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本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 膜式壁焊接生產(chǎn)線扁鋼板焊前整形機(jī)（含上料） 扁鋼精整生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 本文設(shè)計(jì)了一種利用PLC實(shí)現(xiàn)精密扁鋼精整。介紹了扁鋼精整的生產(chǎn)工藝和控制要求， 并闡述了該控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件實(shí)現(xiàn)。精密扁鋼精整裝備是用于鍋爐膜式水冷壁 制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于對(duì)退火后的扁鋼原材料進(jìn)行尺寸精整、矯平、矯直，使之尺 寸和形狀達(dá)到焊前要求。扁鋼在精整過程中，易產(chǎn)生尺寸精度不高、長(zhǎng)度方向存在竹節(jié) 型缺陷等問題，因此有效控制扁鋼的精整過程可提高精密扁鋼的生產(chǎn)質(zhì)量、保障電站鍋 爐膜式水冷壁的焊接質(zhì)量。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯控制器（PLC）由于其較高的靈敏度和可靠性等原 因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、輕工等領(lǐng)域。因此，我們采用先進(jìn)的PLC控制，使故障率大 為降低，提高了系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了精整量與傳動(dòng)速度的匹配、加工參數(shù)的任意設(shè)定、 定長(zhǎng)切斷和計(jì)數(shù)、自動(dòng)下料等功能，實(shí)現(xiàn)了扁鋼精整生產(chǎn)線控制。 關(guān)鍵詞：扁鋼 PLC 精整 定長(zhǎng) 剪切 - I - The design of finishing flat steel production line control system Abstract A kind of automatic control system that uses PLC to achieve Precision flat steel finishing is designed in this paper. It introduces the production process and control requirements of flat steel finishing, and describes hardware components and software to achieve of this control system. The precision flat steel finishing equipment is one of key equipment that is used to manufacture membrane water wall, and used to finishing size, hand-ping, straightening to flat steel raw materials after annealing, so as to make Size and shape meet the requirements of welding. In the finishing process, flat steel is easy to produce the problems that dimensional accuracy is not high, and the length direction exists defect such as bamboo-type. So effective control of flat steel finishing process can improve the precision flat steel production quality, and ensure welding - II - quality of power boiler membrane water wall. With the development of electronic technology, programmable logic controller(PLC) are widely used in machinery, chemical industry, light industry and other fields because of its high sensitivity and reliability. So we adopt advanced PLC to control the flat steel finishing production line, and in this way it can greatly reduce the failure rate , improve system reliability, and realize some functions that include matching of finishing and transmission speed, any setting of processing parameters, cut according to a certain length, counting and automatic feeding. Finally, Control of flat steel finishing production line is realized. Key words: flat steel PLC finishing fixed-length shear 目 錄 摘 要 .......................................................................................................................................II ABSTRACT...................................................................................................................................III 1 緒論 ......................................................................2 1.1 研究背景 ...............................................................2 1.1.1 扁鋼精整生產(chǎn)線的市場(chǎng)需求 ...........................................2 1.1.2 扁鋼精整生產(chǎn)線的技術(shù)需求 ...........................................3 1.2 扁鋼精整生產(chǎn)線的研究現(xiàn)狀 ...............................................4 1.2.1 