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1、无锡市新科自动控制研究所无锡市新科冶金设备有限公司钢丝热处理、镀层作业线的工字轮主动放线，恒张力收卷技术孙雷, 吴文晨(无锡新科冶金设备有限公司)摘要 对中，粗规格钢丝热处理的工字轮周转作业中的双卷筒主动放线和炉前、炉后恒张力控制做了大胆的创新与实践。文中对机械和电气自动化控设计作了详细的说明。关键词 钢丝；热处理；镀层；主动放线；双卷筒1. 前言 双卷筒工字轮连续收放机组是现代钢丝生产中，采用工字轮、大盘重周转作业的重要生产装备。它一般和钢丝的热处理、或热处理（铅淬火）、酸洗、镀层作业相关设备结合，用于生产过程的首和尾，组成一条完整的生产作业线。由于双卷筒机构具有储线和退积的特有功能，所以在
2、采用工字轮周转作业时能够灵活实现不停车更换放卷和收卷工字轮，确保钢丝热处理和镀层作业的连续进行。这种生产线有展开式多线作业和单丝单控等两种形式。随着技术的进步和节能、降耗的要求，对于适应中、粗规格钢丝和大容重（1吨-2吨）工字轮的热处理，镀层作业线。需要主动的双卷筒连续放线机与之配套，才能满足高的DV值和被处理钢丝直径变化的适应性。为此我公司先于同行于2009年初便抓紧时机研发，同年8月完成制造，当年完成了安装与调试，满足了用户的迫切需要。2. 双卷筒工字轮主动放线机的技术特性和工作原理 2.1 32工位FS900双卷筒工字轮主动放线+SS900双卷筒工字轮连续收线机的主要技术指标：l 正常作
3、业的钢丝直径范围 : 1.6mm-3.5mml DV值：60mm*m/minl 作业线的放卷线速度：17-38（m/min）l 作业线的收卷线速度：17-38（m/min）l 双卷筒的直径：500mml 工字轮尺寸与容重：900450380（mm）载量1000kgl 双卷筒积线时间：3分钟（最大）2.2.双卷筒主动放线机的主要结构如下图所示：卷筒装置 由浮动卷筒、回转卷筒以及牵引卷筒通过主轴连接组成。回转卷筒上装有制动器。信号反馈机构 在钢丝张力不足或太大时，机械臂通过摆动角度大小把信号反馈给控制机构以纠正牵引卷筒的牵引速度，从而保证牵引卷筒对钢丝恒定的牵引力。双卷筒主动放线机的主要结构与双卷
4、筒主动收放线机的结构类似。放线时，钢丝从工字轮引出经夹丝装置、浮动卷筒、回转卷筒回转轮、牵引卷筒、导轮、张力调节装置，最后经导轮牵出通过热处理，表面处理等工序直至双卷筒工字轮连续收线机。其顺序恰好与收卷筒收线机引丝顺序相反。2.3 主动放线双卷筒机构的储线功能：2.3.1 钢丝从工字轮引出，经导轮，夹丝装置切入浮动卷筒顺时针绕2-3圈，切入回转轮，钢丝经过回转轮反向弯曲后进入牵引卷筒，卷绕同样的2-3圈后进入机架上方的张力调节机构，最后经放线导轮引至收线机，满足作业线的挂线需要的钢丝长度。由于双卷筒的直径是相等的，当(n浮动=n牵引 )时，牵引的钢丝与放卷的钢丝都处于线速度相等平衡状态。回转环
5、处于相对的静止状态。2.3.2 积线过程 放线工字轮接近空盘时，启动“积线”程序，回转卷筒制动器释放，回转电机顺序启动。此时回转卷筒和牵引卷筒反向转动。这时放线工字轮会比正常放线时，以原来2倍的放线长度，加快放线转速。因为除了放线卷筒在正常放线外，回转卷筒绕一周，有2倍的放线长度分别等量的储存在浮动卷动和放线卷筒上。随着时间增加，在双卷筒上卷绕的钢丝越多（如果回转电机的转速适当增加会产生加速储线的效果）。当放线工字轮上的钢丝将放完时，操作夹丝机构将钢丝擎住，同时放卷工字轮制动。而浮动卷筒因为进线端擎住所以转速n浮动=0。2.3.3 退积与更换工字轮 积线退积是连续进行的。积线完成后联动退积，回
6、转环电机按预定转速与积线相反方向运行。由于操作夹丝机构将放线钢丝夹紧。此时，钢丝被固定，浮动卷筒静止，回转环反向运行1/2转，则可以输送出2R卷筒半径 长的钢丝（相当于牵引卷筒一周需要的钢丝线长度）供应放线卷筒不停的放线需要。此时，可以迅速将空的工字轮退出放线机，安装满盘的工字轮，并将工字轮上的钢丝和被夹紧的上一盘的钢丝可靠的对接。这就是所谓“不停车更换工字轮”的连续放线技术。由于设计的牵引卷筒和回转环的固定速比为1：2。所以要注意：回转环反向运行的转速不能高于放线转速的1/2。工况分析如下： n回转=(1/2)n牵引 主动放线需要的线长等于储线输出的线长。（正常放线）n回转(1/2)n牵引
