冷彎型鋼方矩管收集裝置的自動化改造

張 偉

山西鋼鐵建設(集團)有限公司 山西 太原 030000

一、前言

中國作為目前最大冷彎型生產基地之一。主要有兩大系列:第一,不銹鋼冷彎型鋼產品,主要負責鐵路客車和動車上下墻板,地鐵車輛不銹鋼底架邊梁、頂棚上弦梁、波紋地板、波紋頂板、側頂板、窗上板等產品。第二,碳鋼冷彎型鋼產品,通常包括工程機械及塔吊型材、汽車改裝、鐵路貨車型材、集裝箱、重載汽車、物流設備、建筑鋼板樁等產品。同時,冷彎型鋼項目作為我公司主要的鋼材深加工項目,其焊接技術、控制調整技術、成型技術在國內一直位于頂尖水平。但由于方矩管收集方式過于滯后,仍然利用翻管機來將軌道上的方管運輸到工作人員面前,提供給工作人員收集,再對其進行人工打包,自動化程度較低,根本無法確保工作效率。基于此,本文通過分析方矩形管成形的關鍵技術,有利于工作人員能真正掌握建設方矩形管收集裝置的基礎,再從不同方面來分析方矩形管收集裝置自動化改造中存在的問題,從而針對問題提出有效解決措施,來提升方矩形管收集裝置的工作效果[1]。

二、方矩形管成形的關鍵技術

(一)方矩形管成形的CAD/CAE技術

方矩形管冷彎成形工藝的軋輥設計在整個生產中的重要環節,是利用計算機技術為載體,能有效精細化軋輥輪廓,控制軋輥設計時間,降低軋輥制造成本,讓方矩形管成形設計脫離設計者的工作經驗。同時,COPRA RF軟件作為目前最先進冷彎成型設計軟件,上海某公司通過購買兩套該軟件,實現方矩形管設計的自動化,從工藝設計到軋輥配置、自動出圖、成本核算等工作,都能采用軟件來進行實施,不僅能有效提升設計效率,還能完成大量人工都無法實現的工作(如圖1所示)。

圖1 直接成方管的CAD設計

在傳統方矩形管產品開發過程中,需要注重依賴工程師的工作經驗,不可避免需要經過產品調試過程。通過利用有限元仿真技術,能給產品開發工作提供多樣化方式,設計出來的軋輥和板帶材料能及時引入到有限元模型中,根據機組實際參數來準確計算出機組荷載,并針對其成形結果來出具形象仿真結構。同時,在軋輥進行制作前,要提前實現計算機優化功能,來解決未來設計中存在的問題,才能將整個調試過程完整的呈現在計算機上,特別是針對一些難度較大的截面設計和新材料方面,才能利用有限元仿真方式來進行解決。

(二)高精度方矩形管成形技術

我國方矩形管經歷過從無到有的過程,產品質量呈現出逐年遞增的形式,隨著客戶對產品質量要求不斷提升,無形中推動生產廠家不斷優化產品精度,從而滿足行業技術標準。針對該種情況,我們公司就結合企業實際情況,制定非常嚴謹的企業標準,來滿足不同類型客戶的基本要求。在正常情況下,高精度方矩形管產品主要包括生產控制、成型工藝、原料、設備等環節,為滿足客戶基本要求,企業構建精度較高的截面冷彎成型生產線,整個生產線的產品尺寸精度能上升到上下0.05mm范圍內[2]。同時,該條生產線具有快速換輥裝置、導柱式高剛度機架、插入式輥機架等(如圖2所示)。

圖2 高精度冷彎成型機組

(三)方矩形管柔性成形技術

通過利用直接成形方矩形管技術,有利于實現軋輥公用,能根據不同產品規格進行合理調整,在直接成形工藝基礎上,國內很多制造企業都相繼研究出適用于方矩形管的新型機組。同時,在我國正式公布一種新型機組,主要包括軋輥、調整結構、機架等環節,整個機架呈現立式,調整結構是通過利用兩組絲杠橫向安裝在機架兩端,絲桿一端上面設置有電機,上下軋輥則是根據要求進行依次布置,安裝在兩組絲桿中間,并在軋輥兩端分別設置滑座,且將軋輥和絲桿進行固定。另外,軋輥兩段輥面的花鍵軸外套上和連接套相互連接,輥面被安裝在連接套中間,并且在輥面外側的連接套中安裝承載螺帽和軸承,用來作為固定作為,軸承外套用來連接絲桿和固定軋輥,整個連接體用螺帽進行固定,工作人員將螺套根據正反原則扣在絲桿上,電機能帶動絲桿進行轉動,并合理調整軋輥間距,保證其能滿足不同程度厚度板材的成型[3]。

在信息化時代背景下,科學技術不斷發展,研究人員研究出新型軋機結構,非常適合應用在加工軋件寬度變化幅度較大的浮動牌坊軋機中,在和軋件位置相同的固定牌坊間安裝軋輥浮動牌坊裝置,該裝置主要是由兩個上下軋輥浮動機構成,主要包括偏心套、浮動牌坊、下輥套、寬度調整零件等環節組成,不僅能應用在軋件寬度變化較多的軋制中,還能使用在軋制規格較小的方矩形管中。目前,我國冷彎成型方式有定半徑法、定長度法等類型,這些方面無法滿足方矩形管在厚度變化時彎曲精確度要求。因此,在創新軋機結構過程中,要滿足不同尺寸、不同壁厚產品的基本要求,針對該種情況,研究人員提出利用外直線輪廓為固定交叉點的彎曲設計方式,這種方式不僅能滿足輥型公用要求,還要有利于工作人員及時調整柔性輥型系統的設計方式。通過利用該種方法,一旦板厚出現任何變化,輥型板厚能直接根據板厚差異值來進行調整,而軸向方向能根據幾何關系進行控制,孔型調整則能完成板料精確彎曲成型作用,在理論上能都完成實施。當產品板厚出現不同程度變化時,孔型垂直方向會根據板厚差值來進行控制,而水平橫向會結合厚度差和彎曲角度幾何關系來進行[4]。