國(guó)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 ...............................................4 1.2.2 國(guó)內(nèi)同類工作研究現(xiàn)狀 ...............................................5 1.3 研究?jī)?nèi)容 ...............................................................7 1.3.1 本文研究的主要內(nèi)容 .................................................7 1.3.2 課題主要解決的技術(shù)關(guān)鍵問題和創(chuàng)新點(diǎn) .................................7 - III - 1.4 研究目的與意義 .........................................................8 1.5 研究方案 ...............................................................9 1.6 本章小結(jié) ...............................................................9 2 扁鋼精整生產(chǎn)過程和控制要求 ..............................................10 2.1 扁鋼精整生產(chǎn)工藝 ......................................................10 2.2 扁鋼精整生產(chǎn)線主要設(shè)備簡(jiǎn)介 ............................................10 2.2.1 扁鋼卷料架 ........................................................10 2.2.2 扁鋼精整矯直矯平機(jī) ................................................11 2.2.3 工作原理 ........................................................11 2.2.4結(jié)構(gòu)分析 .........................................................11 2.2.5液壓扁鋼切斷機(jī) ....................................................11 2.2.6扁鋼輥道料架 ......................................................11 2.3 扁鋼精整生產(chǎn)線功能分析 ................................................12 2.4 扁鋼精整生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)方案 ..........................................12 2.5 主要技術(shù)指標(biāo) ..........................................................13 2.6本章小結(jié) ..............................................................14 3 矯直機(jī)的組成部分及作用 ...................................................14 3.1 扁鋼精整矯平矯直機(jī)的組成 ..............................................14 3.2.1 矯直輪的作用 ......................................................15 3.2.2 傳動(dòng)軸的作用 ......................................................15 3.2.4 扁鋼托輪的作用 ....................................................18 3.2.5 機(jī)座的作用 ........................................................18 3.4 本章小結(jié) ..............................................................18 4.3 上下矯直輪的尺寸確定 ..................................................22 4.4 本章小結(jié) ..............................................................23 5 矯直機(jī)重要部件的校核 .....................................................23 5.1 連接上下矯直輪的螺釘和銷的校核： ......................................23 5.1.1 螺釘?shù)男：?........................................................23 5.1.2 銷的校核 ..........................................................24 5.2 傳動(dòng)軸的校核 ..........................................................25 5.2.1 傳動(dòng)軸 I的校核 ....................................................25 - IV - 5.2.2 傳動(dòng)軸 II的校核 ...................................................25 5.3 錐齒輪的校核 ..........................................................26 5.3.1錐齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核 ......................................26 5.3.2錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核 ......................................28 5.3.3 鏈輪選擇 ...........................................................28 5.3.4 鍵的選擇與校核 .....................................................30 5.3.5 軸承校核 ...........................................................30 5.4 本章小結(jié) ..............................................................31 6總結(jié) ......................................................................32 參考文獻(xiàn) ...................................................................35 致 謝 .....................................................................36 1 緒論 1.1 研究背景 精密扁鋼精整裝備是用于鍋爐膜式水冷壁制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于對(duì)退火后的扁 鋼原材料進(jìn)行尺寸精整、矯平、矯直，使之尺寸和形狀達(dá)到焊前要求 1。