（机械工程专业论文）cpl01半自动钢卷包装机组的设计研究.pdf

c p l 0 1 半自动钢卷包装机组的设计研究 摘要 钢卷包装机组由若干个包装设备配以输送设备组成，用于完成冷轧或热轧 后钢卷的包装工作，它的应用不但可以提高钢卷包装工作的效率，而且大大降低 了包装工作的劳动强度，为国内外钢铁企业广泛采用。 本文深入研究了c p l o l 半自动钢卷包装机组的设计。主要内容有： 1 ) 介绍了课题研究工作的意义，机组的包装工艺、设备组成及工作原 理： 2 ) 详细分析了机组的包装节拍与物流运输方式： 3 ) 介绍了机械子系统的关键设备如步进梁、助包装置的设计方法，对 传卷机的摆臂机构进行了有限元分析： 4 ) 介绍了液压子系统的构成，重点介绍了用比例调速阀对步进梁进行 速度控制的问题； 5 ) 介绍了三相异步交流电动机的变频调速原理和矢量控制原理，详细 分析了用p i d 控制器实现传卷车的定位控制问题； 6 ) 论述了基于现场总线的电气控制系统的实现方法。 关键词：钢卷包装机组包装节拍有限元 比例调速阀p i d 控制现场总线 t h er e s e a r c ho n d e s i g n o ft h ec p l 0 1c o i l p a c l a 啦n g l i n e a b s t l a c t c o i lp a c k a g i n gl i n ew h i c hi sc o m p o s e do fs o m ep a c l ( a g i n ga 1 1 dt r a u l s p o r t a t i o n m a c m n e si sb e i n gu s e dt 0p a c kc o l do rh o tr o l l i n gc o i l nc a ni m p r 0 v et h ee m c i e n c y o fc o i lp a c k a g i n gw o r ka n dr e d u c et h el a b o u rh l t e n s i t y c o i lp 鑫c k a 瘿n gl i n eh a st 蛇e n u s e di nl o t so fs t e e lc o r p o r a t i o l l s t m sp a p e rr e s e a r c ht h ed e s i g no ft h ec p l 0 lc o i l p a c k a g i n gl i n e t h em a i n c o n t e n t so f t h i sa m c l ea r e ： 1 ) a n a l y z e dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，t h ep a c k a g i n gp r o c e s sa n dt h ep a c l ( a g i n g a i l dt 阳n s p o r t a t i o nm a c h i n e s 2 ) a n a l y z e d t h ep a c k a g i n g p e r i o da n d t h cc o i l t r a l l s p o r t a t i o nm e t h o d 3 ) a n a l y z e dt h ed e s i g nm e t h o do ft h e 眦l k i n gb e 锄a n d 廿1 eo u t e rp a p e r p a c k a g i n g a i d i n t r o d u c e dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ec o i l t r a n s p o r t a t i o n m a c h i n e 4 ) i n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo f t h eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m i n t r o d u c e dt h e a p p l i c a t i o no fp r o p o o n a lv e l o c i t yr e g u l a t i n gv a l v ei nt h es p e e dc o n t r o lo fw a j k i n g b e 锄 5 ) a j l a l y z e d m ep i dc o m r o lm e t h o df o r i o c a t i n gc o n t r o lo f t h e c o i lt r