鋼卷外護板自動包裹技術的分析及設計

趙東洋，左 斌，王 磊，孫高翔，肖 暘

（機科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

0 前言

隨著我國高端冷軋鋼卷產(chǎn)量的持續(xù)增加和鋼鐵企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量和品牌意識的不斷提高，冷軋卷材包裝作為冷軋產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中的最后工序，無論是其物流方式還是包裝工藝方面都越來越受到鋼鐵企業(yè)的重視。冷軋成品鋼卷在運輸過程中,為了避免受潮、雨淋，防止起吊和運輸時的摩擦和磕碰等,在成品鋼卷內(nèi)外表面要覆蓋多種包裝材料，如防銹紙、塑料膜、紙護角、鋼護角、內(nèi)外護板和捆帶等，其中外周護板的作用主要是防止鋼卷外表面的磕碰和剮蹭。鋼卷在包裝完防銹紙和塑料膜后，通常在鋼卷的外周面都要再包裹一層外護板。常用的外護板主要有兩種，一種是鍍鋅板，一種是PE板。外護板的包裝方式隨著鋼廠對包裝設備自動化的要求不斷提高，由最初的手動包裝逐漸的升級為用外護板包裹的專機設備來包裝。

1 目前鋼卷外護板的包裝方式

鋼卷包裝方式通常可分為簡易包裝、普通包裝和精包裝。簡易包裝一般是鋼卷卷取完成后在外圓周上捆扎1～3道鋼帶進行固定，這種方式適合于熱軋卷、冷硬卷以及短途運輸且運輸條件較好的鋼卷。普通包裝一般是鋼卷包裹一些簡單的包裝材料，如防銹紙、鋼護角等，最后在鋼卷的周向和眼向打捆帶固定，這種方式適合于冷軋普通卷材以及短途運輸?shù)木聿摹＞b是指使用多種包裝材料，按照不同的包裝工藝要求包裹在鋼卷的外表面，并在鋼卷的周向和眼向打多跟鋼帶固定，適合于高端冷軋板，尤其是汽車板、硅鋼板等。

鋼卷的精包裝會用到多種包裝材料，包裝材料通常分為防銹紙、塑料袋、內(nèi)襯板、內(nèi)護板、外護板、內(nèi)紙護角、外紙護角、端護板、內(nèi)鐵護角、外鐵護角、捆帶墊、捆帶等。外護板的包裹是精包裝中非常重要的一個包裝環(huán)節(jié)。鋼卷外護板的包裝方式種類很多，根據(jù)自動化程度可分為手動包裝、半自動包裝和全自動包裝。手動包裝方式一般在離線的手工鋼卷包裝區(qū)，天車將鋼卷吊到鋪好外護板的鞍座上，人工將外護板包裹在鋼卷外周面后用膠帶粘貼。半自動包裝方式一般是在半自動鋼卷包裝產(chǎn)線上，借助提升設備將鋼卷提起，人工將裁好的外護板包裹到鋼卷外表面上，或者借助輔助包裹機構(gòu)將外護板包裹在鋼卷表面上，人工粘貼外護板的頭尾。全自動包裝方式無需人工參與，應用在自動化程度比較高的包裝產(chǎn)線上，由專用自動包裹設備將外護板包裹在鋼卷的外周面。全自動包裝方式與手動和半自動包裝方式相比，不但可以節(jié)省人員成本和原材料成本，而且還大幅提高包裝生產(chǎn)效率。

表1 鋼卷外護板包裝方式的比較

目前最常用的自動外護板包裹機大體可分為兩種，一種是芬蘭Pesmel公司研發(fā)的全自動外護板包裹機，由外護板存放小車、夾送輥、外護板導板臺、剪板機、噴膠機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)地輥等組成。此設備外護板卷材可存放10種以上規(guī)格，存放外護板原料卷的小車沿著卷心方向一字排開，每種規(guī)格的原料卷放置在獨立的移動小車上，每卷外護板在小車上可以實現(xiàn)自動開卷收卷，當使用某種規(guī)格外護板時，將待使用一定長度的外護板全部開到導板臺上，導板臺具有自動對中功能。此種全自動外護板包裹機的特點是外護板存放的種類多，但是占地面積較大，受限于廠房面積，而且成本較高。另一種是國產(chǎn)的全自動外護板包裹機，由外護板開卷機、導板臺、夾送輥、剪板機、噴膠機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)地輥等組成，目前常用的外護板種類有2到4種，不同規(guī)格的外護板分別存放在單獨的開卷機上，存放不同規(guī)格外護板的開卷機并列平行排開，設備間銜接緊湊，節(jié)省空間。

