劉增 李飛

摘 要：針對(duì)目前SCR4500連鑄連軋生產(chǎn)線渦流探傷儀導(dǎo)向裝置對(duì)線桿抖動(dòng)約束效果不理想，容易造成渦流探傷儀檢測(cè)數(shù)據(jù)失真，線桿內(nèi)部缺陷在線實(shí)時(shí)檢測(cè)容易出現(xiàn)漏檢及誤檢的情況，本文淺析問題存在的原因，對(duì)導(dǎo)向裝置進(jìn)行改進(jìn)以期解決問題。

關(guān)鍵詞：SCR4500;連鑄連軋;渦流探傷儀

SCR4500連鑄連軋生產(chǎn)線鑄造、軋制等生產(chǎn)過程中如果存在異常情況，生產(chǎn)的銅線桿表面和內(nèi)部可能會(huì)存在肉眼不可見的缺陷，這些缺陷主要依靠在線渦流探傷儀和實(shí)驗(yàn)室抽樣檢測(cè)作為檢測(cè)手段，一旦渦流探傷儀檢測(cè)失真、漏檢及誤檢，則可能會(huì)造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故，本文通過對(duì)因?yàn)榫€桿振動(dòng)導(dǎo)致渦流探傷儀檢測(cè)失真的原因進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)改進(jìn)渦流探傷儀導(dǎo)向裝置，以解決現(xiàn)有問題。

1 探傷儀導(dǎo)向裝置

1.1 渦流探傷儀失真分析

渦流探傷儀內(nèi)部有一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)和一個(gè)感應(yīng)線圈，當(dāng)存在缺陷的銅線桿穿越強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，感應(yīng)線圈內(nèi)的感應(yīng)電流會(huì)隨之發(fā)生變化，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)線桿表面或近表面存在的裂紋、暗縫、夾渣、開口裂紋等微小缺陷，銅線桿連續(xù)通過渦流探傷儀，即可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測(cè)。

目前scr4500連鑄連軋生產(chǎn)線銅線桿通過探傷儀時(shí)振動(dòng)較大，容易摩擦渦流探傷儀導(dǎo)向器，導(dǎo)向器磨損嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)Σ翜u流探傷儀探頭，使得線桿通過強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)距離線圈的間隙不一致，造成渦流探傷儀檢測(cè)數(shù)據(jù)失真，同時(shí)摩擦探頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。因此線桿振動(dòng)是造成渦流探傷儀失真的直接原因。

1.2 振動(dòng)分析

渦流探傷儀導(dǎo)向器被線桿實(shí)際磨損的痕跡表明，銅線桿振動(dòng)是一種復(fù)合振動(dòng)，根據(jù)測(cè)量，鉛錘方向振動(dòng)振幅約為4.5mm，水平方向振幅約為2mm，振動(dòng)周期約為0.135s，峰值周期約為0.0675s。測(cè)量時(shí)鑄造速度為28噸/小時(shí)，此時(shí)11#軋機(jī)轉(zhuǎn)速約為950r/min，軋制周期約為0.0632s，稍提前于振動(dòng)峰值周期（0.0675s），所以可以認(rèn)為線桿振動(dòng)是軋機(jī)與線桿一體的自激振動(dòng)，振動(dòng)能量來自于軋制過程中因?yàn)榫€桿溫度、軋輥冷熱交替、無酸清洗液沖擊、張力平衡變化等原因造成的軋制力和軋機(jī)速度的周期性變化，直接表現(xiàn)為線桿速度的周期性波動(dòng)。

從振動(dòng)源頭減小振動(dòng)，只有降低激勵(lì)能量或是改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而連鑄連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)時(shí)，為保證生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定，要求電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩小范圍內(nèi)穩(wěn)定，同時(shí)軋機(jī)結(jié)構(gòu)不能改變，故無法降低激勵(lì)能量、改變固有頻率，因此只能通過柔性約束和消耗振動(dòng)能量以減少線桿振動(dòng)時(shí)的振幅或振動(dòng)加速度。

