基于PLC礦用聯軸器拆卸裝置液壓控制系統的設計

左學海,張瑞平,文 彪,李 浩,李城磊,張虎虎

(1.山西大同大學,山西 大同 037003;2.山西省忻州市保德縣王家嶺煤業有限公司,山西 忻州 034000)

煤礦設備的正常運行和定期檢修是煤炭開采的重要環節之一,煤礦生產企業及相關單位,每年對多種機電設備的檢修的工作量很大,特別是一些大型機電設備在檢修時,往往需要拆卸聯軸器,由于聯軸器直徑較大,且與軸多為小過盈較緊配合或大過盈無鍵配合,因此拆卸困難,給煤礦生產及機電設備維修帶來很多的損失[1]。目前在拆卸聯軸器方面主要以人工為主,在自動化、智能化拆卸設備方面應用很少[2]。根據已有的拆卸方法,設計一種機電液一體化的拆卸裝置,采用PLC作為控制器,用液壓力作為驅動力,包括升降機構和拉拔機構。本設計采用溫差-壓力法來拆卸聯軸器[3],即利用電磁感應加熱聯軸器外表面,使其孔受熱膨脹,因此聯軸器和軸之間的過盈量減小形成間隙;然后利用液壓力將聯軸器和軸分離完成拆卸。

1 礦用聯軸器拆卸裝置整體結構及工作原理

礦用聯軸器拆卸裝置由電磁感應加熱部分、升降機構、拉拔機構、電器控制組成,共同完成礦用聯軸器的拆卸。礦用聯軸器拆卸裝置整體結構如圖1所示。

圖1 礦用聯軸器拆卸裝置的整體結構圖

電磁感應加熱部分包括撓性線圈、電磁感應控制組、保溫裝置、抗雜波干擾裝置、溫度傳感器等;在拆卸孔軸配合件過程中由于集膚效應的存在,加熱采用中頻加熱;在加熱過程中由于溫度傳感器,可以觀察到加熱部位的溫度變化并及時調整加熱溫度;由于聯軸器的形狀及規格不同,因此采用撓性電磁感應線圈,在加熱過程中將電磁感應線圈纏繞在聯軸器上;電磁感應線圈上帶有保溫材料,防止因為外界溫度變化而影響加熱效率。

升降機構包括移動式升降小車、升降液壓缸、“X”型升降桿、升降板等,移動式小車可以根據被拆卸聯軸器的位置在地面上移動,小車后滑輪組帶有剎車,防止拉拔過程中小車移動發生事故,升降液壓缸帶活塞桿的一端與“X”型升降桿相連,缸體固定在小車底盤上,“X”型升降桿一端與升降底盤相連,另一端與小車底盤相連。升降板固定在“X”型升降桿上,升降板上方固定拉拔液壓缸。

拉拔機構包括拉拔液壓缸、液壓缸上的法蘭盤、調節組件、壓套。升降板上設有燕尾槽,燕尾槽上設有燕尾滑塊,拉拔液壓缸固定在燕尾滑塊上,拉拔液壓缸缸體可隨燕尾滑塊在燕尾槽上左右移動;調節組件包括4個拉桿螺栓,拉桿螺栓一端固定在聯軸器上,另一端固定在法蘭盤的4個長圓孔上,將被拆卸配合組件和拉拔液壓缸連接起來;由于孔軸配合件的內置軸尺寸不同,因此可以定制不同規格的壓套,壓套套入拉拔液壓缸右活塞桿上頂住孔軸配合件的軸。

電磁感應加熱和液壓系統的控制包括控制電磁感應線圈的加熱溫度、控制換向閥。通過接收到溫度傳感器的數據來控制電磁感應線圈加熱的溫度;通過控制換向閥來實現升降板的升降、拉拔液壓缸的左右移動。