以上兩種常用的自動外護板包裹機都是地輥輔助待包鋼卷旋轉(zhuǎn)，外護板包裹機自動送板，板頭噴膠后沿著鋼卷與地輥的切線方向粘在鋼卷外周面上，跟隨鋼卷旋轉(zhuǎn)，通過鋼卷自重將外護板與鋼卷外周面壓實，外護板的長度是根據(jù)鋼卷的外形信息自動計算的，外護板尾部噴膠后，鋼卷跟隨地輥繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，最終將外護板包裹在鋼卷外周面。

圖1 地輥式自動外護板包裹機

由于地輥式自動外護板包裹機是地輥帶動鋼卷旋轉(zhuǎn)，再加上鋼卷自重較重，尤其是對于一些厚度較薄的高端冷軋卷材，如取向硅鋼卷、鍍錫卷等，可能會導致鋼卷層與層間產(chǎn)生滑動，對鋼卷表面產(chǎn)生二次損傷，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此地輥式全自動外護板包裹機在一些較薄的高端冷軋卷材包裝上是不適用的。

2 新研發(fā)的外護板自動包裹技術工作原理

針對較薄的高端冷軋卷材包外護板的情況，本文研究了一種旋轉(zhuǎn)漲筒式自動外護板包裹技術。其原理為：待包裹鋼卷到位后，由上卷小車鞍座舉升到卷心中心與旋轉(zhuǎn)漲筒中心一致，上卷小車移動將待包裹鋼卷送到旋轉(zhuǎn)漲縮套筒機構(gòu)上，旋轉(zhuǎn)漲縮套筒機構(gòu)將待包裹鋼卷內(nèi)孔漲緊，自動外護板包裹機根據(jù)待包鋼卷寬度自動選擇外護板原料卷規(guī)格，外護板原料卷通過開卷機旋轉(zhuǎn)自動開卷，通過夾送輥自動送板，當板頭到達噴膠位后，噴膠頭沿著外護板板寬方向自動噴膠，噴膠結(jié)束后，夾送輥繼續(xù)將外護板送到伸縮擺動導板上，伸縮擺動導板根據(jù)待包裹鋼卷的直徑信息將前端壓輥頂在鋼卷外周面上，旋轉(zhuǎn)漲縮套筒帶動待包裹鋼卷旋轉(zhuǎn)，送板機繼續(xù)送板，外護板跟隨待包裹鋼卷旋轉(zhuǎn)，外護板送到指定長度后剪板機裁板，板尾部到達噴膠位置后噴膠頭噴膠，尾部噴膠完成后，外護板跟隨待包裹鋼卷旋轉(zhuǎn)將尾部粘牢，最終完成待包裹鋼卷外護板包裹。工作原理如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)漲筒式自動外護板包裹機原理圖

3 自動外護板包裹設備的研發(fā)

