熊 雯 張 華 黃 勇 傅連東

(1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院 湖北 武漢：430081；2.武鋼研究院 湖北 武漢：430080；3.武漢鋼鐵有限公司 投資管理部 湖北 武漢：430081；4.武鋼熱軋廠 湖北 武漢：430080)

移動(dòng)剪組合式離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)開發(fā)

熊 雯1,2張 華3黃 勇4傅連東1

(1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院 湖北 武漢：430081；2.武鋼研究院 湖北 武漢：430080；3.武漢鋼鐵有限公司 投資管理部 湖北 武漢：430081；4.武鋼熱軋廠 湖北 武漢：430080)

以熱軋移動(dòng)剪組合式液壓離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)為主要研究對象，在詳細(xì)分析組合式離合器、制動(dòng)器剪切控制原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了移動(dòng)剪控制系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并對本系統(tǒng)核心部件曲柄位置計(jì)算器、零位分析器做了進(jìn)一步說明。實(shí)際使用表明，相對于原系統(tǒng)，新控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)使用方便，降低故障率，應(yīng)用效果良好。

移動(dòng)剪；液壓離合器；制動(dòng)器；位置計(jì)算器；零位分析器

液壓離合器是利用液壓油操縱結(jié)合的離合器，結(jié)合元件有嵌合式與摩擦式之分。結(jié)構(gòu)上有柱塞式與活塞式之分[1]。組合式液壓離合器、制動(dòng)器將離合和制動(dòng)組合成一體，傳遞轉(zhuǎn)矩大，占用空間小[2]。摩擦盤浸沒在循環(huán)的冷卻油中，可以有效地散熱[3]?？勺孕醒a(bǔ)償摩擦元件磨損的間隙。嚙合、松脫速度快，接合平穩(wěn)，無沖擊[4]。

移動(dòng)剪，是將運(yùn)動(dòng)軋件定尺剪切成用戶所需長度鋼板主要設(shè)備[6]。主要由剪切機(jī)構(gòu)和同步機(jī)構(gòu)組成。上下刀架經(jīng)齒輪、齒條傳動(dòng)，由直流電機(jī)帶動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。下部搖床，通過連桿被曲柄帶動(dòng)做前后運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受基礎(chǔ)斜面的作用，做上下運(yùn)動(dòng)，迫使下刀架做上下運(yùn)動(dòng)而形成剪切[7]，如圖1所示。剪切機(jī)構(gòu)由曲柄、離合器、制動(dòng)器等組成。曲柄旋轉(zhuǎn)一周，帶動(dòng)完成一次剪切。

某熱軋廠精整橫切線移動(dòng)剪系統(tǒng)改造后除了精度不高外，還出現(xiàn)了故障頻繁的現(xiàn)象。系統(tǒng)狀況嚴(yán)重影響到生產(chǎn)任務(wù)的順利完成。移動(dòng)剪采用了組合式離合器、制動(dòng)器配合動(dòng)作實(shí)現(xiàn)剪切功能。摩擦盤有效工作行程為7～9mm，最大行程為12mm。系統(tǒng)改造后，離合器及制動(dòng)器在線使用壽命平均為12.5～14噸，遠(yuǎn)低于每套摩擦片可生產(chǎn)10～15萬噸的設(shè)計(jì)水平[5]。筆者認(rèn)為主要問題在于現(xiàn)有離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)元器件多，構(gòu)成復(fù)雜，可靠性差，不便于生產(chǎn)與維護(hù)。

本文采用西門子公司的數(shù)字式直流傳動(dòng)裝置6RA70、可編程序控制器S7-400系列、人機(jī)界面HMI、工藝控制CPU板T400、Profibus DP總線、工業(yè)以太網(wǎng)等先進(jìn)的設(shè)備，開發(fā)出了一種全新的移動(dòng)剪組合式離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)精度、提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低設(shè)備故障率

1 組合式離合器、制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖2所示，組合式液壓離合器、制動(dòng)器主要由離合器摩擦盤、制動(dòng)器摩擦盤，柱塞、彈簧、箱體組成。

圖2 組合式液壓離合器、制動(dòng)器

(1)離合器接合與分離：由A處進(jìn)油，推動(dòng)十二個(gè)柱塞3向左側(cè)壓緊離合器摩擦盤2，離合器接合；當(dāng)柱塞3卸壓時(shí)，彈簧1復(fù)位，離合器分離。多個(gè)柱塞工作，可以使加壓均勻，接合平穩(wěn)，減小沖擊。

(2)制動(dòng)器制動(dòng)：由B處進(jìn)油推動(dòng)另外六個(gè)柱塞4，向右側(cè)壓緊制動(dòng)摩擦盤5，使其靠在止動(dòng)板上，產(chǎn)生摩擦接觸，直到軸7制動(dòng)。