具體拆卸流程:將被拆卸組件置于工作臺上,推動小車使其位于工作臺前方,將壓套套入拉拔液壓缸右活塞桿上,將撓性線圈纏繞在聯軸器外表面;按下啟動按鈕,升降板上升,當壓套的中心線與軸中心位于同一直線上時,升降板停止上升;用墊圈、螺母將拉桿螺栓一端固定在法蘭盤長圓孔的合適位置上,另一端固定在聯軸器一端,將被拆卸配合組件和拉拔液壓缸連接起來;按下加熱按鈕,撓性線圈開始加熱聯軸器外表面;給拉拔液壓缸左腔進油,右活塞桿伸出帶動壓套緊緊頂住軸受到阻力,在此過程中,撓性線圈加熱使聯軸器與電機軸之間產生間隙,拉拔液壓缸產生反作用力帶動聯軸器向左運動直至將聯軸器和軸分離,卸下調節組件和聯軸器;給液壓缸右腔進油使液壓缸歸位;升降板下降使其回到初始位置。

2 礦用聯軸器拆卸裝置液壓系統工作原理

2.1 拆卸力的確定

理論上,在礦用聯軸器拆卸過程中所需要的拉力FL應與其裝配時壓入的力Fp一致。因該拆卸裝置采用的是電磁感應加熱法,使其聯軸器和軸之間的過盈量減小產生間隙,因此拆卸所需的拉力減小,所以拆卸力應該在聯軸器與孔之間的摩擦力Ff和裝配力Fp之間,即:Ff

摩擦力計算公式:

Ff=FG×f

式中:FG為礦用聯軸器的重量;f為摩擦系數(鋼對鑄鐵的摩擦系數為 0.15)。

拆卸礦用聯軸器時的摩擦力:Ff=FG×f=49×10×0.15=73.5 N

裝配力計算公式:

式中:L為配合面長度,mm;Ycmax為最大測量過盈量,μm;D是聯軸器的直徑,mm;d是聯軸器軸的直徑,mm.

裝配聯軸器時的裝配力為:F壓=141 kN.要考慮到聯軸器的孔與軸生銹、變形等帶來的阻力,取系數3.2,實際裝配力為440 kN.

因此拆卸礦用聯軸器時的拆卸力為:73.5 N

2.2 液壓系統原理圖

礦用聯軸器拆卸裝置液壓系統由兩個部分組成,分別為升降機構液壓回路和拉拔機構液壓回路,整部分液壓系統由一套液壓泵源供油,以液壓力作為驅動力,使兩個機構相互協調完成拆卸任務,礦用聯軸器拆卸裝置整體液壓系統原理圖如圖2所示。

圖2 礦用聯軸器拆卸裝置液壓系統原理圖

升降機構回路:升降平臺上升的速度可以通過節流閥來調節;為了使升降平臺保持在某一位置,在回路中串聯單向閥,防止液體回流損壞器材[4];行程開關17、20是升降平臺上升和下降的最高和最低限位。具體工作原理為:當1YA、2YA、3YA得到電時,二位四通電磁換向閥2換左位,二位三通電磁換向閥9換右位,二位二通電磁換向閥7換左位,壓力油從泵口流出經過換向閥2的左位、換向閥9的右位、節流閥10、單向閥8,最后流入升降液壓缸6的無桿腔。由于無桿腔油壓大于有桿腔油壓,升降液壓缸6的活塞伸出,節流閥可以調節活塞的運動速度使升降平臺平穩上升[5]。當觸碰到行程開關17時,2YA失電,二位三通電磁換向閥9中位接通,升降平臺停止上升泵卸荷,由于單向閥的存在液體不能回流,升降平臺固定在上限位。

