滑研究現(xiàn)狀可以看出，早期的自動加油裝置結(jié)構(gòu)簡單，但缺乏檢測設(shè)備，控制系統(tǒng)簡陋，自動化程度較低，個別功能還需人工輔助；機器人配合視覺定位系統(tǒng)的加油裝置，結(jié)合工業(yè)機器人和視覺定位技術(shù)，其技術(shù)方案起點高，適應(yīng)范圍廣，符合燒結(jié)裝備智能化的發(fā)展方向，但目前其技術(shù)設(shè)備成本較高，且燒結(jié)生產(chǎn)車間環(huán)境惡劣，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

針對上述問題，本研究提出開發(fā)燒結(jié)臺車車輪自動加油潤滑系統(tǒng)來替代效率低下的人工加油潤滑操作，并針對其結(jié)構(gòu)設(shè)計和樣機試驗展開一系列研究工作。

1 自動加油裝置設(shè)計

燒結(jié)臺車工作環(huán)境粉塵較多，且受車輪尺寸和間距限制，自動加油裝置的空間比較緊湊，且加油操作時間較短。由于氣動系統(tǒng)對粉塵環(huán)境具有較好的適應(yīng)性[6]，且氣動元件結(jié)構(gòu)緊湊[7]、動作速度快，因此，選擇氣缸作為加油裝置的動作驅(qū)動裝置。所提出的燒結(jié)臺車車輪潤滑油自動加注裝置(簡稱自動加油裝置)的總體方案如圖1所示，自動加油系統(tǒng)(見圖1a)主要包括隨動裝置、車輪捕捉裝置、自動加油槍、移動平臺、電控裝置和干油泵等。其工作基本原理為：燒結(jié)臺車經(jīng)過時，隨動檔桿伸出與車輪接觸，在車輪的驅(qū)動下，移動平臺沿著導(dǎo)軌跟隨臺車運動；車輪捕捉裝置伸出，卡爪夾緊車輪端部凸緣；此時，位于車輪捕捉裝置中心的加油槍伸出，在干油泵的配合下實現(xiàn)加油操作；完成潤滑油加注后，加油槍、車輪捕捉裝置和隨動檔桿依次縮回，移動平臺與臺車車輪脫開連接，然后在平臺驅(qū)動氣缸的驅(qū)動下沿導(dǎo)軌回到初始位置，等待下一次加油操作。整個加油過程中的所有動作均采用氣缸驅(qū)動。

1.1 自動加油裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動加油裝置的主要結(jié)構(gòu)如圖1b所示，主要功能模塊包含隨動裝置、車輪捕捉裝置、加油槍和移動平臺。

1.電磁閥 2.隨動檔桿 3.卡爪 4.加油槍 5.頂桿 6.移動平臺 7.直線導(dǎo)軌 8.緩沖裝置 9.平臺驅(qū)動氣缸 10.卡爪驅(qū)動氣缸 11.套筒 12.套筒驅(qū)動氣缸 13.油槍驅(qū)動氣缸 14.隨動驅(qū)動氣缸 15.端子箱

1)隨動裝置

隨動裝置安裝在移動平臺上，其主要功能是實現(xiàn)加油過程中加油裝置隨著臺車車輪一起運動。隨動裝置主要包括隨動檔桿和驅(qū)動氣缸。其工作原理為：當車輪接近時，氣缸驅(qū)動隨動檔桿伸出與車輪邊沿接觸，實現(xiàn)加油裝置的隨動；當加油結(jié)束時，氣缸驅(qū)動隨動檔桿縮回，加油裝置與車輪脫開，結(jié)束隨動。

2)車輪捕捉裝置

車輪捕捉裝置安裝在移動平臺上，主要功能是完成車輪周向邊沿的捕捉和夾緊。結(jié)合氣動抓手的基本原理[8]，設(shè)計車輪捕捉裝置主要包括：卡爪、頂桿、卡爪驅(qū)動氣缸、套筒、支架、套筒驅(qū)動氣缸等。其工作原理為：隨動加油時，套筒驅(qū)動氣缸推動套筒一端的頂桿頂住車輪端面，安裝在套筒上的卡爪在其驅(qū)動氣缸的驅(qū)動下，夾緊車輪斷面凸緣，實現(xiàn)車輪的捕捉；當加油結(jié)束后，卡爪松開，套筒縮回。

3)加油槍

加油槍安裝在車輪捕捉裝置的中心，主要包括加油槍和驅(qū)動氣缸兩部分。加油時，加油槍在氣缸的驅(qū)動下，與車輪斷面的油杯連接，在干油泵的作用下將潤滑油注入油杯內(nèi)；加油結(jié)束后，則由氣缸驅(qū)動油槍縮回。由于車輪加工和安裝誤差以及使用磨損等問題，在油槍的結(jié)構(gòu)設(shè)計中要考慮采用合適的浮動調(diào)整機構(gòu)來補償油杯可能存在的徑向誤差。