a n s p o r t a t i o n c a l 6 ) i n t r o d u c e dt h er e a l i z a t i o nm e 山o do f t h ea u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do n t h e 矗e l db u s k e y w o r d s ：c o i lp a c k a g i n gl i n e ，p a c k a g i n g p e r i o d f i n i 把e 1 e m e m a n a i y s i s p r o p o r t i o n a lv e l o c i t yr e g u l a t i n gv a l v e ，p i dc o n t m lm e t h o d ，f i e l db u s 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 委员： 导师： 倦仑眦丈善缀 鸯谶 篙羔 谬社 | 夸阮洲步毛髻掘起 插图目录 图1 1经c p l 0 l 半自动钢卷包装机组包装后的钢卷 图1 2 包装材料爆炸图 图1 3c p l o l 半自动钢卷包装机组三维图例 图2 1两个传卷车受卷路线图- 图2 2 受卷过程节拍表( 两个传卷车) - 图2 3一个传卷车受卷路线图- 图2 4 受卷过程节拍表( 一个传卷车) 图2 5c p l 0 1 半自动钢卷包装机组的原料卷缓存区1 7 图2 6 栈道步进粱平面立面图 图2 7 天车一次吊运3 个钢卷 图3 1 横梁支撑布置在两端 图3 2 横梁支撑在中间一 图3 3 箱形截面- 图3 4l g l 4 型助包装置 图3 5 钢卷到位 图3 6 包小卷 图3 7 包大卷 图38l g l 4 型助包装鬣受力分析图 图3 9e x c e l 的“规划求解”功能 图3 1 0 传卷机挑起钢卷 图3 1 l传卷机横梁、缸体、上下立柱系统三维实体模型 图3 1 2 整个模型共划分6 7 4 3 9 个单元 图3 1 3 缸体内部铸造圆角处单元进行了细化 图3 1 4 整体变形图 图3 1 5 缸体应力图 图3 1 6 缸体变形图 图3 1 7 横梁轴套应力图 图3 18 横梁外表面应力图 图3 1 9 横梁内表面应力图 图3 2 0 立柱x 向位移图” 图32 1立柱z 向位移图 图3 2 2 立柱综合变形图 图3 。2 3上立柱外表面应力图一 屯0叫鸭挖” 加姐m巧船船拍”弛砣驺”弭弘弘拍弘弛骋 图3 2 4 图4 1 图4 2 图4 _ 3 图4 4 图4 5 图4 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图6 1 图6 2 图6 3 上立柱内表面应力图。 液压子系统示意图 恒压变量泵的压力一流量输出特性曲线| 进油节流调速回路 比例调速阀的流量特性曲线 步迸梁的比例调速回路“ 2 f r e 型比例二通调速阀剖面图 传卷车运卷图 传卷车的位置控制系统框图 不同坐标系中电流分量的等效变换“ ( a ) 异步电动机的坐标变换结构图( b ) 异步电动机矢量变换控制系统 动态特性法示意图 传卷车闭环位置控制框图一 企业综合自动化系统结构层次示意图 i s o o s i 通信标准模型 控制系统的网络结构 虬驼钙舛甜蛎卯鹌 舛卯 表格目录 表1 1c p l o l 半自动钢卷包装机组设备功能4 表2 1 两个传卷车的受卷过程9 表2 2 一个传卷车的受卷过程，1 2 表2 3 步进梁运卷过程1 4 表3 1 变量值表3 1 表5 1 动态特性法整定p i d 参数5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果也不包含为获得盒蟹工、业盘堂或其他敦百机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签丰：如甜5 型字目弱： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒墨王些友堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部域机构送变论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权宣 月墨王些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编八有关数据库进行检索+ 可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名：渺磐铆躲例 学位论文作者毕业后去向 j 二作单位： 通讯地址i 电话 邮编 致谢 本文是在陈科教授和王大璞研究员的热情鼓励和悉心指导下完成的，二位老 师治学严谨、知识渊博，并且具有丰富的工程实践经验，使我在实践中得到了极 大的锻炼，并将使我终生受益。