韓北方

(首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司, 長(zhǎng)治 046000)

隨著鋼筋生產(chǎn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新及對(duì)其質(zhì)量控制的有效管理，鋼筋的質(zhì)量也不斷提升，其高質(zhì)量發(fā)展對(duì)促進(jìn)鋼鐵行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)意義重大。

提升和保證鋼筋質(zhì)量是一項(xiàng)非常重要的工作，為了保障建筑工程的質(zhì)量和安全，國(guó)際上制定了一系列的鋼筋檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋼筋的材料性能測(cè)試進(jìn)行了詳細(xì)的定義和要求，其中涵蓋了拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、重復(fù)彎曲試驗(yàn)以及疲勞試驗(yàn)等。國(guó)內(nèi)對(duì)鋼筋的生產(chǎn)、使用和質(zhì)量檢測(cè)一直有相關(guān)的控制標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 1499.2—2018 《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》已在2018年11月1日正式實(shí)施，其中規(guī)定了鋼筋混凝土用鋼材性能的檢測(cè)項(xiàng)目和要求[1]，內(nèi)容主要包括：拉伸試驗(yàn)(下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、最大力總延伸率、屈強(qiáng)比等)、彎曲試驗(yàn)、反向彎曲試驗(yàn)、軸向疲勞試驗(yàn)、化學(xué)分析、尺寸測(cè)量、相對(duì)肋面積的測(cè)定、質(zhì)量偏差的確定、鋼筋的金相檢驗(yàn)方法等。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)還對(duì)試樣的制取、矯直和人工時(shí)效等提出了一些具體要求。

鋼筋的力學(xué)性能是衡量鋼筋產(chǎn)品質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，力學(xué)性能測(cè)試可以更好地為產(chǎn)品質(zhì)量管控提供有效支撐。根據(jù)GB/T 1499.2—2018中的相關(guān)條款規(guī)定，對(duì)于熱軋帶肋鋼筋，每次測(cè)試需要送檢5根試樣，以檢查鋼筋品質(zhì)和力學(xué)性能等。各鋼筋生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)按國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定抽取試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和質(zhì)量偏差檢驗(yàn)，結(jié)果必須符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，以杜絕不合格鋼筋混入建筑工程中。

1 鋼筋檢驗(yàn)的現(xiàn)狀

某些鋼鐵公司坯材檢驗(yàn)和物理測(cè)試崗位現(xiàn)有工作人員不足，更不能勝任產(chǎn)能提升的檢驗(yàn)任務(wù)需求，需要通過(guò)自動(dòng)化、智能化方法提升檢驗(yàn)效率，來(lái)適應(yīng)產(chǎn)能提升后帶來(lái)的檢驗(yàn)任務(wù)增加。

某些單位現(xiàn)有檢驗(yàn)人員配置不能滿足專職人員開展品種研發(fā)檢驗(yàn)工作的要求，導(dǎo)致品種開發(fā)檢驗(yàn)周期、檢驗(yàn)?zāi)芰Σ荒軡M足和支撐品種研發(fā)要求，也需要通過(guò)自動(dòng)化、智能化等方法代替人力，分流出部分人員從事品種開發(fā)檢驗(yàn)和非常規(guī)檢驗(yàn)工作。

對(duì)于盤卷產(chǎn)品特性，按照國(guó)標(biāo)要求需要進(jìn)行屈服強(qiáng)度測(cè)試，但在測(cè)試過(guò)程中，由于矯直工藝差異和人員操作差異，屈服強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性差，易造成結(jié)果誤判。

在鋼廠的大生產(chǎn)中，需要對(duì)生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行分析檢驗(yàn)，并將試樣送至相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)和分析，而現(xiàn)在的產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室大多設(shè)在離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)的地方。目前，國(guó)內(nèi)絕大部分實(shí)驗(yàn)室在不同的試樣加工工序、加工與試驗(yàn)工序、試樣管理、殘樣清理等環(huán)節(jié)，還必須通過(guò)人工進(jìn)行過(guò)程流轉(zhuǎn)[2]。人工輸送試樣比較耗費(fèi)時(shí)間，影響檢驗(yàn)周期。

隨著自動(dòng)化、智能化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化、智能化技術(shù)已在力學(xué)性能測(cè)試領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，某些生產(chǎn)企業(yè)也陸續(xù)開始采用力學(xué)性能自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)，避免了人為因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，降低了產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了工作效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。

經(jīng)過(guò)調(diào)研和技術(shù)交流可知，鋼筋風(fēng)動(dòng)送樣和鋼筋力學(xué)性能自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)適用于質(zhì)量檢驗(yàn)和質(zhì)量管控模式。