自動外護板包裹設備由外護板開卷裝置、夾送輥、伸縮擺動導板臺、剪板機、噴膠系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒、上卷小車等組成。外護板開卷裝置由漲縮開卷機構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，漲縮機構(gòu)為伸縮連桿機構(gòu)，由液壓缸驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)由減速電機驅(qū)動，可存放外護板原料卷（鍍鋅板卷或PE板卷），根據(jù)不同待包裹鋼卷大小輸送不同長度的外護板，大大提高外護板原材料的利用率。一般外護板開卷裝置可存放多種寬度規(guī)格外護板，設備可根據(jù)待包裹鋼卷寬度自動匹配切換不同規(guī)格外護板。夾送輥分為多層夾送輥和單層夾送輥，隨著外護板規(guī)格的不同，夾送輥的數(shù)量也不同，本設計采用2種規(guī)格外護板材料，夾送輥包括2層夾送輥和單層夾送輥，夾送輥一般采用聚氨酯掛膠輥。剪板機為液壓剪板機，剪切機構(gòu)為拉伸連桿式。噴膠機在外護板的頭部和尾部分別自動噴膠，噴膠的長短和形式可根據(jù)不同外護板材料相應的調(diào)整，為提高噴膠效率也可采用兩個噴膠頭同時噴膠。伸縮擺動導板臺由兩個液壓缸驅(qū)動，根據(jù)待包鋼卷直徑的大小可自動調(diào)整擺動導板臺的長度和角度。旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒為自動外護板包裹機的核心設備，漲縮機構(gòu)由液壓驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)由減速電機驅(qū)動，為了讓外護板包裹時包的更緊，在旋轉(zhuǎn)漲縮機構(gòu)側(cè)面增加一套輔助擺動壓輥，當待包裹鋼卷重量過重時可在漲縮卷筒頭部增加一套輔助支撐機構(gòu)。待包鋼卷上卷一般采用上卷小車上卷，由于待包鋼卷的直徑范圍較大，所以上卷小車的舉升行程也較長，小車升降鞍座由液壓缸驅(qū)動。整個自動外護板包裹機相當于一個小型的開卷卷曲機組，各分體設備銜接緊湊，占地面積小，外護板開卷裝置可設計多種規(guī)格的外護板卷材，不同規(guī)格外護板可實現(xiàn)自動切換。圖3為旋轉(zhuǎn)漲筒式自動外護板設備示意圖。

圖3 旋轉(zhuǎn)漲筒式自動外護板包裹設備示意圖

4 設備研發(fā)的關鍵點

4.1 外護板原料卷開卷裝置的設計

為了方便外護板原料卷的更換，并且能自動使外護板原料卷對中，外護板開卷裝置采用雙開卷機對夾形式，中間下方設置升降鞍座，鞍座表面有滑動輥，能使外護板原料卷可在鞍座上沿卷心方向滑動。具體動作流程：將外護板原料卷吊入到升降鞍座上，根據(jù)原料卷直徑信息，系統(tǒng)自動計算出升降鞍座舉升的高度，舉升到位后，兩側(cè)移動開卷機同時向中間移動，一側(cè)開卷機漲筒末端擋板先頂?shù)皆暇矶嗣鏁r，開卷機繼續(xù)移動，直到兩側(cè)開卷機漲筒末端擋板都頂?shù)皆暇矶嗣鏁r，開卷機停止移動，此時外護板原料卷已對中，兩側(cè)開卷機漲筒漲開，升降鞍座下降到原始位，外護板原料卷上卷完成。此種設計結(jié)構(gòu)原理簡單，可實現(xiàn)外護板與帶包裹鋼卷對中，外護板原料卷的上料安全又方便。

圖4 外護板原料卷開卷裝置示意圖

4.2 自動切換不同規(guī)格外護板原理

本文設計研發(fā)的自動外護板包裹設備有2種規(guī)格的外護板。當外護板原料卷上卷完成后，分別控制兩個卷位的開卷機旋轉(zhuǎn)開卷，通過雙層導板臺先將兩個開卷機上原料卷板頭送至2層夾送輥，通過2層夾送輥夾送外護板，送到單層夾送輥前待用，此處即為不同規(guī)格外護板板頭的等待位。

當接到指令需要1#外護板原料卷時，2層夾送輥啟動，將1#外護板向前輸送，到達單層加送輥后，2層夾送輥松開，單層加送輥夾送1#外護板繼續(xù)向前，最終完成使用1#外護板包裹鋼卷，如果下一個待包鋼卷需要的外護板規(guī)格與剛包完鋼卷的外護板規(guī)格一致，2層夾送輥無需動作，只需要單層夾送輥繼續(xù)送板完成待包鋼卷外護板包裹即可；當接到指令需要2#外護板原料卷時，需要切換外護板規(guī)格，此時單層夾送輥松開，1#外護板原料卷的開卷機反向旋轉(zhuǎn)將1#外護板收回至單層夾送輥前的等待位，2層夾送輥啟動將2#外護板輸送至單層夾送輥，單層夾送輥下壓，2層夾送輥松開，單層夾送輥將2#外護板繼續(xù)輸送，從而完成不同規(guī)格外護板的選擇和輸送。