7、积线量输出大于主动放线需要的钢丝输出量。 （钢丝在浮动卷筒和主动放线卷筒上卷绕松动，摩擦力减小，引起“滑动”，“夹丝”，容易造成放线乱丝或断丝现象。）n回转(1/2)n牵引 积线量输出小于主动放线轮钢丝需要的输出量。( 钢丝在卷筒上的张力急剧增加，造成夹丝现象，甚至钢丝崩断,不能正常工作。)2.3.4 正常放线 : 当双卷筒上的钢丝退积至2-3圈时，回转环电机立即停止，制动器将连接在回转空心轴上的制动盘，紧紧制动住，回转卷筒固定停当，而钢丝的夹紧装置适时松开。此时钢丝进入正常的主动放线状态。直至进入下一个积线周期，回转制动器才再次释放。3： 炉前与热处理，镀层作业线上的恒张力要求及计算简析：3
8、.1 炉前的放线张力控制主动放线双卷筒拉丝机的显著特点，就是将大容重满盘工字轮的启动和高DV值放线时所需要的牵引力，由双卷筒的主动牵引轮提供。这样，工字轮的放线张力在进入热处理炉前被隔离。确保了被处理钢丝在热处理，镀层作业线上的张力能微调与控制，有效地提高了作业线上被处理钢丝的通条性能。在双卷筒主动放线机的工字轮转动轴端设计径向蹄形摩擦片付，摆动式的放线导轮通过小型气缸和杠杆机构控制蹄形摩擦片与放线工字轮轴端摩擦力的大小。小型气缸在压缩空气（0.15-0.4MPa可调）的作用下放线工字轮被制动。但是，只要双卷筒的主动牵引轮启动，钢丝产生的放线张力使放线导轮向下摆动，则通过杠杆机构使蹄形摩擦片微
9、量位移，工字轮制动释放但是带有一定的摩擦阻尼放线。双卷筒的主动放线牵引轮能以恒线速度放线。但是当放线工字轮的卷径变小，转速不断加快的趋向下，放线导轮的储线量发生变化引起导轮摆动。这些微小的变化反馈到杠杆系统的蹄形摩擦片可以控制放线阻尼，实现恒张力放线。3.2：双卷筒的主动放线机牵引功率的计算简析：放卷时牵引卷筒对工字轮的牵引功率应满足：工字轮满盘钢丝的启动功率+机构的摩擦转矩的功率+钢丝恒张力放线的牵引功率。摩擦阻尼，一般取大于钢丝屈服极限s的3%-15%左右。 牵引卷筒的启(制)动力矩可以通过启动角加速度和工字轮的转动惯量乘积求得。电机一般在30秒内完成启动。（可以根据实际状态给定） =/t
10、=n*2/60t J=(m/2)*( R2 + r2) M启动=iJi牵引工作力矩 M牵引 =1/4（3%-15%）b d2 R卷筒放线机牵引卷筒对钢丝的牵功率P(Kw) = 9550 (M启动M牵引M摩擦阻尼)n 式中：b 钢丝等温铅淬火后的抗拉强度（MPa）d 钢丝直径（m） 角加速度（rad/S2） 角速度（rad/s） t 电机启动时间（s）J 工字轮转动惯量（）m工字轮载量（空盘的质量+钢丝的装载质量）（Kg）R 工字轮外径（m）r工字轮内径（m）传动效率钢丝的初始抗拉强度，用户会提供数据。也可以预测钢丝经等温铅淬火索氏体化处理后的抗拉强度。我们常用波捷姆金公式：b =(100C+5
11、3-d)9.8式中：b 钢丝等温铅淬火后的抗拉强度（MPa） C 钢丝的含碳量（） d 钢丝直径（）一般高碳钢丝经过铅淬火以后的初始抗拉强度：125-130kg/mm23.3：热处理，镀层作业线上的恒张力控制：由于工字轮的放线张力已经被双卷筒主动放线机的牵引卷筒所隔离。所以在整个热处理和镀层作业线上，只要精确控制放线牵引卷筒和双卷筒收线机牵引卷筒的线速度差，就可以实现恒张力作业。在双卷筒牵引卷筒的输出端的导轮设计成摆动式的滑轮组。在摆动导轮的摆动中心设计渐开线形的凸轮（根据线性非接触传感器的参数）。电气自动化控制系统，将双卷筒工字轮收线机的牵引卷筒设计为“速度领航”，双卷筒主动放线牵引卷筒设计
