三辊卷板机运动结构和控制系统设计

任育红

(天津冶金职业技术学院分院, 河北 邯郸 056404)

某钢铁企业的金属结构车间原有2台规格为19mm×2 000mm的机械调节式对称三辊卷板机，主要用于该厂所需管道和高炉炉皮的弯制。近几年来，由于设备老化、故障频繁，其弯制能力和生产的弯管质量已经不能满足生产的需要，影响生产的正常进行，因此决定研制一台功能强大、便于操作、实用性强的新型卷板机。

1 原卷板机存在的问题

为了借鉴原卷板机的结构原理，并在研制新型卷板机时克服原卷板机的缺陷，需要对原卷板机进行剖析。

1.1 原卷板机的结构原理

图1为原卷板机结构原理图。该机为机械调节式卷板机，两下辊为主动辊，上辊为压下辊，上、下辊由同一台电机驱动。下辊由电机通过减速器驱动旋转，送进板料；上辊由电机—减速器—蜗轮蜗杆—丝杠螺母传动机构，将电机的旋转运动转变为直线运动，带动上辊作上下运动(升降)[1]。

图1 原卷板机(19mm×2 000mm)结构原理图

1.2 原卷板机存在的主要问题

1)下辊的旋转和上辊的升降由一台电机通过减速器驱动，下辊和上辊运动方向的改变由两个长的操作手柄分别操作，操作不便、费力，易引起误操作。

2)卷板机工作是通过手柄拨动两套双向牙嵌离合器进行控制的，频繁地进行离合，离合器的齿容易损坏，平均两个月左右就需更换一次备件。特别是在卷板时，上辊压到要求位置后停止下压，需要离合器脱开，此时离合器传递的负载扭矩较大，经常出现离合器脱开困难，甚至导致升降丝杠拉断。

3)无上辊压下量测量和指示装置，在操作过程中，操作人员全凭感觉和经验不断调试，卷制精确度低，常出现过卷现象，影响制件质量。

4)产品卷制由人工操作，工人劳动强度大，特别是预弯两端时板料需要调头，且需用吊车起吊配合，费时、费力，能耗高，工作效率低。

2 新型卷板机设计要求

该车间卷板机卷制管件的特点：1)制件形体品种多，有圆柱体、圆锥体和弧体等。2)卷曲半径和板厚的变化范围大。卷板厚度为10mm～22mm；弯曲直径为500mm～2 500mm。3)批量小。4)卷制的大部分管件主要用于氧气、煤气、氮气、蒸汽等的输送。

根据制件规格多、批量小，又用于气体输送的特点，要求新型卷板机应便于操作和调整，并有较高的卷制质量。

3 卷板机运动系统方案研究

根据生产现场的条件和设计要求，在分析和消化国内外卷板加工的新技术、新工艺的基础上，本着易操作、高效率、高质量的原则，经综合分析、研究，多方案对比、优化，决定采用全液压驱动和控制方案，并根据卷板工艺要求，确定运动系统和整体结构方案[1-3]。如图2所示。

图2 卷板机结构原理图

运动系统包括工作辊传动机构、翻倒机构、支承辊装置、上辊翘起和平衡机构、对中机构等。

1)工作辊传动机构。

工作辊包括1个上辊和2个下辊。由于该机主要是用来卷制10mm～22mm的普通碳素结构钢钢板，所需驱动功率不大，因此不必采用全驱动。本文的设计以下辊作为驱动辊，上辊为从动辊。

工作辊传动机构分主、辅传动机构，主传动为两下辊的旋转运动，辅传动为下辊的同步水平移动和上辊的升降。上辊的升降可与下辊的移动同步进行，也可分开进行。

如图2所示，下辊的旋转运动由液压马达驱动，通过开式齿轮带动两下辊作回转运动，下辊的同步水平移动由固定在机座上的两个液压缸控制。上辊升降由固定在左右机架下方的油缸控制。