4)移動平臺

移動平臺是加油裝置的安裝基礎(chǔ)，用于安裝隨動裝置、車輪捕捉裝置、加油槍及驅(qū)動裝置等。所設(shè)計的移動平臺沿著直線導(dǎo)軌滑動，通過隨動裝置隨著車輪向前運動，在平臺驅(qū)動氣缸的作用下回到初始位置，并在平臺一端設(shè)置了緩沖裝置，用于吸收平臺回程動能。

1.2 氣動系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)裝置工作過程和氣動系統(tǒng)基本原理[9-10]，提出加油裝置氣動系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)主要包括截止閥、氣動三聯(lián)件、電磁換向閥、氣缸、節(jié)流閥等原件。氣動系統(tǒng)包含加油槍驅(qū)動回路、卡爪驅(qū)動回路、套筒驅(qū)動回路、隨動裝置驅(qū)動回路和移動平臺驅(qū)動回路，其中前四個回路原理相同，采用二位三通電磁閥實現(xiàn)氣缸往復(fù)運動，并通過節(jié)流閥實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。移動平臺回路由于只在回程時工作，因此該回路只需通過二位三通閥連接氣缸的有桿腔，無桿腔則直通大氣。

1.氣源 2.截止閥 3.氣動三聯(lián)件 4.二位四通電磁閥 5.二位三通電磁閥 6.消聲器 7.節(jié)流閥 8.油槍驅(qū)動氣缸 9.卡爪驅(qū)動氣缸 10.套筒驅(qū)動氣缸 11.隨動驅(qū)動氣缸 12.平臺驅(qū)動氣缸

2 浮動式加油槍設(shè)計及分析

由于加油裝置是以臺車車輪端面外圓為定位基準的，而實際生產(chǎn)中車輪加工和安裝誤差以及使用磨損等問題，會使得油杯的實際位置偏離車輪幾何中心，形成徑向誤差。通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，提出了一種雙偏心環(huán)自動調(diào)節(jié)機構(gòu)[11]，來實現(xiàn)油槍位置誤差的自動補償，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括導(dǎo)向裝置、加油槍、內(nèi)偏心環(huán)和外偏心環(huán)。導(dǎo)向裝置安裝在車輪端面，其中心孔內(nèi)安裝車輪加油油杯，油槍設(shè)置在雙偏心環(huán)自動調(diào)節(jié)機構(gòu)的內(nèi)偏心環(huán)內(nèi)。

圖3 加油槍及雙偏心環(huán)調(diào)整機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 雙偏心環(huán)機構(gòu)原理分析

當加油槍伸出與導(dǎo)向裝置接觸時，其受力分析如圖4a所示，雙偏心環(huán)自動調(diào)節(jié)的基本原理為：當加油槍在FP的作用下與導(dǎo)向裝置相互接觸時，受到導(dǎo)向裝置的作用力包括垂直于接觸面的FN和沿著接觸面的摩擦力Ff；FN可分解為沿著加油槍軸線方向的F1和垂直于軸線方向的F2(同理，摩擦力也可分解在這2個方向上)，由加油槍和導(dǎo)向裝置的接觸關(guān)系可知F2的作用方向通過加油槍和導(dǎo)向裝置的中心(如圖4b所示)。當F2的方向不通過內(nèi)外偏心環(huán)中心時，則內(nèi)外偏心環(huán)在F2的作用下，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩使得偏心環(huán)轉(zhuǎn)動，直到加油槍的中心與導(dǎo)向裝置的中心線重合，從而實現(xiàn)加油槍位置的自動調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)量與內(nèi)外偏心環(huán)的偏心量有關(guān)。

2.2 雙偏心環(huán)機構(gòu)數(shù)學模型

如圖4b所示，加油槍中心O3的位置可由偏心距e1，e2及偏心角θ1，θ2表示為[12-13]：

圖4 雙偏心環(huán)自動調(diào)整機構(gòu)原理示意圖

x3=e1cosθ1+e2cosθ2

(1)

y3=e1sinθ1+e2sinθ2

(2)

其中，θ1，θ2∈[0,2π]，由式(1)和式(2)可知，加油槍中心位置的可調(diào)范圍為以(e1+e2)為半徑的圓形區(qū)域。理論上，采用的雙偏心環(huán)機構(gòu)的可調(diào)范圍是以內(nèi)外偏心環(huán)偏心距之和為半徑的圓形區(qū)域。

為方便分析，假設(shè)偏心環(huán)和油槍均為剛體，由剛體平行軸轉(zhuǎn)動理論和雙偏心環(huán)機構(gòu)的受力關(guān)系可知，雙偏心環(huán)在導(dǎo)向裝置作用力的分力F2的作用下繞O1轉(zhuǎn)動，其動力學方程為：

(3)

(4)

J2(θ2)=J2C+m2L2(θ2)

(5)