在此文完成之际谨向二位老师多年以来的谆谆 教诲和无私帮助致以诚挚的谢意，也感谢他们在生活上给予我的关心与照顾。 在c p l 0 1 半自动钢卷包装机组的设计研究过程中，我得到了机械科学研究 院于革刚研究员、刘明利研究员的认真指导和无私帮助，在此表示衷心的感谢。 最后，我还要感谢我的家人，感谢他们对我的默默的支持与关怀。 作者：伍听窟 2 0 0 4 年1 】月 第一章前言 1 1 钢卷包装机组研究工作的意义 目前，我国钢铁年产量已超过2 亿吨【1 1 ，居世界第一。钢材市场持续升温， 呈现购销两旺的局面。作为高端产品的冷轧薄板( 特别是汽车板、彩板和电工钢 板等) 的市场需求更是连年增长。但国内生产能力有限，难以满足市场需求，造 成进口产品在冷轧薄板市场中占很大比重，价格一直居高不下。难得的商机促使 国内钢铁企业纷纷上马冷轧薄板生产线。可以说，生产线的产能和建成的早晚决 定了市场份额的大小。 冷轧薄板通常的供货状态分为板材( 钢板) 和卷材( 钢卷) 两种。用户的需 求大部分为板材。但由于钢铁企业为了提高生产率和节约成本，往往减少板材的 生产而大量生产卷材，这使得板材的生产基地逐渐转移到钢材市场( 钢材配送中 心) 。钢材配送中心从钢铁企业直接采购卷材，再根据用户需求裁剪成板材卖给 用户。钢卷生产比重的增加，使得生产线的最后一道工序钢卷包装的重要性 越发突出。由于钢卷要经过厂内和钢材配送中心等多次储存、运输，并且冷轧薄 板产品对于外观质量要求较高，没有良好的外包装很难保证最终到达用户手中的 产品质量。良好的外包装不但对于运输、储存至关重要，而且也是优质产品的标 志，是企业形象的象征。因此研究钢卷包装对冷轧生产效率和产品质量的影响就 显得十分重要。 传统的手工包装存在着包装质量差、生产效率低和工人劳动强度大等弱点。 特别是，随着轧制速度的提高，新建的冷轧生产线的能力都在百万吨级，低效率 的手工包装根本不能满足生产要求，成为冷轧生产的“瓶颈”。解决的办法就是 建造专门的包装机组，采用先进的、自动化的包装技术与装备。包装机组是由若 干个包装设备配以运输设备组成，根据自动化程度可分为手动、半自动和全自动 包装机组三种。手动包装机组的全部包装工作需要人工完成，只有钢卷的运送借 助于运输设备，手动包装机组投资最少但效率很低，而且耗费大量人力，目前钢 铁企业逐渐将其淘汰，只是对特殊钢材采用手动包装。半自动包装机组由专门的 包装设备辅助作业人员实现包装工作，有些设备还可独立工作无需人参与，半自 动包装机组依靠人与设备的配合，往往可以达到较高的效率，而且价格适中为绝 大多数钢铁企业所采纳。全自动包装机组自动完成全部包装工作，效率最高，但 投资巨大，难以被国内的钢铁企业所接受，但全自动包装机组是今后的发展方向。 德国、日本等发达国家的钢卷包装机组研究工作起步较早，从1 9 6 8 年德国 西马格公司为比利时建造的第一条半自动钢卷包装机组【2 】算起至今有近四十年 时间，无论从工艺、设备还是控制方面都已经达到了很高的水平，能够设计出全 自动包装机组。而我国的钢卷包装机组研究工作起步较晚，至今只有不到十年时 间，仅有几家企业能够设计半自动包装机组，在国内已经建成并投入使用的国产 机组不超过五条。 由机械科学研究院为武汉钢铁( 集团) 公司建造的c p l 0 l 半自动钢卷包装 机组采用先进的包装工艺，整条机组的全部设备皆为自主开发研制，获得了多项 国家专利，其中入口缓存区“倒卷”及出口缓存栈的物流运输方式为国内外首创， 该技术很好地解决了生产过程中产品的物流通畅问题。机组于2 0 0 4 年5 月建成 投产，运行平稳、可靠，包装质量牢固、美观( 圉1 1 为经c p l 0 1 半自动钢卷包 装机组包装后的钢卷) ，整体技术达到了国内领先水平。 图1l经c p l 0 1 半自动钢卷包装机组包装后的钢卷 2 1 2c p l 0 1 半自动钢卷包装机组概述 1 2 1 包装工艺、设备组成及工作原理 回 6 5 4 8 7 9 1 一防锈纸2 一塑料袋3 - 夕p 铁皮4 _ 步 铁护角5 一内纸护角6 一内铁皮 7 _ 夕 铁护角8 夕 纸护角9 待包装钢卷l o 一周向捆带1 1 卷眼捆带 图t 2 包装材料爆炸图【3 1 通常钢卷要经过长途运输，为了避免受潮、雨淋，防止起吊和运输时的摩擦 和磕碰等，在成品钢卷内外表面要覆盖多种包装材料。如图i _ 2 所示，根据包装 的先后顺序可分为外纸护角安放、外周防锈纸包装、内径防锈纸包装、塑料套包 装、内纸护角安放、外铁皮包装、内铁皮包装、端护板包装、内外铁护角安放、 周向打捆( 3 5 道) 、卷眼打捆( 4 6 道) 等工序。 