2 風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)

2.1 風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)的運(yùn)行模式

為了快速、及時(shí)地把試樣送到質(zhì)量檢驗(yàn)部門，要探索一種快速送樣系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用較早，目前依靠風(fēng)動(dòng)送樣技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)爐前試樣的輸送是一種非常成熟的技術(shù)，用風(fēng)動(dòng)送樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)多種介質(zhì)、不同規(guī)格試樣的送樣功能，來(lái)解決送樣不及時(shí)、檢驗(yàn)結(jié)果反饋慢的難題，值得業(yè)內(nèi)同行探索。

需要開發(fā)能傳輸滿足標(biāo)準(zhǔn)要求尺寸試樣的正壓?jiǎn)喂茱L(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)，用于螺紋鋼試樣的傳輸，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各取樣點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)室之間快速傳遞試樣和返回空樣盒。利用輸送管道內(nèi)一定壓力的壓縮空氣流產(chǎn)生的推力，用電氣控制來(lái)推動(dòng)裝有試樣的樣盒沿輸送管道從取樣現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送到實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室拿取試樣后再以同樣的方式將空樣盒發(fā)送回取樣現(xiàn)場(chǎng)，以此實(shí)現(xiàn)反復(fù)輸送，最終達(dá)到使用風(fēng)動(dòng)送樣代替人工取樣的操作。

鋼筋風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)包括：發(fā)送站，即生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或現(xiàn)場(chǎng)取樣室；接收站，即分析或?qū)嶒?yàn)室；輸送管道、動(dòng)力源設(shè)備及電氣控制部件等。現(xiàn)場(chǎng)分站和分析室總站均設(shè)有儲(chǔ)氣罐和收發(fā)柜、輸送管道，其兩端分別設(shè)置在現(xiàn)場(chǎng)分站和分析室總站的收發(fā)柜內(nèi)；其中，儲(chǔ)氣罐的輸入端設(shè)有輸入接口，用于輸入壓縮空氣，其輸出端設(shè)有輸出接口，收發(fā)柜內(nèi)設(shè)有收發(fā)氣缸，收發(fā)氣缸設(shè)置在輸送管道的端口下方，用于收發(fā)試樣樣盒。整套系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、安全可靠，提高了試樣的傳輸效率。風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)示意

2.2 風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)設(shè)備說(shuō)明

正壓?jiǎn)喂茱L(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)的傳輸距離約為300 m，可以運(yùn)載長(zhǎng)度為500 mm,直徑為50 mm,質(zhì)量為4 kg的螺紋鋼、圓鋼等試樣。

上層按鈕操作區(qū)主要有：樣盒檢測(cè)顯示燈、主站分站工作顯示燈、開關(guān)門操作鍵、異常復(fù)位鍵等。

下層發(fā)射柜主要有：可左右移動(dòng)的樣盒承載裝置、樣盒限位到位檢測(cè)及彈送裝置、自動(dòng)開關(guān)門移動(dòng)裝置、氣壓閥及移動(dòng)速度控制裝置等。

樣盒承載裝置要配備專用的輸送樣盒，底部為可伸縮的緩沖底座，連接壓縮空氣管道，后側(cè)有可左右移動(dòng)的控制滑行道。

樣盒限位到位檢測(cè)及彈送裝置配有檢測(cè)限位，控制樣盒正確到位，并通過(guò)氣壓將樣盒彈出。

樣盒到位后，自動(dòng)開關(guān)門裝置自動(dòng)開門彈出樣盒，在操作關(guān)門指令發(fā)送后，樣盒自動(dòng)移動(dòng)到發(fā)射底座上，將樣盒發(fā)出。

鋼筋風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)的開發(fā)運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了試樣快速傳輸功能。整套系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、安全可靠，不僅提高了試樣的傳輸效率，也減少了操作人員的工作量，可更有效地提高試樣到位時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

3 全自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 全自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行模式

新建一套一拖二(一套機(jī)械手配合兩臺(tái)拉力試驗(yàn)機(jī))自動(dòng)拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，用機(jī)械手代替人工，完成指定位置待檢試樣的自動(dòng)稱重測(cè)長(zhǎng)、拉伸試驗(yàn)，并自動(dòng)上傳檢驗(yàn)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)檢驗(yàn)。該系統(tǒng)包括全自動(dòng)引伸計(jì)、試樣傳輸機(jī)械手、試樣架及相應(yīng)的控制系統(tǒng)等。