扁鋼在精整過 程中，易產(chǎn)生尺寸精度不高、長(zhǎng)度方向存在竹節(jié)型缺陷等問題，因此有效控制扁鋼的精 整過程可提高精密扁鋼的生產(chǎn)質(zhì)量、保障電站鍋爐膜式水冷壁的焊接質(zhì)量。 1.1.1 扁鋼精整生產(chǎn)線的市場(chǎng)需求 精密扁鋼精整生產(chǎn)線主要用于鍋爐行業(yè)膜式水冷壁的生產(chǎn)。 采用膜式水冷壁技術(shù)生產(chǎn)的鍋爐具有傳熱效率高，密封性好，節(jié)能，污染小，爐墻 重量輕等特點(diǎn) 2。而且隨著科技的發(fā)展和社會(huì)對(duì)環(huán)保要求的不斷提高，膜式水冷壁也將 在工業(yè)鍋爐中得到大力推廣 3。膜式水冷壁管屏是鍋爐爐墻的重要結(jié)構(gòu)件和主要受壓部 件，其作用是通過膜式水冷壁構(gòu)成鍋爐的爐膛，在鍋爐中具有舉足輕重的地位 4。隨著 - 1 - 科技的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)鍋爐性能和環(huán)保要求的不斷提高，膜式水冷壁技術(shù)已由原來僅 在35T/H以上鍋爐使用，正逐步發(fā)展到在10T/H30T/H間的工業(yè)鍋爐中使用。目前我國(guó)每 年膜式水冷壁產(chǎn)量在8萬(wàn)噸以上，與之對(duì)應(yīng)的精密扁鋼需求在6000噸以上，隨著中小鍋爐 廠大量采用該技術(shù)，其產(chǎn)量將不斷擴(kuò)大。 膜式壁制作工藝受設(shè)備條件的限制，膜式壁管屏制作過程中存在著很大的浪費(fèi)現(xiàn)象 5。 膜式水冷壁由管子和精密扁鋼焊接而成（管子與扁鋼相間焊接）。在鍋爐結(jié)構(gòu)中，膜式 水冷壁上聯(lián)儲(chǔ)存蒸汽的汽包，下聯(lián)作為輸水接口的集箱，這就對(duì)膜式水冷壁提出了較高 的節(jié)距要求 6。同時(shí)在膜式水冷壁的生產(chǎn)過程中，對(duì)管屏的彎曲普遍采用管屏壓力彎曲 機(jī)，該機(jī)的使用對(duì)膜式水冷壁的節(jié)距提出更高的要求，一般要求管子的節(jié)距誤差小于0.3 毫米，管屏的寬度誤差小于2毫米。而在我國(guó)，鋼管直徑為管子直徑的5%，誤差很大（以 常用的直徑為60毫米的管子為例，直徑為58.861.2毫米），所以此問題必須通過對(duì)不 同誤差的管子采用寬度尺寸不同的扁鋼來解決。在考慮扁鋼的寬度尺寸時(shí)，還需考慮焊 接后焊縫收縮對(duì)管子節(jié)距的影響。這也將通過調(diào)節(jié)扁鋼尺寸來消除。 精密扁鋼精整生產(chǎn)線的主要作用是退火后的扁鋼通過本生產(chǎn)線的精整、矯平、矯直， 使之成為滿足焊前要求的尺寸與精度。 精密扁鋼生產(chǎn)線的市場(chǎng)需求量很大。在鍋爐行業(yè)中，精密扁鋼生產(chǎn)線是采用先進(jìn)技 術(shù)的鍋爐生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的性能好壞將直接影響膜式水冷壁的質(zhì)量，從而影 響鍋爐的質(zhì)量和產(chǎn)量，這一點(diǎn)在鍋爐行業(yè)中已經(jīng)達(dá)到共識(shí)。為保證生產(chǎn)，一般鍋爐制造 企業(yè)同時(shí)配有多條同類生產(chǎn)線，以防不測(cè)。由于精密扁鋼的寬度精度較高（80毫米寬的 扁鋼精整后要求全長(zhǎng)寬度誤差在0.15毫米以內(nèi)），每條生產(chǎn)線年產(chǎn)精密扁鋼僅為150噸， 所以該行業(yè)每年需要精密扁鋼生產(chǎn)線在20套以上。 1.1.2 扁鋼精整生產(chǎn)線的技術(shù)需求 精密扁鋼的要求是扁鋼的寬度誤差應(yīng)在0.15毫米以內(nèi)，外型要求平直。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)， 推廣精密扁鋼生產(chǎn)線的關(guān)鍵是解決所生產(chǎn)的扁鋼質(zhì)量與精度不符合膜式水冷壁生產(chǎn)要求， 精整量不適合我國(guó)鋼管供應(yīng)狀態(tài)，生產(chǎn)線的使用可靠性低，壽命短等諸方面的問題。目 前由于未很好的解決上述問題，給我國(guó)鍋爐行業(yè)尤其是中小鍋爐企業(yè)采用膜式水冷壁這 一先進(jìn)技術(shù)帶來了相當(dāng)?shù)睦щy。我國(guó)扁鋼精整生產(chǎn)線存在的問題如下所述： (1)扁鋼精整工藝與生產(chǎn)線、扁鋼精整機(jī)的總體布局 就技術(shù)而言，鍋爐行業(yè)現(xiàn)以有多種扁鋼生產(chǎn)線在使用，但至今還沒有一家扁鋼精整 機(jī)生產(chǎn)廠家能提供全套的生產(chǎn)線，均是用戶單位在購(gòu)買精整機(jī)的基礎(chǔ)上自行成套，在成 套過程中出現(xiàn)的工藝問題很難解決。同時(shí)這些生產(chǎn)線所生產(chǎn)的扁鋼幾乎均存在旁彎和扭 曲的現(xiàn)象。究其原因，與扁鋼精整工藝、生產(chǎn)線及生產(chǎn)線中的主機(jī)總體布局有關(guān)。生產(chǎn) 線應(yīng)具有扁鋼開卷、精整矯正、切斷等功能，主機(jī)應(yīng)具有對(duì)扁鋼進(jìn)行精整、矯直、矯平 - 2 - 的功能。現(xiàn)有主機(jī)的總體布局是矯平精整矯直，精整和矯平由同一工作部件完成，在 操作中，由于精整量大，顧了精整尺寸，顧不了矯直，反之亦然。容易產(chǎn)生旁彎現(xiàn)象。 在精整過程中，由于精整零件的磨損可能不一，扁鋼兩邊因精整產(chǎn)生的應(yīng)力也可能不同， 即容易產(chǎn)生扭曲。 (2)扁鋼的寬度精度 現(xiàn)有生產(chǎn)線中一般還存在所生產(chǎn)的扁鋼精度不高，寬度誤差大于膜式水冷壁的生產(chǎn) 要求，同時(shí)長(zhǎng)度方向存在竹節(jié)型，寬度尺寸不統(tǒng)一等缺陷，對(duì)膜式水冷壁的焊接帶來了 相當(dāng)大的影響。究其原因是對(duì)精密扁鋼的生產(chǎn)工藝和相關(guān)理論研究不透所至，如在這一 方面不加以突破，這些問題很難有較大的改觀。 (3)精整量與我國(guó)鋼管供應(yīng)狀態(tài) 精整量不能滿足我國(guó)鋼管供應(yīng)狀態(tài)是現(xiàn)有扁鋼精整生產(chǎn)線的通病。根據(jù)上述，我國(guó) 現(xiàn)在供應(yīng)的鋼管直徑在 5%的誤差以內(nèi)均為合格品。