拉拔機構回路:為了實現雙向運動,選用雙桿活塞式液壓缸[6],當拉拔液壓缸左腔進油時,推動缸體向左運動;反正,當拉拔液壓缸右腔進油時,缸體則向右運動;選用滑閥機能“M”型三位四通電磁換向閥,可以將液壓缸鎖緊,并且使泵卸荷減少能量的損耗,避免頻繁的啟停電機;通過節流閥可以調節拉拔液壓缸運動的速度;行程開關18、19是拉拔液壓缸左移和右移的最大限位。當升降平臺上升到某一位置后,此時1YA失電、5YA得電,二位四通電磁換向閥2換中位,三位四通電磁換向閥4換右位,壓力油從泵口流出經過換向閥2的中位、換向閥4的右位、節流閥12,最后流入拉拔液壓缸5的左腔。液壓缸帶著聯軸器向左移動,直至將聯軸器拉出,當觸碰到行程開關18時,5YA失電,拉拔液壓缸停止左移。3 s后4YA得電,三位四通電磁換向閥4換左位,拉拔液壓缸向右移動,當觸碰到行程開關19時,4YA失電,三位四通電磁換向閥換中位,拉拔液壓缸停止右移,拉拔液壓缸歸位[7]。

當拉拔工作完成和歸位后,升降平臺需要回到初始位置,3 s后3YA失電時,二位二通電磁換向閥7中位接通,升降液壓缸6油液流入油箱。當觸碰到行程開關20時,升降平臺停止下降回到初始位置。

礦用聯軸器拆卸裝置液壓系統技術參數表如表1所示。

根據各個機構的動作和各部分液壓回路的原理,可以得到礦用聯軸器拆卸裝置液壓系統的電磁鐵動作邏輯表,如表2所示,表中“-”表示電磁鐵失電,“+”表示電磁鐵得電。

表2 電磁鐵動作邏輯

3 礦用聯軸器拆卸裝置控制系統的設計

3.1 控制系統原理圖

礦用聯軸器拆卸裝置的電氣控制系統原理圖如圖3所示。液壓泵將油箱中的油液輸入到系統中為系統提供動力,電路由主電路和控制電路組成。當開關SB3按下時,交流接觸器KM1的線圈通電并自鎖,電機啟動,同時中間繼電器KA0的線圈通電PLC上電。當開關SB2按下時,KM1和KA0的線圈斷電同時電機停止轉動、PLC停止運行。電路有短路、過載和過低壓保護[8]。

圖3 電氣原理圖

3.2 控制系統動作流程

根據礦用聯軸器拆卸裝置液壓系統原理圖,設計出完整的礦用聯軸器拆卸裝置的動作流程圖。拆卸工作完成之后礦用聯軸器拆卸裝置回到初始位置。動作流程如圖4所示。

圖4 整體動作流程圖

1) 各個機構均處于原始狀態,等待發出操作信號;

2) 液壓泵驅動電機的啟動,電機開始轉動;

3) 定時器開始計時,3 s后升降缸伸出,升降平臺緩慢上升,當觸碰到限位開關1 h,停止上升;

4) 升降平臺穩定后,給拉拔液壓缸一腔進油使活塞桿向右移動頂住電機軸產生阻力,且在此過程中感應加熱線圈加熱使聯軸器與電機軸之間產生

間隙,拉拔液壓缸產生反作用力帶動聯軸器向左移動直至聯軸器和軸分離,當觸碰到限位開關2 h,停止左移;

5) 定時器開始計時,3 s后拉拔液壓缸向右移動,當觸碰到限位開關3 h,停止右移,回到拉拔工作開始時位置;

6) 定時器開始計時,3 s后升降缸縮回,升降平臺緩慢下降,當觸碰到限位開關3 h,停止下降,降到最開始的位置[9]。

4 結 語

通過PLC來控制液壓系統,驅動礦用聯軸器拆卸裝置的各個機構順序地動作,完成拆卸礦用聯軸器的過程。整體裝置實現了機電液一體化,具有良好的自動化水平,可以運用在煤礦上拆卸電機端、水泵段上的聯軸器。該裝置解決了拆卸力度大、拆卸難度高的問題,減少了工人的勞動強度,減少了對零件的損害,提高了拆卸效率。