各种包装材料的作用如下： 内外纸护角保护防锈纸避免被钢卷棱边割破： 防锈纸、塑料袋阻止潮气、水侵入，减少油损，防止沾污产品f4 1 ； 内外铁皮及铁护角、端护板保护防锈纸和塑料袋，在紧贴外钢皮内部还 可增加厚塑料板保护钢卷避免硬伤： 周向打捆通常为三道，旁边两道为固定外铁护角所用，中间一道的作用 是固定卷眼捆带，对于宽卷可根据需要打四道或五道周向捆带； 卷眼打捆四道或六道，卷眼捆带才真正起到固定钢卷的作用。 哆黟 图1 _ 3c p l 0 1 半自动钢卷包装机组三维图例 为了完成以上包装工艺，c p l 0 1 半自动钢卷包装机组配备了2 2 台设备( 如 图1 3 所示) ，各设备的功能见表1 1 。整条机组的工作原理如下：入口传卷车将 原料卷从上条机组( 重卷机组) 传送到包装机组的步进梁上，步进梁上依次排有 若干个工位，原料卷在每个工位上步进式传送，经过1 # 步进梁、2 撑步进梁、3 # 步进梁，由传卷机传到包装步进梁上，在传送过程中依次实现称重( 电子秤完成) 一对中( 对中装置完成) 一外纸护角安放( 人工完成) 一外周防锈纸包装( 纸库 和滚包机辅助人工完成) 一内径防锈纸包装( 人工完成) 一塑料套包装( 传卷机 挑起钢卷，人工套塑料袋) 一开外铁皮( 开卷机完成) 一剪外铁皮( 剪板机完成) 一送外铁皮( 送板机完成) 一包外铁皮( 助包装置辅助人工完成) 一折纸( 人工 完成) 一折塑料袋( 人工完成) 一内纸护角安放( 人工完成) 一内铁皮包装( 人 工完成) 一端护板包装( 人工完成) 一内外铁护角安放( 人工完成) 一周向打捆 ( 3 5 道) ( 周向打捆机辅助人工完成) 一卷眼打捆( 4 6 道) ( 卷眼打捆机辅 助人工完成) 一粘成品标签( 人工完成) ，最后由出口传卷车将包装后钢卷传到 l 存 4 弹栈道步进梁上。 表1 1c p l 0 1 半自动钢卷包装机组设备功能 序号 设备 功能 1 入口传卷车将原料卷从上条机组( 重卷机组) 传送到包装机组 l 撑3 拌步进梁靠动梁与定梁的配合步进式运送钢卷，定梁上依次排有 2 若干工位，可进行包装工作，步进梁之间钢卷的传送靠 动梁与共用的定梁工位配合来完成 序号设备功能 3电子秤称重钢卷 4对中装置 对中钢卷，以便于平稳运送 5 纸库架空的外防锈纸排放装置，方便取用合适的外防锈纸 6滚包机 带动钢卷旋转一周，以使外防锈纸裹紧钢卷 7 塑料袋库架空的塑料袋卷排放装置，方便取用合适的塑料袋 8传卷机 将钢卷从3 群步进梁摆渡l8 0 。到包装步进梁上 9开卷机 开出外铁皮 1 0剪板机剪断外铁皮 1 1 送板机运送外铁皮 1 2助包装置将外铁皮裹在钢卷外表面上 。 1 3 包装步进梁运送钢卷，依次排有若干工位，进行主要的包装工作 1 4周向打捆机 辅助人工为钢卷打周向捆带 1 5卷眼打捆机 辅助人工为钢卷打卷眼捆带 1 6 出口传卷车将包装后钢卷从包装步进粱传送到l # 4 # 栈道步进梁上 1 7 l 牡4 群栈道步进梁缓存钢卷以减轻吊车的压力 1 2 2 系统构成 c p l 0 l 半自动钢卷包装机组作为一个整体系统由以下几个子系统组成： ( 1 ) 机械子系统 包括上述的各种设备，各设备的功能如l ，2 ，1 所述。 ( 2 ) 液压子系统 包括1 个液压站、3 个阀台、若干条油缸等。液压站输出高压油液，为液压 元件提供动力。阀台上装有各种控制阀，控制从液压泵到油缸的油液的压力、流 量和流动方向，从而控制油缸的力、速度和方向。油缸将油液的压力能变成机械 能去驱动负载做功，实现特定的运动。 ( 3 ) 气动子系统 包括若干阀台和气缸等。压缩空气由工厂提供，阀台上装有各种气阀，控制 气缸的压力、流量和流动方向，从而控制气缸的力、速度和方向。气缸由压缩空 气驱动实现特定的运动。 ( 4 ) 电气控制子系统 实现机械子系统中各行走机构的速度与定位控制，回转机构的转速与定位控 制、液压系统的泵站电机与阀的控制、气阀的控制、系统的顺序逻辑控制、人机 界面、故障诊断等功能。 1 2 3系统涉及的关键技术 c p l o l 半自动钢卷包装机组包含几十台设备、结构庞大复杂，机、电、液、 气四个子系统相互作用构成一个完整的系统，其中涉及到的关键技术包括： ( 1 ) 包装节拍与物流运输问题 机组的原料卷来自前方两条重卷机组，两条重卷机组的生产节拍不同，必须 保证出卷后都能够及时传送到包装机组，在运送的过程中实现顺畅的包装而不出 现停滞等待状态，包装完成后，在天车被占用，不能及时吊走成品卷的情况下， 要有足够的工位储存钢卷，解决以上问题，必须设计好机组的包装节拍与物流运 输方式。 ( 2 ) 关键设备的结构设计与受力分析 步进梁、助包装置、传卷机等设备承担着钢卷运输和辅助包装的任务，是机 组的关键设备，特别是步进梁和传卷机要承受一个或多个重量可达8 吨的钢卷， 它们的结构设计与受力分析至关重要。 ( 3 ) 步进梁、传卷车的起停和定位问题 步进梁上要同时承受多个钢卷，再加上自身的重量，最重可达6 0 吨以上， 传卷车带卷重量也可达11 吨，如此大惯量设备的起停和定位问题是要解决的关 键问题。 ( 4 ) 基于现场总线的电气控制系统设计 采用现场总线技术不但可以节约控制系统硬件和现场布线的成本，而且提高 了设备的故障诊断能力，基于现场总线技术的电气控制系统设计将是要解决的关 键问题。 1 3 本论文的主要内容 针对1 。2 3 节介绍的c p l o l 半自动钢卷包装机组设计研究工作中的关键问 题，本文进行了深入的研究并提出了解决办法。主要内容有： 1 )介绍了课题研究工作的意义，机组的包装工艺、设备组成及工作原 理： 2 )详细分析了机组的包装节拍与物流运输方式； 3 )介绍了机械子系统的关键设备如步进梁、助包装置的设计方法，对 传卷机的摆臂机构进行了有限元分析： 4 )介绍了液压子系统的构成，重点介绍了用比例调速阀对步进梁进行 速度控制的问题； 5 )介绍了三相异步交流电动机的变频调速原理和矢量控制原理，详细 分析了用p i d 控制器实现传卷车的定位控制问题： 6 )论述了基于现场总线的电气控制系统的实现方法。 第二章包装节拍与物流运输方式 如何将钢卷运送到包装机组，如何保证钢卷的畅通运输和顺利包装，又如何 保证在天车被占用的情况下缓存钢卷，解决这些问题就必须分析机组的包装节拍 与物流运输方式。本章详细分析c p l o l 半自动钢卷包装机组的包装节拍和物流 运输方式。 2 1 包装节拍的确定 c p l 0 l 半自动钢卷包装机组负责整条冷轧生产线生产出钢卷的包装工作，其 设计包装速度必须大于生产线的生产速度，但速度设计得过快势必造成机组产能 的浪费和成本的增加，所以包装节拍设计得合理与否直接影响到机组的性能与成 本。 包装节拍与年有效工作时间、年钢卷产量、钢卷重量等参数有关，确定方法 如下： 1 ) 年工作时间： 2 4 小时天x3 6 5 天年= 8 7 6 0 小时，年 2 长期停机维护时间： 2 4 小时天1 5 天年= 3 6 0 小时年 3 ) 周期性停机维修维护时间： a ) 长时间：4 8 小时次5 次= 2 4 0 小时年 b ) 短时间：8 小时次6 次= 4 8 小时年 共计：2 8 8 小时年 4 ) 有效工作时间【1 ) 2 ) 一3 ) 】- 8 7 6 0 - 3 6 0 _ ，8 8 = 8 1 1 2 小时，年 5 ) 工作效率= o 9 6 ) 机组实际操作率= o 9 7 ) 年有效工作时间 4 ) 5 ) 6 ) = 8 1 1 2 o 9 0 9 = 6 5 7 0 小时年 8 ) 年钢卷产量：2 2 8 0 0 0 吨 9 ) 最小钢卷重量：3 吨 1 0 ) 每小时生产钢卷数量 8 ) 7 ) 9 ) 】= 2 2 8 0 0 0 6 5 7 0 3 = 1 2 卷j 、时 通过以上计算可以看出，包装机组只要达到1 2 卷，j 、时的包装速度就可以满 足生产节拍，考虑预留2 0 的裕量，所以c p l 0 1 半自动钢卷包装机组设计包装 速度定为1 5 卷，j 、时，包装节拍为2 4 0 秒卷。包装机组是分有若干工位的连续包 装线，包装节拍不是指一个钢卷从进入包装机组开始算起到包装工作完成总共用 去的时间，而是指钢卷在任意一个工位的停留时间与两个工位间的运送时间之 和。 7 2 2物流运输方式 c p l o l 半自动钢卷包装机组的物流运输需要解决以下问题： 1 )受卷：原料卷来自前方两条重卷机组，需要解决从不同来料点为包装 机组上卷的问题： 2 )原料卷缓存：考虑到机组包装段可能会出现故障停机或包装工作不能 及时完成，需要解决原料卷缓存的问题： 3 )成品卷缓存：包装完成后，可能会出现天车被占用，不能及时吊走成 品卷的情况，所以需要解决成品卷缓存的问题。 2 2 1受卷的解决方案 c p l o l 半自动钢卷包装机组的受卷拟采用传卷车从重卷机组取卷运送至包 装机组的形式，由于包装机组的来料点为1 # 重卷机组和2 # 重卷机组，两条重卷 机组相距1 35 m ，要保证重卷机组出卷后都能够及时传送到包装机组，必须合理 设置传卷车的数量和行动路线。显然，两条重卷机组同时下卷的情况是最恶劣的， 只要在这种情况下两个钢卷传送到包装机组的时间总和不超过包装节拍( 2 4 0 秒 卷) ，即可保证任意时刻机组的受卷节拍满足要求。 两个传卷车接卷： 既然来料点有两个首先讨论设置两个传卷车接卷的情况，假设包装机组有 足够的工位容纳新的来料卷( 下同) 。如图21 所示，l # 传卷车的零位在b 点， 从a 点取l # 重卷机组下卷送至c 点，它的的活动范围为a 点一b 点一c 点：2 # 传 卷车的零位在d 点，从e 点取2 # 重卷机组下卷送至c 点，它的的活动范围为c 点一d 点一e 点。当a 点、e 点同时有下卷l # 卷和2 # 卷时，包装机组的受卷过程 如表2 1 所示，节拍表如图2 2 所示。由表2l 和图2 2 可见设置两个传卷车接 卷的情况下受卷节拍正好等于2 4 0 秒。