1.3 現(xiàn)導(dǎo)向裝置

目前探傷儀導(dǎo)向是三個(gè)V型孔導(dǎo)向器，前端兩個(gè)，后端一個(gè)。銅線桿自11#軋臺(tái)軋制后，8mm直徑的銅線桿高速（約17m/s）通過探傷儀導(dǎo)向器，穿過探傷儀，再進(jìn)入繞線機(jī)。V型導(dǎo)向的主要功能是進(jìn)入探傷儀時(shí)對(duì)線桿進(jìn)行導(dǎo)向避免堆線，對(duì)線桿振動(dòng)無任何約束作用，V型孔后端圓柱孔對(duì)線桿振動(dòng)有約束作用，其孔徑為12mm，在線桿振動(dòng)時(shí)只會(huì)對(duì)線桿形成剛性約束，使線桿出線速度下降，線桿損失的速度轉(zhuǎn)化為熱能和線桿振動(dòng)的能量，從而加劇振動(dòng)的同時(shí)磨損導(dǎo)向器，導(dǎo)向器限位孔磨損后無法約束線桿從而造成探傷儀和線桿損傷，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致堆線等情況，生產(chǎn)連續(xù)性被打斷。

2 改進(jìn)方案

2.1 改進(jìn)方案原理

根據(jù)以上對(duì)渦流探傷儀檢測(cè)原理，線桿振動(dòng)和導(dǎo)向裝置的分析，可知目前SCR4500生產(chǎn)線渦流探傷儀導(dǎo)向的約束為剛性約束和靜約束，摩擦力大，容易造成過約束，不能及時(shí)實(shí)時(shí)根據(jù)線桿速度的變化改變約束力，因此改進(jìn)的方向?yàn)樵O(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)反饋、具備柔性約束的導(dǎo)向裝置。

根據(jù)角動(dòng)量定律，通過設(shè)置導(dǎo)向輪對(duì)線桿進(jìn)行約束，將線桿振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度變化，線桿振動(dòng)時(shí)壓迫導(dǎo)向輪，對(duì)其產(chǎn)生作用力的合力矩，作用在轉(zhuǎn)軸上迫使導(dǎo)向輪角速度變化，使得線桿振動(dòng)的力轉(zhuǎn)化為導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度變化，同時(shí)改變銅線桿與導(dǎo)向裝置的摩擦形式，由滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，降低摩擦阻力，避免由此產(chǎn)生的二次振動(dòng)。而且導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向與線桿出線方向一致，不易造成堆線，因此對(duì)導(dǎo)向裝置的改進(jìn)首先應(yīng)該增加導(dǎo)向輪。

此外需要設(shè)計(jì)一個(gè)耗能減振結(jié)構(gòu)，將線桿振動(dòng)速度的損失轉(zhuǎn)化為兩部分，一部分被彈簧蓄能，蓄積的能量作為導(dǎo)向輪實(shí)時(shí)反饋的動(dòng)力，另外一部分被阻尼器消耗轉(zhuǎn)化為熱能。該減振系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，設(shè)置慣性和阻尼并聯(lián)的振蕩環(huán)節(jié)，同時(shí)具有實(shí)時(shí)反饋，使用彈簧作為機(jī)械式反饋機(jī)構(gòu)，同時(shí)作為阻尼耗能原件，可以消除異常振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋，自動(dòng)調(diào)節(jié)約束力。

2.2 改進(jìn)方案

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路結(jié)合現(xiàn)行導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向裝置改進(jìn)的設(shè)計(jì)核心在于增加導(dǎo)向輪、柔性約束機(jī)構(gòu)、阻尼耗能機(jī)構(gòu)和實(shí)時(shí)反饋機(jī)構(gòu)，實(shí)際運(yùn)用中因?yàn)榘惭b位置約束、生產(chǎn)工藝特殊要求和裝置的自動(dòng)化水平分別設(shè)計(jì)了兩種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，分別為連桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和四輪導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。