2 組合式離合器、制動(dòng)器剪切控制原理分析

組合式離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)分為三個(gè)過程。第一個(gè)過程是離合器接合；第二個(gè)過程是離合器分離過程；第三個(gè)過程是制動(dòng)過程?？刂魄D(zhuǎn)一周轉(zhuǎn)過360度。以0度作為旋轉(zhuǎn)的起點(diǎn)，設(shè)在剪切過程中曲柄旋轉(zhuǎn)角速度為W、旋轉(zhuǎn)角度為Φ；以接收到開始剪切命令即曲柄開始旋轉(zhuǎn)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)間為t，如下圖3所示。

圖3 組合式離合器、制動(dòng)器控制原理圖

2.1 離合器接合

當(dāng)壓力達(dá)到系統(tǒng)壓力時(shí)，油液進(jìn)入離合器的柱塞腔，系統(tǒng)壓力全部加在離合器上，推動(dòng)柱塞克服離合器的彈簧力，使得制動(dòng)器摩擦盤與止動(dòng)板脫開，離合器摩擦盤和外盤嚙合，進(jìn)入離合器接合狀態(tài)[8]。

(1)曲柄從0開始加速至W0。設(shè)在加速過程中曲柄轉(zhuǎn)過的角度為Φ1，曲柄速度W從0開始加速至W0的時(shí)間很短為t1,因?yàn)閹?dòng)曲柄的飛輪由一臺不變速的交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速是固定的，曲柄及離合器的質(zhì)量也是固定的，所以t1為固定值，并且轉(zhuǎn)過的角度Φ1也是固定值。

Φ1=W0×t1/2

(1)

W=(W0/t1)×t, 0≤t

(2)

Φ=Φ0+W×t/2, 0≤t

(3)

Φ0為曲柄停止時(shí)的初始相位角。

(2)曲柄以W0的角速度勻速運(yùn)行，到剪刃接觸到帶鋼表面開始剪切而結(jié)束。設(shè)在整個(gè)空載運(yùn)轉(zhuǎn)過程中曲柄運(yùn)行時(shí)間為t2、轉(zhuǎn)過的角度為Φ2。α為曲柄將帶鋼剪斷時(shí)的位置角，Φ31為曲柄剪刃從接觸鋼板到剪斷鋼板所轉(zhuǎn)過的角度。

t2=(α-Φ31-Φ1-Φ0)/W0

(4)

Φ2=(α-Φ31-Φ1-Φ0)

(5)

W=W0,t1≤t

(6)

Φ=Φ0-Φ1+W×(t-t1),t1≤t

(7)

(3)下剪刃抬起將帶鋼剪斷，此時(shí)曲柄位置角為α、角速度降低至W1，其中α是固定不變的；曲柄旋轉(zhuǎn)的角度為Φ31、對應(yīng)的剪切鋼板厚度為D、花費(fèi)的時(shí)間為t31。K31為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)1度對應(yīng)的剪刃移動(dòng)的毫米數(shù)，為一常數(shù)。

Φ31=D/K31

(8)

那么，剛進(jìn)入剪切過程時(shí)的曲柄位置角為(α-Φ31)，也就是空載運(yùn)行過程結(jié)束時(shí)的曲柄位置角。將此位置角代入式(7)，可以得出開始剪切時(shí)刻t3為，

t3=t1+(α-Φ31-Φ1-Φ0)/W0

(9)

根據(jù)實(shí)際剪切數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)剪切生產(chǎn)工藝規(guī)定的最厚的帶鋼時(shí)，W1為0.90倍W0。J為曲柄及飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，F(xiàn)為將帶鋼剪斷所需的力，F(xiàn)對于一定鋼種的帶鋼是恒定的，D為剪切鋼板的厚度，Dmax為生產(chǎn)工藝規(guī)定的最厚帶鋼的厚度，根據(jù)能量守恒定律，可以得出，

F×D=J(W20-W21)/2

根據(jù)上式及當(dāng)剪切厚度為Dmax的帶鋼時(shí)W1為0.90倍W0，可以推出，

Dmax/D=0.19×W20(W20-W21)

將上式整理得：

W21=W20(1-0.19×D/Dmax)

(10)

t31=2×Φ31/(W0-W1)

(11)

W=W1+(W0-W1)×(t-t3)/t31,

t3

(15)

Φ=(α-Φ31)+(W+W0)×(t-t3)/2,

t3

(16)

2.2 離合器分離

當(dāng)制動(dòng)閥通電，進(jìn)油閥斷電后。離合制動(dòng)器內(nèi)液壓油被吸回，柱塞卸壓，彈簧復(fù)位，離合器分離。這時(shí)曲柄以W1的角速度轉(zhuǎn)至制動(dòng)位置β，在整個(gè)第二步中，曲柄轉(zhuǎn)過的位移為Φ32，所花費(fèi)的時(shí)間為t32。