既然设置两个传卷车接卷的情况下受卷节 拍正好满足要求，似乎意味着设置一个传卷车接卷的情况下节拍肯定会超过2 4 0 秒，下面详细分析这个问题。 圈1 、 、圈 “ 二 、 二f ： 降11 了一- _ 7；网 图2 1 两个传卷车受卷路线图 a 点l 捍重卷机组下卷点；b 点l 舯卷车零位点；c 点包装机组入口( 1 # 工位) d 点2 # 传卷车零位点：e 点2 撑重卷机组下卷点：f 点包装机组2 # 工位 表2 ，l 两个传卷车的受卷过程 序号图例说明时间 盎 二。- ： 童 1 1 # 传卷车行至a 点取l # 卷； 1 2 5 秒 2 雒传卷车行至e 点取勰卷。 霉 霞 1 1 # 传卷车送l # 卷至b 点： 2 1 5 秒 2 2 # 传卷车送2 # 卷至d 点。 ： 二毒蠢： 1 1 # 传卷车送l # 卷至c 点： 1 - 一 - 亭 3 2 5 秒 2 2 # 传卷车等待。 l 。1 # 传卷车空车退回至b 点： 4 1 5 秒 2 2 # 传卷车等待。 1 包装机组步进梁送1 # 卷至f 葚 露 点后退回至c 点； 5 6 0 秒 2 1 # 传卷车等待： 3 2 # 传卷车等待。 ： 皇奎 ： 1 2 # 干卷车送2 # 卷至c 点； 6 2 5 秒 二 2 1 耕 卷车等待。 二 室亩童 ，： 1 2 舯卷车空车退回至d 点； 7 1 5 秒 ? 董 2 1 # 传卷车等待。 1 包装机组步进粱送2 蜷至f 。1 7、鼍 点后退回至c 点： 8 6 0 秒 丽 2 1 舯# 卷车等待； 3 2 舯 卷车等待， 共计箱o 秒 9 婷将寻牛窿一f=【o莲型辨蜊誓“窭 - 禽 昌 拳 沮 禽 8 j 萎紫 互囡 娄 倒 赠 乜幢 k 彗霞蔷耋 斗k 帮工丑i 州 麟 上1 ：j i 罂 罨 婆婆詈：嚣 莲垂 洲 百 龚 蚺1 壬h | l 臼 删 囊 她粕 兰甍 * 暮 幽煳 * 赢 删捌 静 辇 毒蟊煳制 皿 非 警 一个传卷车接卷： 通过分析图2 2 可以看出，每个传卷车的实际运行时间只有8 0 秒，其余1 6 0 秒时间都处于等待状态，使用率只有3 3 3 ，尤其是1 群传卷车在送卷结束返回b 点后始终空闲，显然安排不够合理。如果能充分利用1 # 传卷车，让它在送卷至c 点后不返回b 点而直接去取e 点的磷卷，是否就能够取消2 萍传卷车呢? 下面分 析这种情况。如图2 3 所示，1 撑传卷车的零位在b 点，负责从a 和e 点取1 # 、2 # 卷送至c 点，它的活动范围加大成为a 点一b 点一c 点一d 点一e 点。当a 点、e 点同时有下卷1 # 卷和2 # 卷时，包装机组的受卷过程如表2 2 所示，节拍表如图 2 4 所示。 固。 1 舻 c 图23 一个传卷车受卷路线圈 a 点l # 重卷机组下卷点；b 点1 # 传卷车零位点；c 点包装机组入口( 1 # 工位) d 点l # 传卷车中问停位点：e 点2 # 重卷机组下卷点；f 点包装机组2 # 工位 表2 2 一个传卷车的受卷过程 序号图例说明时间 11 1 # 传卷车行至a 点取l # 卷。2 5 秒 羹 - 回 2 1 1 # 传卷车送1 # 卷至c 点。4 0 秒 3 1 1 # 传卷车行进至d 点。1 5 秒 。f 甜 1 1 # 传卷车行至e 点取2 # 卷； 4 2 5 秒 2 包装机组步进粱送1 # 卷。 l ，1 # 传卷车送2 # 卷至d 点： 5 1 5 秒 2 包装机组步进粱送1 # 卷。 1 包装机组步进梁送1 # 卷至f 6 点后退回c 点：2 0 秒 2 i # 传卷车等待。 7 1 1 # 传卷车送2 # 卷至c 点。 2 5 秒 8 1 1 # 传卷车空车退回至b 点。1 5 秒 1 包装机组步进梁送2 # 卷至 9 f 点后退回至c 点； 6 0 秒 2 1 # 传卷车等待。 共计2 4 0 秒 1 2 *粕半牛1一鞯f；if导跫捌辅削“甄 皇 一 警 型 昌 一 三 漫 一 n _ 二 詈一 静 里 眨 。摹， 7 三 o l 型l 曼_ 牛k 删删 上丑i 萎 妪但 j i屯； 二廿il 三i鲁 塞 削懈 m 懈m 回 粕 鼬掣| j p辅 莴计 罢 棚捌 耳 舶工丑i 怕j。雨删刿剥 盏 兰 讳 罂 粘 谗 菇 日 兰 赢 刿婶 警 球 出 曲 巷 雌 由表2 2 和图2 4 可见，个传卷车接卷的情况下受卷节拍等于2 4 0 秒，满 足节拍要求，而传卷车的实际运行时间有1 6 0 秒，使用率达到6 6 7 。显然，设 置一个传卷车接卷的方案设备使用率高，节省投资，比设置两个传卷车接卷的方 案更为合理，c p l o l 半自动钢卷包装机组采用这种方案。 2 2 2原料卷缓存 包装机组在出现以下两种情况的时候需要解决原料卷缓存的问题： a ，包装区出现故障致使该区域内的设备停机； b 在包装节拍内包装工作未完成。 