全自動(dòng)拉伸屬于成熟的應(yīng)用技術(shù)，尤其在板材檢測(cè)領(lǐng)域，已有10 a以上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，某些企業(yè)已成功應(yīng)用了該技術(shù)。

某公司棒、線材產(chǎn)品占全部產(chǎn)品的80%以上，棒、線材產(chǎn)品對(duì)檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)流程的要求一致，試樣的形狀和制樣的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)統(tǒng)一，分析數(shù)據(jù)量大并要求及時(shí)上傳。

軋鋼生產(chǎn)按批次取試樣后(盤卷試樣在線用矯直機(jī)進(jìn)行矯直)，從現(xiàn)有信息系統(tǒng)中獲取(或由人工創(chuàng)建)對(duì)應(yīng)批次批號(hào)、牌號(hào)、序號(hào)等信息，生成并打印試樣信息條碼，將條碼貼在對(duì)應(yīng)試樣上并送至物理實(shí)驗(yàn)室，力學(xué)測(cè)試人員收到試樣后，用全自動(dòng)拉伸系統(tǒng)進(jìn)行掃碼登記，建立分析測(cè)試任務(wù)，并將試樣按順序放到試樣裝卸架中，進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試流程。

試樣進(jìn)入自動(dòng)測(cè)試流程后，機(jī)械手抓取試樣送至稱重測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)，進(jìn)行長(zhǎng)度、質(zhì)量測(cè)試，自動(dòng)計(jì)算質(zhì)量偏差，稱重測(cè)長(zhǎng)完成后，用機(jī)械手將彎曲試驗(yàn)試樣送回至卸載試樣架，由人工取走進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。拉伸試樣由機(jī)械手自動(dòng)送至拉伸試驗(yàn)工位，拉伸試驗(yàn)機(jī)根據(jù)測(cè)量長(zhǎng)度自動(dòng)調(diào)整夾具間距，試樣到位后自動(dòng)夾緊，根據(jù)試樣信息選擇拉伸試驗(yàn)程序，自動(dòng)開展拉伸試驗(yàn)，自動(dòng)進(jìn)行鋼屑清理，測(cè)試完成后對(duì)照判定標(biāo)準(zhǔn)判定結(jié)果是否合格。由機(jī)械手卸載試樣后，送至對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)試樣收集工位，完成一個(gè)試樣試驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)任務(wù)重復(fù)上述過(guò)程，完成該批次全部試樣檢測(cè)后，將該批次結(jié)果上傳至公司質(zhì)量系統(tǒng)，完成一批次試樣檢測(cè)[3]。

該系統(tǒng)為一臺(tái)機(jī)械手配合兩臺(tái)自動(dòng)拉伸試驗(yàn)機(jī)的工藝組合，系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行試樣排隊(duì)、任務(wù)分配等功能。

3.2 全自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)主要功能

試樣矯直范圍為φ6～φ16 mm；替代了人工矯直過(guò)程，大大提高了矯直效率。300，1 200 kN電液伺服拉伸試驗(yàn)機(jī)的精度等級(jí)均為0.5級(jí)，夾持圓試樣的直徑分別為5.5～32 mm，15～60 mm。

六軸機(jī)械手的工作范圍為半徑2.55 m的圓形內(nèi)；其工作效率為不少于20個(gè)/h。選用仿真機(jī)械臂的機(jī)器人IRB4600(ABB)，測(cè)試序列可以根據(jù)操作者要求改變(具有測(cè)試優(yōu)先權(quán))。六軸機(jī)械手可自動(dòng)抓取最大質(zhì)量為25 kg的試樣，抓取時(shí)保證運(yùn)行平穩(wěn)，防止試樣抖動(dòng)、歪斜，影響試樣的對(duì)中位置。在自動(dòng)上樣前進(jìn)行試樣對(duì)中，確保拉伸過(guò)程中試樣的同軸性。每個(gè)動(dòng)作控制單元可通過(guò)軟件進(jìn)行人工控制及檢測(cè)。機(jī)械手拿取試樣時(shí)，具有判定是否拿取到試樣的識(shí)別功能；取較短的試樣時(shí)，如果機(jī)械手未取到，試樣夾頭不能打開。機(jī)械抓手的更換要方便，并保證人、機(jī)安全。