Φ32=β-α

(12)

t32=(β-α)/W1

(13)

t4=t3+2×Φ31/(W0-W1)+(β-α)/W1

(14)

W=W1,t3+t31

(17)

Φ=α+W1×(t-t31-t3),t3+t31

(18)

2.3 制動(dòng)過程

當(dāng)離合制動(dòng)器柱塞腔內(nèi)的液壓油被迅速排空后，制動(dòng)器的摩擦盤依靠彈簧力迅速與止動(dòng)板嚙合，開始制動(dòng)。這時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)到β角位置時(shí)，合上抱閘，將曲柄制動(dòng)到零位。

曲柄零位對應(yīng)40度的角度范圍，即從340度至+20度。曲柄制動(dòng)到340度的位置時(shí)零位信號開始為邏輯“1”；曲柄制動(dòng)到0速，停在零位區(qū)間，零位信號為邏輯“1”；曲柄再次啟動(dòng)轉(zhuǎn)離20度的位置時(shí)，零位信號為邏輯“0”。設(shè)曲柄從角速度為W1的β角位置制動(dòng)到340度位置所用時(shí)間為t41,到達(dá)340度位置時(shí)刻為t5、角速度為W2、，曲柄從340度位置制動(dòng)到靜止?fàn)顟B(tài)所轉(zhuǎn)過的角度為Φ42，在整個(gè)制動(dòng)過程中轉(zhuǎn)過的角度為Φ4，曲柄停在零位時(shí)的位置角為Φ0。t5為現(xiàn)場零位行程開關(guān)從邏輯“0”變?yōu)檫壿嫛?”的時(shí)刻，是已知的，那么，

t41=t5-t4

(19)

因?yàn)橹苿?dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩是恒定的，所以，曲柄在制動(dòng)過程中是作恒減速運(yùn)動(dòng)，可以寫出以下等式：

t41×(W1+W2)/2=340-β

Φ4/(340-β)=W21/(W21-W22)

W2=2(340-β)/t41-W1

(20)

Φ4=W21×(340-β)/(W21-W22)

(21)

Φ0=β+Φ4-340

(22)

在制動(dòng)過程開始時(shí)刻，W為W1，Φ為β，t為t4；制動(dòng)過程結(jié)束時(shí)刻t為t6，W為0。在制動(dòng)過程中，W、Φ可表示為，

W=W1-(W1-W2)×(t-t4)/t41,

t4

(23)

將W為0代入上式得，

t6=t4+W1×t41/(W1-W2)

(24)

Φ=β+(W1+W)×(t-t4)/2,

t4

(25)

3 組合式離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)開發(fā)

3.1 控制系統(tǒng)集成

按照上述原理構(gòu)成的組合式離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)包括制動(dòng)器控制單元、離合器控制單元、現(xiàn)場行程開關(guān)、位置計(jì)算單元、零位分析器、連鎖及控制邏輯單元、顯示報(bào)警單元構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 組合式離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖

連鎖及控制邏輯單元完成邏輯連鎖及控制任務(wù)。曲柄軸停止時(shí)，檢查系統(tǒng)各單元的狀態(tài)，如曲柄在零位、位置計(jì)算器正常、零位分析器正常，則通過顯示單元顯示就緒及零位信號；如曲柄不在零位，則通過顯示單元顯示故障信號；將此時(shí)的狀態(tài)，如就緒或故障、零位初始值等，傳給上一級自動(dòng)化系統(tǒng)。接到上一級自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)出的剪切命令后，控制制動(dòng)器松開，合上離合器，生成剪切啟動(dòng)信號，讓位置計(jì)算器、零位分析器開始工作，控制顯示單元顯示剪切運(yùn)行信號；從位置計(jì)算器獲取剪切完成信號，并傳給上一級自動(dòng)化系統(tǒng)；獲取現(xiàn)場行程開關(guān)的制動(dòng)位置信號，控制離合器分離、制動(dòng)器合上，將曲柄軸制動(dòng)到零位[10]。

3.2 位置計(jì)算器設(shè)計(jì)

曲柄位置計(jì)算器的任務(wù)是計(jì)算曲柄在剪切過程中的實(shí)時(shí)位置角度Φ；正確發(fā)出剪切完成信號。

圖5 位置計(jì)算器構(gòu)成框圖

3.3 零位分析器設(shè)計(jì)