這要求扁鋼精整量應(yīng)大于 1.2毫米。 而我國(guó)現(xiàn)有扁鋼精整機(jī)絕大多數(shù)為模仿國(guó)外產(chǎn)品,國(guó)外供應(yīng)鍋爐生產(chǎn)用鋼管的精度大大高 于我國(guó)，膜式水冷壁生產(chǎn)所需的扁鋼精整量很小，簡(jiǎn)單的模仿將不適應(yīng)我國(guó)的國(guó)情。同 時(shí)國(guó)內(nèi)現(xiàn)在扁鋼精整機(jī)生產(chǎn)廠家技術(shù)力量薄弱,無力對(duì)精整矯正理論進(jìn)行研究,為打開市 場(chǎng),虛假的擴(kuò)大本企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力,導(dǎo)致了出現(xiàn)用戶感覺產(chǎn)品實(shí)際能力達(dá)不到設(shè)計(jì)能 力的現(xiàn)象。 (4)使用壽命 國(guó)內(nèi)一些大型和較大鍋爐企業(yè)大量采用膜式水冷壁技術(shù)，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的作為膜式水 冷壁生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備的扁鋼精整生產(chǎn)線使用壽命存在嚴(yán)重的問題，不得不多備數(shù)條同類 生產(chǎn)線，以防不測(cè)。僅以上海鍋爐廠為例，現(xiàn)有扁鋼精整機(jī)的平均壽命為 23 年，幾乎 每年要更換 12 臺(tái)扁鋼精整機(jī)，既浪費(fèi)了錢財(cái)，有影響了生產(chǎn)。設(shè)備使用壽命如此之短， 其主要現(xiàn)象為一些關(guān)鍵零部件的頻繁損壞，其根本原因還是所應(yīng)用的相關(guān)理論不成熟所 至。 1.2 扁鋼精整生產(chǎn)線的研究現(xiàn)狀 1.2.1 國(guó)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 扁鋼是中厚板的一種，廣泛用于鍋爐、容器、石油化工等方面，日本中厚板生產(chǎn)技 術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位。1985年日本住友金屬鹿島廠厚板車間安裝了世界第1套復(fù)合式 矯直設(shè)備(也稱子母式矯直機(jī))。該矯直機(jī)由大輥徑厚板矯直機(jī)和小輥徑薄板矯直機(jī)構(gòu)成， 大輥徑矯直機(jī)主要解決厚板不平度缺陷，小輥徑矯直機(jī)主要解決薄板的板形不良缺陷 7。 近10年來，日本、德國(guó)主要的冶金廠商先后推出“第三代矯直機(jī)”，既開發(fā)有等距矯直 - 3 - 機(jī)，同時(shí)為了擴(kuò)大矯直范圍（薄板用小輥徑小輥距， 厚板用大輥徑大輥距），也開發(fā)有 變輥數(shù)、變輥距矯直機(jī)，還開發(fā)有組合式和伸縮式矯直機(jī)，矯直范圍從以往的45倍擴(kuò) 大到10倍左右 8。 日本中厚板軋機(jī)均裝備了由高響應(yīng)性的液壓AGC系統(tǒng)、Y射線測(cè)厚儀等傳感器，以及 高精度數(shù)學(xué)模型構(gòu)成的計(jì)算機(jī)厚度控制系統(tǒng)。厚度自動(dòng)控制有三個(gè)要點(diǎn)，一是采用彈跳 方程等數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)高精度設(shè)定；二是采用絕對(duì)值A(chǔ)GC控制鋼板全長(zhǎng)的厚度精度；三是通 過道次間、板坯間的實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值的對(duì)比實(shí)現(xiàn)模型自學(xué)習(xí)。為了保證鋼板的平直 度，需嚴(yán)格控制各道次的板凸度。日本的中厚板軋機(jī)除配備必要的輥型和實(shí)施設(shè)計(jì)合理 的軋制規(guī)程外，還具備WRB、WRS等控制手段。此外，日本還在軟件、傳感器方面做了大 量的改進(jìn)工作。例如，開發(fā)了軋件三維變形的高精度板凸度模型，緊鄰軋機(jī)出口安裝了 平直度檢測(cè)儀等。目前，日本中厚板板凸度平均可以控制到0.O5毫米以下。為減少切頭、 切尾、切邊量，日本各中厚板廠都開發(fā)了平面形狀控制技術(shù)，鋼板軋后盡可能接近矩形。 JFE水島廠開發(fā)的MAS軋制方法，可定量地預(yù)測(cè)軋后鋼板的平面形狀，在成形軋制或展寬 軋制的最后一個(gè)道次，將鋼板縱向斷面軋成設(shè)定形狀，從而保證軋后鋼板最接近于矩形 9。 此外，國(guó)際知名的冶金設(shè)備供應(yīng)商(德國(guó)的MDS、SMS-Demag和日本的MHI等)紛紛推出 第三代矯直機(jī), 高剛度、全液壓和自動(dòng)化功能更強(qiáng), 對(duì)鋼板的矯直效果很好 10。 對(duì)于精密扁鋼生產(chǎn)技術(shù)而言，德國(guó)產(chǎn)設(shè)備一般采用四輥矯平，一對(duì)精整輥精整，三 輥矯正。其中精整輥的夾緊采用搖臂結(jié)構(gòu)，設(shè)備重約 2T，其最大精整量為 1mm，連續(xù)運(yùn) 行壽命約為 1年。日本產(chǎn)設(shè)備一般采用五輥矯平，六對(duì)輥輪精整和矯直共用，精整輥的 夾緊采用絲桿矩形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，設(shè)備重量為 2.5T，最大精整量為 1.2mm。此類設(shè)備由于精 整輥輪精整和矯直共用，其可控性較差。 以上兩種形式的精密扁鋼精整設(shè)備國(guó)內(nèi)均有引進(jìn)，由于我國(guó)生產(chǎn)的鋼管和扁鋼的允 許誤差較大，這些設(shè)備的性能參數(shù)以及剛度、強(qiáng)度均不能滿足國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的需要。 1.2.2 國(guó)內(nèi)同類工作研究現(xiàn)狀 首先，對(duì)于我國(guó)的中厚板生產(chǎn)技術(shù)來說雖然我國(guó)各種中厚板都能生產(chǎn)，但從生產(chǎn)技 術(shù)、鋼板質(zhì)量、消耗指標(biāo)及產(chǎn)品創(chuàng)新等方面看，與日本、美國(guó)、德國(guó)及俄羅斯相比，尚 有一定差距 11。 精密扁鋼精整裝備是用于鍋爐膜式水冷壁制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，我國(guó)膜式水冷壁技 術(shù)在電站鍋爐中使用已有多年，優(yōu)點(diǎn)很多，但由于裝備投資很大（一些大型企業(yè)均采用 國(guó)外進(jìn)口設(shè)備），對(duì)國(guó)內(nèi)原材料的適應(yīng)性不好，嚴(yán)重的制約了該項(xiàng)技術(shù)在工業(yè)鍋爐中的 使用，使得我國(guó)工業(yè)鍋爐的發(fā)展大大落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。與此同時(shí)，工業(yè)鍋爐也成為我國(guó) 的一個(gè)重大的能源消耗點(diǎn)和嚴(yán)重的污染源，與我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)十分不配。 - 4 - 我國(guó)從“七五”期間開始引進(jìn)和消化國(guó)外自動(dòng)化水平較高的焊接生產(chǎn)技術(shù)和相關(guān)裝 備，但是對(duì)精密扁鋼的生產(chǎn)技術(shù)研究一直沒有予以重視，精密扁鋼的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)裝 備技術(shù)一直比較薄弱。 目前我國(guó)使用的精密扁鋼生產(chǎn)設(shè)備基本上是簡(jiǎn)單仿制日本三菱和德國(guó)巴巴克公司的 產(chǎn)品，僅在國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分改進(jìn)，基本沒有從扁鋼精整機(jī)理上進(jìn)行深入研 究。由于國(guó)外鋼管產(chǎn)品的尺寸精度與國(guó)產(chǎn)鋼管相比有很大不同，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，這 些仿制設(shè)備在用于制造與國(guó)產(chǎn)鋼管配套焊接的精密扁鋼時(shí)，其主要技術(shù)參數(shù)往往不能滿 足實(shí)際生產(chǎn)要求，并且同時(shí)存在設(shè)備設(shè)計(jì)剛度、強(qiáng)度不足，精整后扁鋼尺寸精度不高， 設(shè)備可操控性差，使用壽命短等缺陷，不符合我國(guó)國(guó)情。上述情況表明，我國(guó)自行開發(fā) 的精密扁鋼生產(chǎn)設(shè)備仍存在一系列技術(shù)問題，我國(guó)精密扁鋼生產(chǎn)技術(shù)與膜式水冷壁焊接 生產(chǎn)技術(shù)裝備仍未形成良好配套。 在控制方面，楊書儀等人利用PLC和力控軟件開發(fā)了一個(gè)自動(dòng)生產(chǎn)線的監(jiān)控系統(tǒng)。該 鋼板彈簧自動(dòng)剪切生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高、運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠、維護(hù)方便， 利用組態(tài)軟件開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控程序界面友好、操作方便、實(shí)用性強(qiáng) 12。羅偉，肖曉明 等人用實(shí)驗(yàn)證明，在軋鋼機(jī)系統(tǒng)的控制中，模糊控制在對(duì)象參數(shù)變化時(shí)，具有較強(qiáng)的抗 干擾能力，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行較好的控制，有較好的應(yīng)用價(jià)值，用PLC作控制器核心，使控制 器編程更簡(jiǎn)單靈活，操作方便，實(shí)用性強(qiáng) 13。但對(duì)于扁鋼精整生產(chǎn)線的控制均未能達(dá)到 很好的效果。 鍋爐行業(yè)現(xiàn)已有多類扁鋼精整裝備在使用，但至今為止還沒有一家扁鋼精整裝備生 產(chǎn)廠家能提供全套的生產(chǎn)線，在成套過程中出現(xiàn)的工藝問題很難解決 1 。 一條完整扁鋼精整生產(chǎn)線應(yīng)具有扁鋼開卷、精整、矯平、矯直、切斷等功能。現(xiàn)有 國(guó)產(chǎn)設(shè)備大多是將精整和矯平由同一工作部件完成，在使用中，由于精整量大，精整尺 寸得到控制，則矯直效果受到明顯不利影響，反之亦然，故容易產(chǎn)生旁彎現(xiàn)象 2 。在精 整過程中，由于精整零件的磨損程度存在差異，扁鋼兩邊產(chǎn)生的應(yīng)力則可能不同，故容 易產(chǎn)生扭曲。 現(xiàn)有扁鋼精密設(shè)備普遍存在精整扁鋼尺寸精度不高、長(zhǎng)度方向存在竹節(jié)型等缺陷。 分析其原因，主要是在扁鋼精整生產(chǎn)裝備的設(shè)計(jì)技術(shù)方面存在問題，沒有對(duì)精密扁鋼的 整形機(jī)理和相關(guān)精整矯正計(jì)算理論進(jìn)行深入的研究，如在這一方面不加以突破，這些問 題很難有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展 3 。 現(xiàn)有扁鋼精整生產(chǎn)裝備的精整量與國(guó)產(chǎn)鋼管的技術(shù)指標(biāo)難以匹配，這已經(jīng)成為現(xiàn)有 扁鋼精整生產(chǎn)線的通病。我國(guó)國(guó)產(chǎn)鋼管的直徑誤差在標(biāo)稱值的(1)以內(nèi)均為合格品， 對(duì)于這種類型的鋼管，要求扁鋼精整雖應(yīng)大于12mm，而現(xiàn)有扁鋼精整裝備絕大多數(shù)達(dá) 不到這一要求 4 。 膜式水冷壁生產(chǎn)技術(shù)包含精密扁鋼生產(chǎn)技術(shù)，管子焊前預(yù)處理技術(shù)和膜式水冷壁焊接 生產(chǎn)技術(shù)三個(gè)環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣。精密扁鋼生產(chǎn)技術(shù)將直接影響所生產(chǎn)的膜式水冷壁的質(zhì) - 5 - 量。 從技術(shù)角度看，國(guó)外在三個(gè)環(huán)節(jié)都具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，均有成熟的技術(shù)與裝備 5 。我 國(guó)在“七五”期間開始以焊接生產(chǎn)技術(shù)為主引進(jìn)相關(guān)技術(shù)與裝備，忽視了精密扁鋼的生 產(chǎn)技術(shù)。多年來國(guó)內(nèi)的技術(shù)人員也把相對(duì)較多的精力放在焊接技術(shù)的研究上，精密扁鋼 的生產(chǎn)技術(shù)與裝備幾乎無人研究。目前我國(guó)使用的有關(guān)設(shè)備基本上是簡(jiǎn)單的模仿日本三 菱和德國(guó)巴巴克的產(chǎn)品 6 。諸不知國(guó)外的原料供應(yīng)狀態(tài)較國(guó)內(nèi)好的多，模仿的設(shè)備不適 合國(guó)情，以至目前我國(guó)的精密扁鋼生產(chǎn)技術(shù)與膜式水冷壁焊接生產(chǎn)技術(shù)嚴(yán)重不配套，至 今還無專業(yè)生產(chǎn)裝備的廠家從根本上掌握精密扁鋼生產(chǎn)技術(shù)，從而有能力提供成套的性 能價(jià)格比高的成套相關(guān)設(shè)備。 從經(jīng)濟(jì)角度看，由于大型電站鍋爐的競(jìng)爭(zhēng)小于工業(yè)鍋爐，相對(duì)利潤(rùn)率較高，我國(guó)的大 型電站鍋爐廠家的效益普遍好于工業(yè)鍋爐廠，所以對(duì)精密扁鋼生產(chǎn)主機(jī)的使用壽命短， 每臺(tái)裝備的使用壽命僅 23年，此項(xiàng)設(shè)備更新費(fèi)用每年為 1015萬(wàn)元還是可以接受。但 對(duì)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，經(jīng)濟(jì)實(shí)力較弱的工業(yè)鍋爐生產(chǎn)廠家，就無力承擔(dān)了 7 。 