通常的解决办法是在包装机组的起始段设置原料卷缓存区( 由一定数量的缓 存工位组成) ，原料卷在经过缓存区后才进入包装区。c p l 0 1 半自动钢卷包装机 组的原料卷缓存区采用分段步进粱和首创的“倒卷”运输方式，很好地解决了钢 卷缓存问题。 分段步进梁： 首先了解步进粱的工作原理。步进梁具有载重量大、运行平稳等特点，为钢 铁企业所普遍采用。步进梁由动梁( 可升降和平移) 和定梁( 固定不动) 组成， 靠动梁和定梁的配合实现钢卷的运送。其运送钢卷的过程如表2 3 所示 表2 3 步进粱运卷过程 序号图例 蔷、号飞一 一匡 ；i l 一罗 攀 拦二誊j j l ，牿芝缅荭二= f ri | ，。叠? 、 ， -r j 卜、 、 说明：步进梁处于初始位置，钢卷放于定梁鞍座上 2 说明：动梁上升至上限位，托起钢卷使其脱离定粱鞍座 3 腻 嘞 1 - = = 暑芦了世b 平。- = j 三蓦三i 薯= 笙：耋錾篮：一! = = 亟一一：= = - 、 彳寻泰i i 专焉_ 、 说明：动粱托卷平移，使钢卷移动一个步距 4 说明：动梁下降至下限位钢卷落在定梁鞍座上 c p l 0 1 半自动钢卷包装机组的原料卷缓存区采用两段步进梁，如图2 5 所示， l 存步进梁和2 荐步进梁分男q 独立，两条步进梁之间的钢卷交接靠共用鞍座来完成。 这种方案的优点是当重卷机组的生产速度小于包装机组时，l 社步进梁一旦受卷就 传送到2 # 步进粱，只要2 拌步进梁上的钢卷集满，就可以运送到包装区集中包装， 而l 撑步进梁可以继续接受原料卷，与2 # 步进梁互不干扰。 “倒卷”运输方式： 当2 # 步进梁的定粱鞍座上出现空位，可以通过和1 # 步进梁的配合来填补， 最大限度的利用缓存空间。这就是c p l 叭半自动钢卷包装机组采用的“倒卷” 运输方式，为国内外首创。 6 = 区谁螂帮葵隧窭暑群。黼墨蒋口|0j“u岬n丑 2 2 3成品卷缓存 包装机组后面一般是成品库，由天车将包装好的钢卷吊入成品库储存。成品 库越大储存的钢卷越多，但天车吊运钢卷所用的时间也越长。假设成品库有2 0 0 m 长，天车的大车行走速度一般为1 0 m 1 0 0 1 1 1 m i n ，从起吊到运至成品库最近点后 返回需要的时间在1 分钟左右，最远点则需要5 分钟以上，平均需要3 分钟。如 果包装机组不设成品卷缓存，钢卷包装完毕就必须吊走，否则接下来的钢卷无法 包装，这样天车就需要不停的为包装机组服务，一旦出现天车被占用不能及时吊 走成品卷的情况( 例如天车为出厂的运输车辆上卷) ，包装机组就要降速或停机， 为避免这种情况的发生，需要解决成品卷缓存的问题。 c p l 0l 半自动钢卷包装机组采用了在包装机组末端设置4 条栈道步进梁的 方案( 图2 6 ) ，由出口传卷车将包装好的钢卷运送到选定的栈道步进梁上。栈道 步进梁上的鞍座设计成波浪状，可以在任意波谷位置存放钢卷，通过安装在步进 梁上的光电开关的控制，保证钢卷的间距小于等于1 0 0 m m 。这种方案有两个优 点： a 最大限度地利用缓存空间，整个4 条栈道步进梁可以储存多达5 6 个直 径中8 0 0 的成品卷； b 。保证钢卷间有较小的距离( 1 m m 内) ，天车一次可以吊运3 个钢卷( 图 2 7 ) ，缩短吊车节拍，平均吊运1 个钢卷只用1 分钟时间。 此方案最大限度地利用了缓存栈的功能，方便了钢卷的缓存和运输，为国内 外首创，在武汉钢铁( 集团) 公司取得了很好的实用效果。 2 3 小结 本章给出了包装节拍的计算公式并计算了c p l 0 1 半自动钢卷包装机组的包 装节拍。 本章讨论了c p l o i 半自动钢卷包装机组需要解决的物流运输问题，分析了 受卷、原料卷缓存、成品卷缓存等物流运输问题的解决方案。 图2 ，7 天车一次吊运3 个钢卷 第三章关键设备的结构设计与受力分析 机械子系统中一些关键设备如步进梁、助包装置、传卷机等承担着钢卷运输 和辅助包装等重要任务，它们的结构设计合理性与受力分析正确性将直接决定包 装机组设计的成功，应该给予足够重视。本章详细分析c p l 0 1 半自动钢卷包装 机组的步进粱横梁的结构，对助包装置进行受力分析，对传卷机进行有限元分析。 3 1 步进梁横粱的结构设计 步进梁由动梁和定梁组成，工作原理见2 2 2 节。动梁的横梁要同时承受多 个钢卷，再加上自身的重量，最重可达6 0 吨以上，这就要求横梁具有足够的承 载能力虽然简单的加强梁的强度可以解决这个问题，但是合理安排梁的受力情 况往往可以起到更好的效果。 根据材料力学口j 理论，弯曲正应力的强度条件 h 丌 j = 二 笋p ( 3 1 ) w 往往是设计粱的主要依据。从这个条件看出，要提高梁的承载能力应从两个方面 考虑，一方面是合理安排梁的受力情况，以降低m 。a x 的数值：另一方面则是采 用合理的截面形式，以提高w 的数值，充分利用材料的性能。 3 1 1 合理安排粱的受力情况 改善梁的受力情况，尽量降低梁内最大弯矩m 。