曲柄在剪切完成后，在β角度位置開始制動(dòng)回到零位。實(shí)踐表明，曲柄不能回到固定的角度位置，如0度。正常情況下，有時(shí)回到0至+20度的區(qū)間范圍內(nèi)的角度位置，有時(shí)回到0至-20度區(qū)間范圍內(nèi)的角度位置，且每次剪切完成后所回到零位的具體角度位置都不相同；也會(huì)出現(xiàn)極少數(shù)的非正常情況，曲柄未能回到零位(如位于-23度的位置)、曲柄超出了零位(如位于+26度的位置)，這是一種故障情況。在這種故障情況下，系統(tǒng)禁止剪切，發(fā)出零位故障信號。停機(jī)后，操作人員對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行檢查、調(diào)整，做一次或幾次空載剪切后，讓曲柄回零，繼續(xù)生產(chǎn)。

曲柄零位分析器的任務(wù)就是式(22)計(jì)算出曲柄停在零位的具體位置θ0。當(dāng)曲柄未能回到零位、曲柄超出了零位時(shí)，禁止下一次剪切，發(fā)出零位故障信號。

圖6 曲柄零位分析器構(gòu)成框圖

4 應(yīng)用效果

移動(dòng)剪組合式液壓離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)在現(xiàn)場運(yùn)行后，提高了移動(dòng)剪系統(tǒng)的剪切精度及提高系統(tǒng)可控性，剪切精度滿足生產(chǎn)要求，保持在±10mm范圍之內(nèi)。同時(shí)移動(dòng)剪系統(tǒng)事故大大減少，設(shè)備平均無故障時(shí)間超過2000h，系統(tǒng)保證正常生產(chǎn)運(yùn)行，效率達(dá)到95%以上。

改造后的機(jī)組不僅生產(chǎn)工藝先進(jìn)，而且設(shè)備配置也滿足新生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品方案及產(chǎn)品質(zhì)量的要求，產(chǎn)生以下幾個(gè)方面將產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益：

①提升成材率帶來的經(jīng)濟(jì)效益

成材率可由改造前的93.72%提高到95%，提高了成材率1.28%，年產(chǎn)31.6萬噸板材，可多出正品663.6噸，噸鋼價(jià)格3000元，可盈利199萬元。

②降低設(shè)備故障時(shí)間帶來的效益

降低設(shè)備故障時(shí)間2小時(shí)/月，按平均停機(jī)1小時(shí)造成直接經(jīng)濟(jì)損失5萬元計(jì)算，全年共創(chuàng)效:2×5×12=120(萬元)；

③降低設(shè)備維護(hù)及備品備件更換所產(chǎn)生的效益

主軋線關(guān)鍵設(shè)備的維護(hù)、檢修及備件費(fèi)用由原來的平均40萬元/月均減少至34萬元/月，全年共創(chuàng)效(40-34)×12=72(萬元)

總直接經(jīng)濟(jì)效益=①+②+③=199+120+72=391(萬元)

5 結(jié)論

(1)組合式液壓離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了位置計(jì)算器、零位分析器，僅采用兩個(gè)行程開關(guān)。這兩個(gè)行程開關(guān)是曲柄零位、曲柄制動(dòng)位置行程開關(guān)。減少了器件個(gè)數(shù)，就減少了產(chǎn)生故障的機(jī)率，從而提高了系統(tǒng)可靠性。

(2)組合式液壓離合器、制動(dòng)器控制系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用價(jià)值。提高了移動(dòng)剪系統(tǒng)的剪切精度及其可控性，將成材率由改造前的93.72%提高到95%，將改造前年故障時(shí)間25小時(shí)降低至改造后的2小時(shí)，大大減少了設(shè)備故障時(shí)間。

(3)現(xiàn)場維護(hù)方便。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可有效降控制系統(tǒng)的開發(fā)成本，提高系統(tǒng)可靠性、安全性。而且設(shè)計(jì)有具有簡明的故障報(bào)警顯示界面，非常有利于現(xiàn)場維護(hù)及故障判斷和處理，減少了維護(hù)工作量。

[1] 成大先,王德夫.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997．

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DevelopmentofControlSystemforCombinedClutchandBrake

Xiong Wen1,2Zhang Hua3Huang Yong4Fu Liandong1

(1.Wuhan University of Science and Technology, Wuhan430081，Hubei;2.Research and Development Center of WISCO, Wuhan 430080, Hubei;3.Division of Investment Management of WISCO, Wuhan 430080, Hubei;4.Hot Rolling Mill of WISCO, Wuhan 430080, Hubei)

This paper takes hot mobile shear combined hydraulic clutch and brake control system as the main research objects. Having studying the basic principles of operating combined clutch and moving shear, the researchers design moving shear controlling system, draw system structure diagram and further explain core position calculator and zero analyzer. The new control system has the advantages of simple structure, convenient maintenance, low failure rate and good application effect.

moving shear; hydraulic clutch; brake; position calculator; zero analyzer

TG335.21；TP332

A

1671-3524(2017)02-0020-04

(責(zé)任編輯：李文英)

2017-04-14

2017-05-04

熊 雯(1985～)，女，碩士，工程師.E-mail：15007108431@163.com