膜式水冷壁技術(shù)在工業(yè)鍋爐中的應(yīng)用是大勢(shì)所趨，尤其是在我國(guó)進(jìn)入WTO以后，采用 先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)入，將極大的影響工業(yè)鍋爐領(lǐng)域的市場(chǎng)格局 8 。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠 家要在市場(chǎng)上爭(zhēng)得一席之位，必須采用如膜式水冷壁這樣的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)。我國(guó)地域遼 闊，工業(yè)鍋爐使用范圍廣大，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景十分寶貴看好 9 。 目前，國(guó)內(nèi)扁鋼精整生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度還不高，大多處于半自動(dòng)半手工水平，與 國(guó)外全自動(dòng)相比，還有很大差距。 1.3 研究?jī)?nèi)容 1.3.1 本文研究的主要內(nèi)容 精密扁鋼精整裝備足用于鍋爐膜式水冷壁制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，用于對(duì)退火后的扁 鋼原材料進(jìn)行尺寸精整、矯平和矯直，使之尺寸和形狀達(dá)到焊前要求 10 。確保膜式水 冷壁制造質(zhì)量的關(guān)鍵之一在于保證膜式水冷壁鋼管問的節(jié)距精度 11 。在膜式水冷壁鋼 管節(jié)距固定的前提下，必須通過扁鋼寬度尺寸的變化來調(diào)整扁鋼與鋼管之間的間隙。由 此可見扁鋼寬度尺寸的精度直接影響膜式水冷壁的整體質(zhì)量 12 。 在鍋爐結(jié)構(gòu)中，膜式水冷壁上聯(lián)儲(chǔ)存蒸汽的汽包，下聯(lián)作為輸水接口的集箱，與兩 者的連接通過焊接而成，這就對(duì)膜式水冷壁提出了較高的節(jié)距要求。同時(shí)在膜式水冷壁 的生產(chǎn)過程中，對(duì)管屏的彎曲普遍采用管屏壓力彎曲機(jī)，該機(jī)的使用對(duì)膜式水冷壁的節(jié) 距提出更高的要求，一般要求管子的節(jié)距誤差小于 0.3毫米，管屏的寬度誤差小于 2毫 米。而在我國(guó)，鋼管直徑為管子直徑的 5%，誤差很大（以常用的直徑為 60毫米的管子為 - 6 - 例，直徑為 58.861.2毫米） ，所以此問題必須通過對(duì)不同誤差的管子采用寬度尺寸不同 的扁鋼來解決。在考慮扁鋼的寬度尺寸時(shí)，還需考慮焊接后焊縫收縮對(duì)管子節(jié)距的影響。 這也將通過調(diào)節(jié)扁鋼尺寸來消除。 精密扁鋼精整生產(chǎn)線的主要作用是退火后的扁鋼通過本生產(chǎn)線的精整、矯平、矯直， 使之成為滿足焊前要求的尺寸與精度。 精密扁鋼生產(chǎn)線的市場(chǎng)需求量很大。在鍋爐行業(yè)中，精密扁鋼生產(chǎn)線是采用先進(jìn)技 術(shù)的鍋爐生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的性能好壞將直接影響膜式水冷壁的質(zhì)量，從而影 響鍋爐的質(zhì)量和產(chǎn)量，這一點(diǎn)在鍋爐行業(yè)中已經(jīng)達(dá)到共識(shí)。為保證生產(chǎn)，一般鍋爐制造 企業(yè)同時(shí)配有多條同類生產(chǎn)線，以防不測(cè) 13 。由于精密扁鋼的寬度精度較高（80毫米 寬的扁鋼精整后要求全長(zhǎng)寬度誤差在0.15毫米以內(nèi)），每條生產(chǎn)線年產(chǎn)精密扁鋼僅為150 噸，所以該行業(yè)每年需要精密扁鋼生產(chǎn)線在20套以上。 1.3.2 課題主要解決的技術(shù)關(guān)鍵問題和創(chuàng)新點(diǎn) 技術(shù)關(guān)鍵問題： (1)精整量與傳動(dòng)速度的匹配 (2)加工參數(shù)的設(shè)定 (3)定長(zhǎng)切斷和計(jì)數(shù) (4)自動(dòng)下料 創(chuàng)新點(diǎn)： (1)通過對(duì)扁鋼精整生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的改造，掌握精密扁鋼生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的生 產(chǎn)線總體方案。 (2) 采用最新精密扁鋼生產(chǎn)理論對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于PLC對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn) 適合我國(guó)國(guó)情的精密扁鋼生產(chǎn)技術(shù)與裝備的成套供應(yīng)。 1.4 研究目的與意義 通過對(duì)扁鋼精整生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的改造，提高扁鋼軋制效率，降低勞動(dòng)力，提高經(jīng) 濟(jì)效益。通過設(shè)計(jì)剪切控制系統(tǒng)，提高扁鋼精度。解決現(xiàn)有鋼板長(zhǎng)度定尺的低自動(dòng)化程 度和低剪切精度的問題。實(shí)現(xiàn)精整量與傳動(dòng)速度的匹配、加工參數(shù)的任意設(shè)定，從而可 以使一條生產(chǎn)線可以生產(chǎn)多種類型扁鋼。進(jìn)而為鍋爐行業(yè)提供適合我國(guó)國(guó)情的性能價(jià)格 比高的精密扁鋼生產(chǎn)成套技術(shù)與裝備，促進(jìn)膜式水冷壁技術(shù)在工業(yè)鍋爐中的使用，從而 降低能源的消耗及保護(hù)環(huán)境。就技術(shù)而言，鍋爐行業(yè)現(xiàn)以有多種扁鋼生產(chǎn)線在使用，但 至今還沒有一家扁鋼精整機(jī)生產(chǎn)廠家能提供全套的生產(chǎn)線，均是用戶單位在購(gòu)買精整機(jī) 的基礎(chǔ)上自行成套，在成套過程中出現(xiàn)的工藝問題很難解決。同時(shí)這些生產(chǎn)線所生產(chǎn)的 - 7 - 扁鋼幾乎均存在旁彎和扭曲的現(xiàn)象。究其原因，與扁鋼精整工藝、生產(chǎn)線及生產(chǎn)線中的 主機(jī)總體布局有關(guān)。生產(chǎn)線應(yīng)具有扁鋼開卷、精整矯正、切斷等功能，主機(jī)應(yīng)具有對(duì)扁 鋼進(jìn)行精整、矯直、矯平的功能?，F(xiàn)有主機(jī)的總體布局是矯平精整矯直，精整和矯平 由同一工作部件完成，在操作中，由于精整量大，顧了精整尺寸，顧不了矯直，反之亦 然。容易產(chǎn)生旁彎現(xiàn)象。在精整過程中，由于精整零件的磨損可能不一，扁鋼兩邊因精 整產(chǎn)生的應(yīng)力也可能不同，即容易產(chǎn)生扭曲?，F(xiàn)有生產(chǎn)線中一般還存在所生產(chǎn)的扁鋼精 度不高，寬度誤差大于膜式水冷壁的生產(chǎn)要求，同時(shí)長(zhǎng)度方向存在竹節(jié)型，寬度尺寸不 統(tǒng)一等缺陷，對(duì)膜式水冷壁的焊接帶來了相當(dāng)大的影響。究其原因是對(duì)精密扁鋼的生產(chǎn) 工藝和相關(guān)理論研究不透所至，如在這一方面不加以突破，這些問題很難有較大的改觀。 精整量不能滿足我國(guó)鋼管供應(yīng)狀態(tài)是現(xiàn)有扁鋼精整生產(chǎn)線的通病。