控制系統(tǒng)具備各設(shè)備的工作狀態(tài)顯示、控制、故障提示，各類設(shè)備的工作運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，各設(shè)備工作節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，試樣在自動(dòng)化系統(tǒng)上的工作流程、工作狀態(tài)、分析結(jié)果的留存等功能?？刂葡到y(tǒng)還能分析數(shù)據(jù)并自動(dòng)判定、上傳至公司系統(tǒng)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)接收及傳送系統(tǒng)能按通訊協(xié)議，接收上位機(jī)有關(guān)試樣的試驗(yàn)信息，并按此進(jìn)行設(shè)定；試驗(yàn)結(jié)束后能按設(shè)定自動(dòng)上傳試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊。

操作軟件、測(cè)試軟件在Windows界面下的控制軟件包(含上位機(jī)通訊軟件包)的功能包括：拉伸、壓縮、彎曲、循環(huán)、設(shè)定試驗(yàn)方法、測(cè)試結(jié)果分析、數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送、試樣排序及試驗(yàn)優(yōu)先、圖像分析軟件模塊、記錄試驗(yàn)日期和時(shí)間，同時(shí)包括力值、引伸計(jì)的自動(dòng)計(jì)量程序。

試驗(yàn)程序可安裝到其他離線計(jì)算機(jī)上，以便在其他計(jì)算機(jī)上分析、查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。

軟件能顯示試驗(yàn)力、橫梁位移、引伸計(jì)變形、試樣夾持力、試驗(yàn)時(shí)間等。PLC(可編程邏輯控制器)編程監(jiān)控軟件能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PLC的運(yùn)行狀態(tài)。

試驗(yàn)機(jī)控制計(jì)算機(jī)可自動(dòng)預(yù)判斷試驗(yàn)結(jié)果是否合格、有效(試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定)。如試驗(yàn)結(jié)果預(yù)判定不合格或無(wú)效，需在試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)上作出標(biāo)記。試驗(yàn)機(jī)控制計(jì)算機(jī)能永久保留試驗(yàn)段的數(shù)據(jù)(大于10 000個(gè)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù))，以便操作人員可在控制計(jì)算機(jī)上根據(jù)試驗(yàn)日期、試驗(yàn)人、試驗(yàn)批號(hào)等條件模糊動(dòng)態(tài)查詢到以往的試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)機(jī)控制計(jì)算機(jī)具備人工試樣登記功能，人工登記的試驗(yàn)結(jié)果也可方便迅速上傳到上位機(jī)上。

試驗(yàn)機(jī)控制計(jì)算機(jī)上傳的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(試驗(yàn)數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)、上傳信息的項(xiàng)目)可以被增加和修改。測(cè)控軟件可選擇自動(dòng)或手動(dòng)上傳試驗(yàn)結(jié)果，上傳的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(試驗(yàn)數(shù)據(jù)小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)、上傳信息的項(xiàng)目)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置。

系統(tǒng)報(bào)警信息以及具體故障點(diǎn)位的查看避免了數(shù)據(jù)錄入和計(jì)算時(shí)可能帶來(lái)的錯(cuò)誤，同時(shí)保證了數(shù)據(jù)的可追溯性。

鋼筋力學(xué)性能自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 鋼筋力學(xué)性能自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)示意

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 在對(duì)風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)優(yōu)化后，試樣從發(fā)射端到接收端的時(shí)間達(dá)到20 s，滿足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并且實(shí)現(xiàn)了公司內(nèi)部若干條生產(chǎn)線實(shí)驗(yàn)室的整合。

(2) 該系統(tǒng)可以在自動(dòng)上樣前進(jìn)行試樣對(duì)中，確保拉伸過(guò)程中試樣的同軸性，提高了斷后伸長(zhǎng)率檢測(cè)的準(zhǔn)確性。另外，自動(dòng)化手段代替人工操作具有應(yīng)變實(shí)時(shí)測(cè)量能力，真正滿足精確測(cè)量屈服強(qiáng)度等參數(shù)的要求。

(3) 鋼筋風(fēng)動(dòng)送樣和全自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鋼材試樣的力學(xué)性能集中檢驗(yàn)及鋼材的全自動(dòng)取樣、檢驗(yàn)、數(shù)據(jù)上傳，為螺紋鋼的檢驗(yàn)開辟了新的管理方式。通過(guò)設(shè)備及人員的整合，可解決現(xiàn)有人員短缺與按批檢驗(yàn)、產(chǎn)能提升、品種開發(fā)檢驗(yàn)需求的矛盾，提高作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

(4) 全自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)過(guò)程操作的標(biāo)準(zhǔn)化、測(cè)試數(shù)據(jù)的信息化，可最大化減少人為因素對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果的影響，提升分析質(zhì)量；另外，也可改善實(shí)驗(yàn)室裝備的技術(shù)水平。