2.2.1 連桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

連桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的核心在于利用四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開合以滿足進(jìn)軋生產(chǎn)的動(dòng)作要求，目的在于避開生產(chǎn)線上現(xiàn)有設(shè)備，便于安裝和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。該結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向輪水平以及鉛錘方向的振動(dòng)使用彈簧作為柔性約束，柔性約束允許線桿除在生產(chǎn)線工序進(jìn)給方向外其他兩個(gè)方向上有一定量的位移，可以對(duì)其分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行約束，同時(shí)彈簧作為實(shí)時(shí)反饋機(jī)構(gòu)和阻尼耗能元件，直接實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)反饋，從而達(dá)到簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)的目的，如圖1（a），進(jìn)軋時(shí)，氣缸向前推出，連桿帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)使導(dǎo)向輪張開，銅線桿經(jīng)過原前端導(dǎo)向器、后端導(dǎo)向器通過渦流探傷儀，進(jìn)軋后氣缸后退，彈簧帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)使導(dǎo)向輪閉合，導(dǎo)向輪將線桿振動(dòng)通過連桿機(jī)構(gòu)傳遞給阻尼軸上的彈簧，從而減小銅線桿的振動(dòng)，導(dǎo)向輪軸端的一對(duì)彈簧約束水平垂直線桿進(jìn)線方向的振動(dòng)，同時(shí)運(yùn)行過程中彈簧根據(jù)預(yù)設(shè)彈簧力實(shí)時(shí)調(diào)整導(dǎo)向輪與線桿之間的壓力，使得線桿振動(dòng)在可控范圍之內(nèi)。

2.2.2四輪導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

四輪導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的核心在于兩對(duì)導(dǎo)向輪約束線桿的五個(gè)自由度，每一個(gè)導(dǎo)向輪有獨(dú)立的阻尼彈簧實(shí)現(xiàn)柔性約束和實(shí)時(shí)反饋，利用絲桿手動(dòng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)軋張開和進(jìn)軋后閉合。該導(dǎo)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，反饋靈敏。

如圖1（b），使用前預(yù)設(shè)阻尼彈簧壓力，進(jìn)軋時(shí)，調(diào)節(jié)各個(gè)導(dǎo)向輪后端蝶形螺母，拉動(dòng)調(diào)節(jié)絲桿迫使導(dǎo)向輪張開，銅線桿經(jīng)過原前端導(dǎo)向器、后端導(dǎo)向器通過渦流探傷儀，進(jìn)軋后松開蝶形螺母，彈簧推動(dòng)滑塊使導(dǎo)向輪閉合，導(dǎo)向輪將線桿振動(dòng)通過滑塊直接傳遞給阻尼彈簧，從而減小銅線桿的振動(dòng)，彈簧運(yùn)行過程中根據(jù)預(yù)設(shè)位置實(shí)時(shí)調(diào)整導(dǎo)向輪與線桿之間的壓力，使得線桿振動(dòng)在可控范圍之內(nèi)。

3 實(shí)施效果

兩種方案試用，連桿導(dǎo)向因?yàn)楣收下矢撸S修不便已停止使用，四輪導(dǎo)向運(yùn)行穩(wěn)定性好，已持續(xù)使用4年，但是安裝困難，手動(dòng)操作復(fù)雜等缺陷后續(xù)還需要繼續(xù)改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊叔子等·機(jī)械工程控制基礎(chǔ)（第五版）·華中科技大學(xué)出版社·2004

[2]趙明生等·機(jī)械工程師手冊(cè)（第二版）·機(jī)械工業(yè)出版社·2006

[3]陸慶樂等·復(fù)變函數(shù)與積分變換·高等教育出版社·2003

作者簡(jiǎn)介：

劉增（1989-），男，漢，籍貫：云南玉溪，學(xué)歷：大學(xué)本科，職稱：工程師，研究方向：銅加工設(shè)備管理。