根據(jù)上述，我國(guó) 現(xiàn)在供應(yīng)的鋼管直徑在 5%的誤差以內(nèi)均為合格品。這要求扁鋼精整量應(yīng)大于 1.2毫米。 而我國(guó)現(xiàn)有扁鋼精整機(jī)絕大多數(shù)為模仿國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)外供應(yīng)鍋爐生產(chǎn)用鋼管的精度大大 高于我國(guó)，膜式水冷壁生產(chǎn)所需的扁鋼精整量很小，簡(jiǎn)單的模仿將不適應(yīng)我國(guó)的國(guó)情。 同時(shí)國(guó)內(nèi)現(xiàn)在扁鋼精整機(jī)生產(chǎn)廠家技術(shù)力量薄弱，無力對(duì)精整矯正理論進(jìn)行研究，為打 開市場(chǎng)，虛假的擴(kuò)大本企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，導(dǎo)致了出現(xiàn)用戶感覺產(chǎn)品實(shí)際能力達(dá)不到 設(shè)計(jì)能力的現(xiàn)象。 國(guó)內(nèi)一些大型和較大鍋爐企業(yè)大量采用膜式水冷壁技術(shù)，而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的作為膜式水 冷壁生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備的扁鋼精整生產(chǎn)線使用壽命存在嚴(yán)重的問題，不得不多備數(shù)條同類 生產(chǎn)線，以防不測(cè)。僅以上海鍋爐廠為例，現(xiàn)有扁鋼精整機(jī)的平均壽命為23年，幾乎 每年要更換12 臺(tái)扁鋼精整機(jī)，既浪費(fèi)了錢財(cái)，有影響了生產(chǎn)。設(shè)備使用壽命如此之短， 其主要現(xiàn)象為一些關(guān)鍵零部件的頻繁損壞，其根本原因還是所應(yīng)用的相關(guān)理論不成熟所 至。 優(yōu)化扁鋼精整生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的作用： (1)通過對(duì)控制系統(tǒng)的改造，提高扁鋼軋制效率，降低勞動(dòng)力，提高經(jīng)濟(jì)效益。 (2)通過設(shè)計(jì)剪切控制系統(tǒng)，提高扁鋼精度。解決現(xiàn)有鋼板長(zhǎng)度定尺的低自動(dòng)化程度 和低剪切精度 的問題。 (3)實(shí)現(xiàn)精整量與傳動(dòng)速度的匹配、加工參數(shù)的任意設(shè)定。可是使一條生產(chǎn)線可以生 產(chǎn)多種類型 扁鋼。 本項(xiàng)目的研究成功，將有效控制扁鋼的精整過程，提高精密扁鋼的生產(chǎn)質(zhì)量、保障 電站鍋爐膜式水冷壁的焊接質(zhì)量。進(jìn)而為鍋爐行業(yè)提供適合我國(guó)國(guó)情的性能價(jià)格比高的 精密扁鋼生產(chǎn)成套技術(shù)與裝備，促進(jìn)膜式水冷壁技術(shù)在工業(yè)鍋爐中的使用，從而對(duì)降低 能源的消耗及保護(hù)環(huán)境起到積極的推動(dòng)作用，具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義。 - 8 - 1.5 研究方案 本課題是在對(duì)現(xiàn)有扁鋼精整、剪切生產(chǎn)工藝進(jìn)行全面了解的基礎(chǔ)上，對(duì)扁鋼精整、 剪切生產(chǎn)線控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)精整量與傳動(dòng)速度的匹配、加工參數(shù)的任意設(shè)定、 定長(zhǎng)切斷和計(jì)數(shù)、自動(dòng)下料等功能，并把其整合到膜式壁焊接生產(chǎn)線的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 中（組態(tài)軟件） 。本課題的所需的硬件條件（扁鋼精整生產(chǎn)工藝）和軟件條件（控制電路 設(shè)計(jì)軟件 AutoCAD Electrical 2006 和編程軟件（CX-programmer）已具備。主要研究方法 如下： (1)分析評(píng)估控制任務(wù)，即分析被控對(duì)象的控制過程和控制要求，選擇合適的控制裝 備，經(jīng)過比較分析，選擇PLC作為控制裝置。并介紹了PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原 則和基本內(nèi)容。 (2)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：包括確定控制系統(tǒng)組成，PLC選型和I/O分配，其他電氣元件選型， 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)原理圖和布線圖，設(shè)計(jì)操作面板。 (3)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：從梯形圖直觀的角度考慮，選擇梯形圖進(jìn)行程序編寫。程序編好 后調(diào)試程序，以確保程序的準(zhǔn)確性。 (4)利用工業(yè)組態(tài)軟件對(duì)扁鋼精整生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 1.6 本章小結(jié) 本章介紹了扁鋼精整生產(chǎn)線的市場(chǎng)需求和國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，以及有效控 制扁鋼精整過程的重要意義，說明了本課題的可行性與重要性。并簡(jiǎn)要的介紹了課題的 研究?jī)?nèi)容與研究目的。給出了研究方案。本文的二、三、四章就是在該研究方案與技術(shù) 路線指導(dǎo)下完成的。 2 扁鋼精整生產(chǎn)過程和控制要求 2.1 扁鋼精整生產(chǎn)工藝 用于精密扁鋼生產(chǎn)的坯料采用經(jīng)開剪、冷拔和退火后的各種鋼卷料。開卷后會(huì)形成 波浪形的彎曲，因此需對(duì)其進(jìn)行初步矯平；為保證扁鋼具有較高的寬度精度，還應(yīng)對(duì)其 進(jìn)行精整操作；為保證扁鋼的形位精度，隨后對(duì)其進(jìn)行矯平和矯直；最后根據(jù)長(zhǎng)度要求， 進(jìn)行定長(zhǎng)切斷。其工藝流程為：初步矯平、精整、矯平、矯直、測(cè)長(zhǎng)和切斷。具體工藝 過程見圖 2-1。 - 9 - 圖 2-1 生產(chǎn)工藝流程圖 2.2 扁鋼精整生產(chǎn)線主要設(shè)備簡(jiǎn)介 本生產(chǎn)線由扁鋼開卷機(jī)、扁鋼精整矯直矯平機(jī)、液壓扁鋼切斷機(jī)、扁鋼輥道料架、 液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。各設(shè)備情況介紹如下： 2.2.1 扁鋼卷料架 生產(chǎn)線所使用的扁鋼原料采用卷料形式供應(yīng)。扁鋼開卷機(jī)的主要作用是安放扁鋼原 料。扁鋼開卷機(jī)為無動(dòng)力驅(qū)動(dòng)形式，結(jié)構(gòu)上由扁鋼架、主軸和機(jī)座等零件組成，工作時(shí)， 扁鋼原料放在扁鋼架上，扁鋼架通過螺釘保證扁鋼原料在扁鋼開卷機(jī)不會(huì)任意滑出。