上料小車運行控制的安全改造

蔣培進 ,許紅兵 ,彭 輝

(1.銅陵有色金屬集團股份有限公司,安徽 銅陵 244000;2.銅陵金威銅業有限公司,安徽 銅陵244000);3.中南大學 自動化學院,湖南 長沙 410083)

0 引言

在鋼鐵、冶金加工等行業的企業中,軋制、退火、清洗、剪切等是生產的重要環節,而帶卷快速和安全的上料和卸料有助于安全和高效生產。在小車上料過程中,各種原因導致的翻卷事故屢見不鮮,有的是帶卷舉升過程中液壓管路爆裂引發的[1],有的是大徑寬比帶卷運行中晃動引發的[2],有的是帶卷小車啟動和剎車引發的[3],有的是帶卷軸心線和卷軸軸心線不重合引發的,翻卷會砸壞小車和護欄,甚至危及人身安全,引起重大安全事故。本文所研究的是帶卷軸心線和卷軸軸心線不重合引發的翻卷原因和解決辦法,當操作工人疏忽或因光線昏暗未能及時發現帶卷軸心線是否重合,或者自動上料帶卷直徑的測量裝置的累積誤差或者干擾[4],都會產生翻卷事故。

上料小車承載帶卷重量可達20 t,卷徑達2 m,一般通過軌道運輸,根據負載和運行要求來選擇電機控制和液壓馬達[5],如圖1 所示,小車通過液壓機構舉升帶卷,使帶卷軸心線和卷軸軸心線這兩個軸心線重合即垂直方向重合[6],小車完成上料。

圖1 小車帶卷和卷軸軸心線重合以及受力分析示意圖

生產中除了通過加強安全教育來規避操作失誤,還可通過設計研發安全裝置避免人為疏忽和測量儀器累加誤差,是更為可靠和安全的方法[7]。

1 設計原理和部件選型

研發思路是采用演繹推理中的分析法,從所需要的功能倒推需要哪些元件和原理能夠實現,安全裝置所需的功能要求一是要能檢測到帶卷移動,二是要控制小車運行。現場中排除了采用超聲波傳感器進行距離測量和計算的方法,由于小車上料和帶卷滑動二者疊加,難以實現帶卷位置測量。另外一種方法是直接在Ⅴ型鞍座設置光電開關,由于難以檢測到不同寬度帶卷的端部,難以檢測帶卷落在Ⅴ型鞍座任意位置而被排除。

帶卷的軸心線不重合時受力分析如圖1 所示,當電機拖動小車水平向左推力Fcar大于帶卷對小車施加的摩擦力f,帶卷被卷軸抵住不動,小車若繼續前進會發生帶卷落下鞍座危險,小車翻卷受力計算如公式(1)所示。

式中i—電機減速比;

d—小車車輪半徑;

P—電機功率;

N—電機轉速;

μ—摩擦系數;

mg—帶卷重力。

在公式(1)合力作用下,通過膠輥可以將帶卷在小車鞍座上的平移變換成圓周運動,具體原理如圖2 所示,平移-角度公式如(2)所示。

圖2 小車安全裝置設計原理

式中L—帶卷在V型鞍座上平移距離,mm;

A1—帶卷在V型鞍座上平移距離起點,mm;

A2—帶卷在V型鞍座上平移距離終點,mm;

θ—膠輥轉動角度,°;

r—膠輥半徑,mm;

v—小車速度,m/s;

t—從被抵住到開始觸發信號時間,s。

由公式(2)可知,平移距離和角度一一對應,可以通過膠輥上安裝的光電開關來檢測平移距離,將此信號納入小車控制程序中,控制小車。

選擇帶有內置軸承的膠輥而放棄鋼輥主要是鋼輥存在容易打滑的問題[7],膠輥的直徑大小是復位彈簧和膠輥鉸支點由初始位轉動后到最高處與帶卷至少留出10 mm 距離,和復位彈簧的最小工作行程[8]公式(3)式之和:

式中f1—最小拉力工作行程,mm;

F1—最小拉力,N,根據測試,選擇至少3 N;

F0—初始拉力,N,1.5 N;

F'—彈簧剛度,N/mm,0.195。通過計算,實際選擇外徑25 mm、長30 mm 膠輥。由此,輸送小車的安全裝置設計結構圖如圖3所示,通過使用壓力彈簧,可以實現帶卷和膠輥的柔性和緊密彈性接觸。

圖3 安全裝置結構圖

膠輥上的復位彈簧,采用拉伸彈簧,根據彈簧最小回位拉力,彈簧工作行程,裝置膠輥和支架空間等因素,選擇LIA0.8 ×8 ×33.2GB/T2088 彈簧[8],固定在膠輥和支架上。

接近開關的選型主要考慮安裝位置和方式,考慮微型化選擇器身直徑8 mm、長30 mm,與測量位置之間的距離即感應距離,考慮帶卷落下震動和滑移速度選擇感應距離大的為6 mm,參考選型手冊,因此選擇電感式IE5367 接近開關。膠輥附置的金屬片,它與接近開關之間的角度等同于帶卷在Ⅴ型架上移動的距離[9]。

2 安裝調試和控制流程設計

現場測試時,膠輥安裝高度要求比小車Ⅴ型鞍座的底端超出15～20 mm,根據現場情況適當調整。現場模擬帶卷被抵住滑移,觸發操作臺上閃光報警,小車立即停車。

進一步,在開卷機卷軸入口前安裝了激光傳感器圖1 所示,目的是做停車檢查,并根據軸心線情況,完成上料。該裝置改造流程如圖4 所示,目前已經在生產中應用,它消除了機組操作工上料的恐懼心理,提高了小車上料的安全性。

圖4 安全裝置改造流程圖

3 其他防止上料小車翻卷的方法

在冶金、鋼鐵等企業中,涌現出多種防止小車上料翻卷方法和裝置,有的是小車承載帶卷質量大,在液壓缸設計回路中要設置防爆保護[1],當油路爆裂流量閥防爆閥會關閉,維持油壓,防止帶卷急速下落造成翻卷,有的是帶卷徑寬比過大,在小車上安裝防傾翻裝置,在帶卷兩側通過保護臂將其牢牢固定[2],有的是電機突然啟動或剎車產生的慣性,通過采用H 型鋼改制而成的半封閉軌道限制小車車輪[3],防止傾翻,其它還包括優化控制程序等,提高小車行車安全已經成為企業安全生產的重要一環。

4 結束語

小車安全裝置可廣泛應用在鋼鐵、冶金、造紙等領域,據統計,國內類似生產線上料小車數量合計約為14 萬個,本文設計的小車安全裝置已獲得專利,不足之處是非標制作,如何開展專利成果轉化是推動經濟發展關鍵一環[10],讓技術研發和市場推廣相結合,符合國家創新發展的戰略。

小車安全裝置的研發和應用,解決了帶卷和卷軸軸心線不重合引發翻卷事故的問題,提高了小車本質安全,是對人為疏忽和儀表測量誤差的第二道防線。結合其他幾種防止小車翻卷的方法,推動上料小車安全運行,可以化解安全風險,具有廣闊的應用前景。