(四)高精度高矩形管檢測技術

目前,最常見的方矩形管檢測是利用角度尺、千分尺、量具卡尺作為主要工具,針對圓角環節的檢測,必須要進行剖面投影;針對冷彎型產品,尤其是針對截型過于復雜的產品,要工作人員可通過桌面式輪廓掃描儀來進行檢測。其能通過利用旋轉臺和傳感器來實現截面無接觸檢測,還能將肉眼可見截面實施圖形化,其具有較高的靈活性、精度等特征。因此,在檢測型材時,工作人員只需要將手放在旋轉型臺面上,將其旋轉360°,就能將整個型面輪廓掃描出來,并將所有掃描截面全部匯聚到同一輪廓上,并將其和預期的設計斷面進行對比,從而準確計算出型面出現的差異性,來判斷其是否超過預定值(如圖3所示)。

圖3 CORPA桌面截型掃描儀

三、方矩管收集裝置現狀和主要問題

首先,以往方矩管收集裝置需要耗費較高的人工成本、工作效率較慢,通常需要吊裝、收集、翻管每個崗位2人,總共需要耗費6個人員;在處理80方以下的產品生產時,出管速度雖然能達到25m/min,但由于后期需要人工進行翻管和吊裝排管,整體速度較慢,會將出管速度制約在20m/min左右,會給機組生產效率帶來嚴重影響[5]。同時,傳統方矩管收集裝置會影響到整個產品的生產質量,在翻管機翻動管子和管子掉落時,很容易出現表面劃傷,給質量帶來很多方面的問題,且其還存在安全風險,一旦其出現側翻,會和其他物體形成碰撞,從而帶來打擊性傷害;其次,冷彎項目生產線自動化系統是利用西門子S7-300PLC系統進行控制,在生產現場設置ET200M站,確保MCC柜、變頻器裝置、控制箱間進行相互溝通。但由于項目在施工過程中,電氣設施接地系統規范程度不足,導致其經常出現電磁干擾問題,從而引起變頻器和PLC間出現嚴重的通訊故障,給企業生產效率帶來嚴重影響。但由于后期精整區域和前期成型區域并未有直接聯系,所以這次改造將會去掉整個精整區域ET200M站,利用S7-200和S7300來進行控制精整區域,變頻器則是利用高精度電位器來控制傳送輥速度,通過輸入輸出模塊和現場控制元件來實現硬線連接,減低系統通信故障影響范圍,從而提升設備運行穩定性;最后,原鏈床排管收集是在懸臂吊下部進行排管打包處理,根本無法實現自動打包工序[6]。

四、方矩管收集裝置具體實施內容

(一)工程設計

原設計:手動收集方管、飛鋸鋸切、手動打包鋼管、手動翻管下輥。

新設計:飛鋸鋸切、自動收集方管、檢測有管、托板抬管、推料1對齊、檢測鋼管支數、傳輸單排鋼管大鏈床、碼垛、推料2對齊、檢測鋼管排數、運輸出倉位、小鏈床運輸、運輸到檢測點、打包鋼管[7]。

(二)土建改造

在改造過程中,工作人員要將原來鏈床排氣管收集線上的輸送軌道、懸臂吊、碼垛等環節拆除,然后在輸送鏈床北側安裝碼垛收集器、液壓油缸、推料機,將原來的鏈床改造成大小不同的階梯式鏈床,建立碼垛收集液壓基礎,從而恢復混凝土路面的正常運行,提升道路兩側的安全性。

(三)電氣改造

首先,通過西門子S7-300PLC控制器來控制189線自動化控制系統,并在工作現場設置ET200 M站,利用PROFIBUS-DP通信來保證操作臺、MMC柜、變頻器裝置、控制箱等設備實現相互溝通。但由于在項目施工階段電氣設備接地系統設計規范程度不足,導致其經常受到電磁干擾,在主系統中PLC和變頻器時常出現通訊故障,給生產效率帶來嚴重影響。針對這種情況,工作人員對其進行多方面分析,發現后期精整環節和前期成型工藝環節并未有明顯聯系,及時將精整區域ET200 M站去掉,利用S7-200和S7-300兩個PLC控制其來控制整個精整環節,保證變頻器能控制傳送輥運行速度,從而實現硬線相互連接,降低主系統通信故障影響范圍,從而提升設備運行穩定性。其次,鏈床收集打包系統是將SIEMENS S7-200為主體,并結合現場需求,編制對應的系統運行程序,來提升整套設備的穩定性。同時,由于精整區域PLC模塊和現場控制單元距離較近,根本不需要利用網絡傳輸來進行控制,并且經過優化后的精整區域控制系統不需要網絡通信控制,單純采用硬線連接,就能提升其抗干擾能力和穩定性,降低維修工作人員的工作量[8]。

五、總結

綜上所述,冷彎型鋼作為含大量鋼元素的深加工產品,工作人員通過進行自動化改造,能有效提升產品生產效率,和去年生產量相比,單班生產量能超過去年40噸,訂單完成效率得到明顯提升,給企業實現可持續發展打下堅實的基礎。基于此,本文通過分析方矩形管成形的關鍵技術,有利于工作人員能真正掌握建設方矩形管收集裝置的基礎,再從不同方面來分析方矩形管收集裝置自動化改造中存在的問題,從而針對問題提出有效解決措施,來提升方矩形管收集裝置的工作效果。