12、为“速度跟踪”的闭环控制。张力通过计算的参数输入，但是作业线张力的波动通过摆动导轮引起的凸轮与传感器直线位置的变化实现电讯号输出。通过PLC的中央处理瞬时修正。3.4双卷筒工字轮收线机牵引卷筒的牵引功率简析：双卷筒对作业线的牵引功率，应克服热处理或镀层作业线对钢丝运动产生的阻尼以及能够应满足钢丝的直径范围和线速度范围。牵引力有一定的限制范围，尤其是通过热处理炉，在钢丝奥氏体化处理时不能产生塑性形变。否则，钢丝将会产生所谓“缩丝”甚至断丝现象。每条生产线，根据钢丝的抗拉强度和其他的相关因素而定出钢丝的牵引应力。所谓应力，是指钢丝单位截面积上的力。根据牵引应力即可以计算牵引力,求出工作力矩。牵引卷
13、筒的启动力矩，计算方式同上。如果钢丝较粗则要考虑钢丝的弯曲卷绕力矩。考虑机械效率后推算出钢丝牵引总力矩。钢丝的弯曲力矩可以通过下式计算：其中为弹性抗弯模量收卷牵引卷筒的总力矩：M总 = M牵引 + M卷绕 + M启动（Nm）双卷筒对作业线的牵引功率P(Kw)=9550M总 n3.5:双卷筒工字轮收线机的工字轮收卷功率计算简析:双卷筒工字轮收线机的工字轮收卷张力在原理上应该等于收线机的牵引力,但是双卷筒收线机的操作规程规定钢丝必须在双卷筒上绕2-3圈。这样，工字轮的收卷力就大大小于双卷筒上的牵引力.工字轮收卷力可以通过欧拉公式计算: (P牵引力，P1工字轮收卷张力e=2.71828, n钢丝卷绕
14、圈数，f摩擦系数取0.1-0.15.因此对于收卷工字轮的收卷功率同样可以按上述的简析进行推算。但是要注意两种工作状态。1：双卷筒收线机在更换工字轮后有一个快速退积的程序。所以计算时要满足启动角加速度大的功率需要。2：在DV值固定的情况下，细规格钢丝的收卷线速度最高，传动系统除满足这条件，还要考虑快速退积的倍速要求。粗规格钢丝以最低的线速度工作。电机的功率应保证最低频率运行时的力矩需要。传动系统不仅要保证最低转速运行，还要考虑工字轮满盘时，转速将是工字轮起始转速的1/2甚至1/3的转速同样能正常运行的需要。在满足上述的工况下，工字轮的收卷功率同样可以通过下式计算。M总 = M牵引 + M卷绕 +
15、 M启动（Nm）P(Kw) = 9550 (M启动M牵引M摩擦阻尼)n 4. 连续生产线中的数字化自动控制原理钢丝连续生产线中的双卷筒工字轮主动放线机+双卷筒工字轮主动收线机的数字化自动控制原理如上图所示。放线速度以收线速度为依据。启动双卷筒主动收线机，同时联动双卷筒放线机。收线速度通过“界面预先设定”，保持作业线领航速度的稳定性。速度变化只能通过“界面进行参数修改”。理论上放线速度应与收线速度同步，但由于钢丝中间热处理环节等诸多因素影响，因而放线速度由收线速度和中间环节速度影响误差决定。中间环节速度影响误差须通过张力臂和信号反馈装置将信号反馈给PLC，PLC重新调定放线速度，使之与收线速度同
16、步，从而保障了钢丝作业线的连续进行。5. 生产线相应的其他配套条件5.1 对焊机 连续式生产时，为保证连续性作业，需要将每根钢丝连接在一起。连接的方法，除打花、打鼻外，还可采用电焊对接，也就是将两根钢丝的端头分别固定在对焊机的夹钳口上，夹钳接通电流后，由于金属的电阻而使钢丝的温度升高到接近熔点的程度，此时立即停电，同时进行预锻，使两根钢丝端部得到充分焊合。5.2 砂轮机 对焊后的钢丝要用砂轮将焊口处的焊渣磨去。砂磨后的钢丝直径与原直径之差不得大于0.1毫米。所以对焊机，砂轮机的性能和工人的对焊技术也是保证双卷筒收，放线机能发挥其功能的重要保证。6. 结语通过32头FS500-DIN900双卷筒
17、工字轮主动放线机组+SS500-DIN900双卷筒工字轮收线机组展开式多线作业线的生产实践。河北巨力集团在钢丝的连续化作业和生产工艺等方面有了很大的提高。双卷筒工字轮主动放线机和双卷筒工字轮连续收线机是钢丝热处理，镀层作业线实现现代化先进工艺流程的关键装备保证。该技术的实施可以有效提高作业线的DV值和中粗规格钢丝的工字轮周转的连续作业效率。它将在减少操作人员，提高劳动生产效率，提高产品的通条性能和实物质量上为赶超国际水准创造良好的条件。作者简介：孙雷 1984年生 无锡新科冶金设备有限公司技术部 吴文晨1941年生，高级工程师，无锡新科冶金设备有限公司技术顾问联系电话；13914124071 E-Mail： 7