對于較寬的待包鋼卷，在設計時通常會考慮增加外護板原料卷規(guī)格的數(shù)量，一般可增加到3到4種規(guī)格外護板。當有3種規(guī)格的外護板時，設備需要增加一套開卷機、一套3層夾送輥和3層導板臺；同理，當有4種規(guī)格的外護板時，在3種規(guī)格的基礎上，設備需要再增加一套開卷機、一套4層夾送輥和4層導板臺。自動切換外護板規(guī)格的原理同2種規(guī)格的自動切換原理一樣。

4.3 伸縮擺動導板臺的設計

外護板原料卷開卷后，經(jīng)夾送輥送至伸縮擺動導板臺，距離板頭30mm左右的位置先由噴膠機噴熱熔膠，然后繼續(xù)送板，此時板頭要想順利與待包鋼卷貼合需要伸縮擺動導板臺擺動角度與不同的待包鋼卷直徑匹配，外護板板頭要盡可能沿著待包鋼卷外周的切線方向進入，同時送板速度與鋼卷外周面旋轉(zhuǎn)的線速度要保持一致。為了使外護板與鋼卷外周面粘的更加緊密，在伸縮擺動導板臺頭部設計了一套壓輥，壓輥可以將外護板與鋼卷外周面壓實。當送板送至一定長度后，剪板機將外護板剪斷，外護板尾部同樣在距離板30mm左右的位置由噴膠機噴熱熔膠，隨著鋼卷旋轉(zhuǎn)，外護板最后將鋼卷包裹一周并粘牢。伸縮擺動導板臺的擺動機構(gòu)和伸縮機構(gòu)均由液壓缸驅(qū)動，通過比例閥控制。噴膠頭的往復移動通過電機驅(qū)動，如果需要提高噴膠效率，可采用雙噴頭布置。

圖5 伸縮擺動導板臺示意圖

4.4 旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒的設計

旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒可以把待包鋼卷從內(nèi)孔撐起，帶動待包鋼卷沿著內(nèi)圈軸心旋轉(zhuǎn)，這是實現(xiàn)鋼卷外護板自動包裹的必要條件。在旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒的設計中，由于待包鋼卷內(nèi)孔直徑的限制，尤其是待包鋼卷此時一般情況下已經(jīng)包裹了防銹紙和塑料布，內(nèi)孔的孔徑有所減小，旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒機構(gòu)要滿足支撐20噸以上的鋼卷時，為了防止旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒搭頭，需要在漲筒的頭部增加輔助支撐機構(gòu)，輔助支撐的動力由液壓缸提供。另外鋼卷轉(zhuǎn)動包外護板過程中，為了防止粘好的外護板崩開，在旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒的基座上再增加一套擺動壓輥機構(gòu)，當外護板板頭通過伸縮擺動導板臺頭部的壓輥后，外護板與鋼卷外周面已經(jīng)粘住，鋼卷繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，外護板板頭經(jīng)過擺動壓輥會讓外護板包裹鋼卷更加緊密。

圖6 旋轉(zhuǎn)漲縮卷筒機構(gòu)平面示意圖

6 結(jié)語

通過對目前鋼卷包裹外護板的各種方式進行分析，研制了一種新型的旋轉(zhuǎn)漲筒式全自動外護板包裹機。由于鋼卷是在漲筒撐起來的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)包裹外護板，包裹的過程是通過壓輥撫平的方式，因此不會對鋼卷產(chǎn)生擠壓、劃傷等缺陷。外護板的選擇、送板、噴膠、剪板、包裹全部自動完成，既可以包裝效率，又可以節(jié)省人員及材料成本。由于旋轉(zhuǎn)漲筒式自動外護板包裹機不會對高端冷軋薄板卷材表面質(zhì)量產(chǎn)生二次損傷，因此適用于對各種高端冷軋薄板卷材的外護板包裹，如硅鋼卷、鍍錫卷等。本文研制的旋轉(zhuǎn)漲筒式全自動外護板包裹機在國內(nèi)的某高端冷軋廠已經(jīng)得到實際應用。