，也就相对提高了梁的强 度。以l # 步进梁为例，假设动粱横梁的4 个鞍座上的钢卷重量都为p ，如果将支 撑布置在两端，如图3 1 所示，则 p t m 。= 二； ( 3 2 ) j 如果将两端支撑各向里移时，最大弯矩m 。a x 有明显的减小，显然存在一个 最佳位置点，使最大弯矩m 。达到最小值。下面讨论这个最佳位置点： 当钢卷作用于横梁的两端时，受力如图3 2 a 所示，则 m 。i = 一p x ( 3 3 ) 当钢卷作用于横梁的中间时，受力如图3 2 b 所示，则 厂t、 m 。a j c 2 = p i 寻一x l ( 3 4 ) j 当4 个钢卷同时作用于横梁上时的受力为图3 2 a 和图3 2 b 的叠加，如图3 2 c 所示。可以证明，当选择合适的x 值，使中间段所受的弯矩为零时，即 m 一m 。= p ( 导一x 一p x = 。 c ，一s ， 整个梁所受的最大弯矩m 。达到最小值，求解式3 5 得x = 导，其所对应的 o 点即为所求的最佳位置点，此时i m 。i = 芋，为支撑布置在两端时m 。值的一 d t 半，横粱的受力情况最合理。 图3 i 横梁支撑布置在两端 x 图3 2 a m 图3 2 b 图3 2 c 图3 2 横梁支撑在中间 3 1 2粱的合理藏面 一方面，提高w 的数值可以提高梁的承载能力，另一方面，使用材料的多 少和自重的大小则与截面面积a 成正比，面积越小越经济，越轻巧。合理的截 面形状应该是截面面积a 较小，而抗弯截面系数w 较大。采用矩形截面时，竖 放比平放有更高的抗弯强度，更为合理。另外，从正应力的分布规律来看，弯曲 时粱截面上的点离中性轴越远，正应力越大。为了充分利用材料，应尽量把中性 轴附近的材料移置到上、下边缘处，综合以上分析，步进梁的横梁采用箱形截面 ( 图3 3 ) ，截面的尺寸由强度和冈4 度公式确定，这里不再赘述。 图3 3 箱形截面 3 2 助包装置的受力分析 助包装置用于辅助人工完成外铁皮的包裹工作。现有的助包装置不区分钢卷 直径大小，将外铁皮搭缝一律留在钢卷的正上方，钢卷的直径越大，包装人员越 难接触到钢卷的正上方，后续操作越困难。c p l 0 l 半自动钢卷包装机组采用了自 主开发的l g l 4 型助包装置，该设备可根据钢卷外径不同变化外铁皮搭缝到包装 人员容易操作的位置，方便了包装工作，对于外径较大的钢卷尤其显示出优越之 处。 3 2 1 l g l 4 型助包装置的工作原理 如图34 所示，l g l 4 型助包装置主要包括以下几个部分： 左、右压杆 由压杆、压轮等组成。在抱臂的抱紧力作用下，压轮将外铁皮压紧在钢卷的 外表面上。 左，右抱臂 由抱臂架、导轮、弹簧、气缸等组成。左、右抱臂的一端铰接在摆杆的端部， 另一端岔开形成开口。连接左、右抱臂的气缸产生抱紧力，使抱臂在未升起时通 过导轮紧贴在导板上，升起时压紧压杆在钢卷表面上。弹簧连接抱臂与压板，作 用是产生回复力，使压板在脱离钢卷时自动复位。 摆杆 摆杆前端分两岔，分别连接一组左、右抱臂。摆杆上摆带动左、右抱臂上升。 摆杆上摆的角度随钢卷外径的不同而变化，使抱臂环抱钢卷后形成的开口( 外铁 皮搭缝处) 停留在方便操作的位置。 摆杆油缸 拉动摆杆摆动。 旋转编码器 计算摆杆摆动的角度，当达到设定值时发出信号，停止油缸动作。 气动周组 由开关阀与气源两联件组成。开关阀控制气源的通断，气源两联件由减压阀 与空气滤清器组成。 、气动阀组 图34l g l 4 型助包装置 l o l 4 型助包装置工作原理： 钢卷到位后( 图3 5 ) ，油缸拉动摆杆上摆，带动左、右抱臂上升，抱臂气缸 产生抱紧力，使压杆将外铁皮压紧在钢卷外表面上在摆杆的带动下，压杆在钢 卷外表面上滚动，擀着外铁皮包裹在钢卷上，摆杆摆到合适的位置停止，使外铁 皮的搭缝留在包装人员容易操作的位置。对直径较小的钢卷，外铁皮搭缝留在正 上方合适( 图36 ) ，而对于直径较大的钢卷，由于操作者很难接触到正上方，故 外铁皮搭缝留在侧面更便于操作( 图3 7 ) 。 图3 5 钢卷到位图3 6 包小卷 图3 7 包大卷 l g l 4 型助包装置具有如下优点： 采用了全新的传动形式，可根据钢卷外径不同而变化外铁皮搭缝到包装 人员容易操作的位置，方便了包装工作： 通过调节抱臂气缸的压力可改变抱紧力，以此改变外铁皮的包紧程度： 传动结构简单，维护工作少。 3 2 2 l g l 4 型助包装置的受力分析 由工作原理可以看出，l g l 4 型助包装置的动作非常复杂，对其进行精确的 受力分析相当困难，需要应用到理论力学、弹性力学、微积分学、矩阵理论等各 学科的知识。本文给出一种简化的受力分析方法，具有很强的实用性。 取摆杆和左、右抱臂为研究对象，忽略重量，画出其受力图如图3 8 所示。 图3 8l g l 4 型助包装置受力分析图 图中，o 摆杆与底架的铰接点； o l 摆杆与左、右抱臂的