式中，J1—— 外偏心環(huán)繞O1轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

J(θ2)—— 內(nèi)偏心環(huán)和加油槍繞O1轉(zhuǎn)動慣量，

kg·m2

l1——O1到F2的距離，m

Mf1—— 外偏心環(huán)與軸承座之間的摩擦力矩，

N·m

Mf2—— 加油槍收到導(dǎo)向裝置的摩擦力矩，N·m

l2——O2到F2的距離，m

Mf12—— 外偏心環(huán)與內(nèi)偏心環(huán)之間的摩擦力矩，N·m

J2C—— 內(nèi)偏心環(huán)和加油槍繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

m2—— 內(nèi)偏心環(huán)和加油槍的質(zhì)量，kg

L(θ2)—— 內(nèi)偏心環(huán)和加油槍質(zhì)心轉(zhuǎn)動軸和O1轉(zhuǎn)動軸的距離，m

力F2的作用線經(jīng)過O3(x3，y3)和O4(x0，y0)，其方程為：

(6)

則O1(0,0)和O2(x2，y2)到F2作用線的距離分別為：

(7)

(8)

其中:

x2=e1cosθ1

(9)

y2=e1sinθ1

(10)

由圖4a加油槍受力關(guān)系可得：

F2=FNcosα=FPsinαcosα

(11)

在加油槍驅(qū)動力FP一定的前提下，當α為45°時，偏心環(huán)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力F2取得最大值，因此，導(dǎo)向裝置的錐面角度設(shè)置為45°。

當F2的作用線通過O1和O2時，雙偏心環(huán)的轉(zhuǎn)動力矩為0，此時有l(wèi)1=0，l2=0，由式(7)和式(8)可得：

θ2-θ1=nπ(n為整數(shù))

(12)

(13)

此時，O1，O2，O3和O4位于同一直線上，雙偏心環(huán)處于死點位置，雙偏心環(huán)機構(gòu)無法轉(zhuǎn)動，失去位置調(diào)整能力。在實際應(yīng)用過程中，要盡量避免這種情況的發(fā)生。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可增加彈性限位機構(gòu)，避免雙偏心環(huán)的初始狀態(tài)下，O1，O2和O3處于一條直線上。

3 自動加油裝置試驗

為了驗證所提出的臺車車輪加油裝置方案，構(gòu)建了包括模擬臺車裝置的試驗系統(tǒng)，對所設(shè)計的燒結(jié)臺車車輪自動加油裝置樣機進行試驗研究。

3.1 試驗原理

所設(shè)計的自動加油裝置樣機及試驗系統(tǒng)照片如圖5所示。試驗過程中，臺車沿著軌道往復(fù)運動，自動加油裝置完成加油試驗。試驗系統(tǒng)儀器設(shè)備包括：模擬臺車裝置、自動加油裝置樣機、控制系統(tǒng)(PLC)、傳感器和計算機等。

圖5 燒結(jié)臺車車輪自動加油裝置樣機及試驗裝置

3.2 試驗結(jié)果及分析

所設(shè)計的加油裝置自動工作流程如圖6所示。臺車車輪軸距760 mm，穩(wěn)定運行速度2.5 m/s。臺車運動一個軸距的時間為18.24 s，要求單個車輪自動加油循環(huán)時間小于18.24 s。經(jīng)試驗，加油過程中車輪捕捉和油槍伸出時間、加油后車輪捕捉裝置和油槍縮回時間以及移動平臺返回時間總和約為6 s，為順利進行下一車輪的加油，油槍潤滑油加注時間設(shè)置為9 s較為合適，根據(jù)電動干油泵的輸出流量，自動加油裝置單次加注干油量約為40 mL。

圖6 自動加油裝置動作流程圖

所研制的燒結(jié)臺車車輪自動加油裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。運用模擬臺車試驗系統(tǒng)，對自動加油裝置樣機進行多次自動加油試驗，結(jié)果表明，所研制的自動加油裝置能夠?qū)崿F(xiàn)燒結(jié)臺車車輪在線自動加油潤滑，實現(xiàn)了裝置設(shè)計目標。

表1 自動加油裝置技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)論

針對目前燒結(jié)臺車缺乏自動潤滑設(shè)備的問題，分析現(xiàn)有臺車自動加油技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對所提出的新型燒結(jié)臺車車輪潤滑油自動加注裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和樣機試驗進行研究。主要結(jié)論如下：

(1)對自動加油裝置基本原理及主要部件(包括：隨動裝置、車輪捕捉裝置、自動加油槍、移動平臺)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了詳細分析；

(2)對油槍所采用的雙偏心環(huán)自動調(diào)節(jié)機構(gòu)的工作原理進行研究，根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力分析，構(gòu)建雙偏心環(huán)機構(gòu)調(diào)整過程的數(shù)學模型，分析了該結(jié)構(gòu)工作死點問題，為實際結(jié)構(gòu)設(shè)計提供設(shè)計參考；

(3)構(gòu)建包含自動加油裝置樣機和模擬臺車的試驗系統(tǒng)，對所研制的燒結(jié)臺車車輪自動加油裝置進行研究。試驗結(jié)果表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)臺車車輪在線自動加油潤滑，達到了裝置的設(shè)計目標，為下一步燒結(jié)智能化生產(chǎn)研究奠定了基礎(chǔ)。