2)支承辊装置。

为防止工作辊发生挠曲变形从而使工作精度降低，影响卷板质量，卷板机设置有支承辊装置，用于支撑两个下工作辊(图2)。支承辊轴承座和两下辊轴承座均由下辊水平移动油缸推动实现水平移动。

3)翻倒机构。

左侧机架为活动的翻倒机架。为方便卸下卷制成形的管件，设置翻倒机构，以实现左侧机架的翻倒与复位。卸料时翻倒机架及轴承体由外力驱动绕销轴转动85°～98°，实现翻倒。翻倒后，锥形轴承与上辊脱开，便于从上辊取出工件。然后由液压缸驱动活动机架复位，复位后，依靠液压缸的支承力，保持机架内轴承与上辊左端轴颈的配合精度。

4)上辊翘起和平衡机构。

上辊翘起和平衡机构是为了方便卸下卷制成形的管件而设置。左侧活动机架翻倒后，上辊左端处于悬臂状态，此时由右侧的上辊翘起油缸对上辊右端施加向下的拉力，保持上辊平衡并使上辊左端微微翘起(约3°)，以方便卸下卷制成形的管件。

5)对中机构。

为防止板料在喂入时歪斜，导致工件扭斜，在设备一侧安装板料对中机构，如图3所示。在板料喂入时液压缸推动挡板立起，起到限位和对中作用。卷制过程中挡板回位。

图3 对中机构

4 液压控制系统方案研究

卷板机的液压系统应具备以下功能：1)控制上辊的升降；2)驱动两下辊旋转；3)驱动两下辊及支承辊水平移动；4)控制对中机构中挡块的立起和回位；5)控制翻倒机架的翻倒和复位；6)控制翘起与平衡机构，保证上辊平衡和翘起。

根据以上要求，进行液压回路设计[4-5]，确定液压系统原理图，如图4所示。

该液压系统主要包含7个基本回路，分别实现不同的控制功能，以满足卷板工艺和性能要求[2]。

1)换向回路。

各执行元件的换向均采用Y型中位机能的换向阀。当换向阀处于中位时，控制油路的液压油回油箱，以保证支路上液控单向阀锁紧。

2)调压回路。

根据各执行元件在不同工况下对液压力的要求采用多级调压回路。

图4 卷板机液压系统原理图

3)调速回路。

工作辊的调速采用调速平稳、效率高的容积调速回路，其他油缸的调速采用便于操作调节的节流调速回路。

4)同步回路。

上辊升降油缸和下辊水平移动油缸的同步运动精度要求较高，采用结构简单、维修方便的分流阀同步回路。

5)锁紧回路。

为使各运动部件动作准确、定位可靠，在上辊升降、下辊平移、板料对中、上辊翘起等机构中均采用双向液压锁紧回路。

6)平衡回路。

在卷板过程中，如各工作机构动作失衡不仅会影响卷制加工，还可能造成安全事故，因此在翻倒、上辊升降和下辊水平移动等液压控制回路中均设置了单向顺序阀平衡回路，采用压力继电器检测和自动补油保压。

7)液压马达制动回路。

根据本机运动特点，选用制动快捷、平稳的液压缸制动回路，控制液压马达的启动与制动。

5 结束语

新型卷板机采用全液压驱动和控制，具有较好的操作性能。调整方式采用水平下调式，可方便地实现对称和非对称卷板的转换，既具有非对称卷板机不用调头便可预弯端头的优点，又有对称卷板机结构简单、紧凑的特点；上辊升降可在水平状态也可在倾斜状态与下辊平移同步进行或单独进行，便于锥体卷制；加设对中装置，避免了进料时出现歪斜，提高了加工精度；加设支承辊装置，增强下辊的刚度，提高了制件的加工精度。总之，该新型卷板机改进了原卷板机的不足，具有操作方便、省力，工作效率高，应用范围广，弯制质量好的特点。