扁 鋼架與主軸聯(lián)接，通過軸承支撐在機(jī)座上。在扁鋼精整時(shí)，精整所產(chǎn)生的拉力驅(qū)動(dòng)扁鋼 原料和主軸一起繞著主軸中心旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)扁鋼原料的開卷。 2.2.2 扁鋼精整矯直矯平機(jī) 扁鋼精整矯直矯平機(jī)是本生產(chǎn)線的主要設(shè)備，具有扁鋼精整、矯直、矯平和定長(zhǎng)功 能。 2.2.3 工作原理 扁鋼精整機(jī)的工作原理是將冷態(tài)扁鋼毛壞用兩組上下交錯(cuò)布置的校平輪對(duì)厚度方向 進(jìn)行預(yù)校平和最終校平；用一對(duì)相對(duì)布置的精整輪對(duì)其寬度方向進(jìn)行擠壓，使寬度被壓 縮而達(dá)到預(yù)期的參數(shù)，其壓縮量可調(diào)；用五支交錯(cuò)布置的投直輪對(duì)其寬度方向進(jìn)行校直。 其工作流程是：預(yù)校平一精整一校直一后校平。 2.2.4 結(jié)構(gòu)分析 扁鋼精整矯直矯平機(jī)由扁鋼導(dǎo)向裝置、送進(jìn)裝置、精整裝置、矯平裝置矯直裝置和 - 10 - 測(cè)量裝置組成。其中導(dǎo)向裝置對(duì)需進(jìn)行加工的扁鋼原料進(jìn)行導(dǎo)向；送進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)形式 似五輥矯平機(jī)，其中兩下輥為主動(dòng)輥，工作時(shí)，一方面對(duì)原料扁鋼進(jìn)行初步的矯平，同 時(shí)向扁鋼原料提供向前運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，使其能順利進(jìn)入精整裝置；精整裝置由兩對(duì)不同 尺寸的扁鋼精整輪組成，每對(duì)精整輪中有一只為主動(dòng)輪，其主要作用在于對(duì)扁鋼進(jìn)行精 整。精整完的扁鋼在矯平裝置上矯平，此矯平裝置為五輥無動(dòng)力矯平裝置。經(jīng)矯平后的 扁鋼，在矯直裝置進(jìn)行矯直。矯直裝置也為五輥矯直的結(jié)構(gòu)，其中兩只矯平輥為主動(dòng)輥。 矯直后的扁鋼經(jīng)過測(cè)量裝置，測(cè)量裝置中裝有光電脈沖編碼器，通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)和光電的 轉(zhuǎn)換，脈沖編碼器向控制系統(tǒng)發(fā)出扁鋼行走的長(zhǎng)度信號(hào)，以便生產(chǎn)線中扁鋼定長(zhǎng)功能的 實(shí)現(xiàn)。 2.2.5 液壓扁鋼切斷機(jī) 液壓扁鋼切斷機(jī)的主要功能是根據(jù)需要，對(duì)精整矯平矯直后的扁鋼進(jìn)行切斷。為保 證扁鋼切口端的質(zhì)量，本設(shè)備采用平剪的形式。設(shè)備中共有兩只液壓油缸和與之相對(duì)應(yīng) 的兩副滑板。其中小油缸和其對(duì)應(yīng)滑板的主要作用是扁鋼在進(jìn)行切斷前的夾緊。小油缸 上升時(shí)，扁鋼夾緊；下降時(shí)，扁鋼松開。大油缸和其對(duì)應(yīng)滑板的主要作用是切斷。兩把 平剪刀一把安裝在設(shè)備的上橫梁上，為定刀；另一把則安裝在大油缸對(duì)應(yīng)的滑板上。在 扁鋼夾緊以后，大油缸推動(dòng)對(duì)應(yīng)的滑板帶動(dòng)平剪刀上行，直至切斷扁鋼為止。 2.2.6 扁鋼輥道料架 扁鋼輥道料架的功能是對(duì)切斷以后的扁鋼進(jìn)行輸送和翻出。由扁鋼強(qiáng)送裝置，輥道 和翻出裝置等組成。切斷后的扁鋼由扁鋼強(qiáng)送裝置送出切斷機(jī)，再由扁鋼翻出裝置將其 從輥道上翻出（翻入料架）。 2.3 扁鋼精整生產(chǎn)線功能分析 該扁鋼精整生產(chǎn)線具有自動(dòng)進(jìn)行扁鋼開卷、精整、矯平、矯直、表面處理、定長(zhǎng)切 斷、扁鋼輸出等功能。 2.4 扁鋼精整生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)方案 結(jié)合精密扁鋼的生產(chǎn)工藝, 分析生產(chǎn)線的功能需求，我們提出生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)方 案如下: (1) 精整: 可以通過輥輪或冷拔技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，此處考慮到結(jié)構(gòu)的連貫性和粗糙度因 素選用輥輪。 - 11 - (2) 矯平矯直: 根據(jù)矯正理論可知，隨著矯正輥的增加，矯正質(zhì)量有所提高，但是 消耗的功率將急劇增加，同時(shí)設(shè)備的體積也將增加。所以，兼顧矯正質(zhì)量和功率的消耗， 選用五輥非驅(qū)動(dòng)矯正。 (3) 定長(zhǎng): 如果采用可調(diào)機(jī)械定長(zhǎng)裝置，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)就需采用液壓馬達(dá)，會(huì)造成機(jī)械 定長(zhǎng)裝置的成本較高。又由于液壓馬達(dá)的使用壽命較低，所以此處采用光電編碼發(fā)訊、 普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)、并通過交流變頻器和可編程控制器實(shí)現(xiàn)工作速度的調(diào)整和扁鋼切斷長(zhǎng)度 的控制。 (4) 去銹: 由于扁鋼事先經(jīng)過退火處理，表面油污已經(jīng)去除，在精整過程中，氧化 皮受壓后會(huì)自動(dòng)剝落，所以可以省去去銹裝置 14。 (5) 切斷: 如果采用金屬切削的方案，則加工速度將受到限制，這不符合自動(dòng)化生 產(chǎn)線的要求，同時(shí)輔助工作時(shí)間增加，刀具的位置調(diào)試較困難。而液壓沖剪加工速度快， 且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以此處采用液壓沖剪的方案。 精密扁鋼精整生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)方案如圖 2-2所示： 1-扁鋼坯料卷料架；2-扁鋼精整矯平矯直定長(zhǎng)機(jī)；3-液壓扁鋼切斷機(jī) 圖 2-2 精密扁鋼精整生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)方案 2.5 主要技術(shù)指標(biāo) 扁鋼來料規(guī)格： 寬度： 12.7100 毫米 - 12 - 厚度： 35 毫米 長(zhǎng)度：8000 毫米 來料寬度公差： -0.+0.毫米 材質(zhì)： Q235或20號(hào)鍋爐鋼 供料狀態(tài)：卷料供應(yīng)、冷拔扁鋼應(yīng)經(jīng)正火處理后進(jìn)入生產(chǎn)線。 扁鋼精整生產(chǎn)線技術(shù)規(guī)格： 最大精整能力： .5毫米 精整后的寬度精度： -0.1+0.1毫米 生產(chǎn)速度： 40006000毫米/分鐘 功能：自動(dòng)進(jìn)行扁鋼開卷、精整、矯平、矯直、表面處理、定長(zhǎng)切斷的功能。 2.6 本章小結(jié) 為解決矯直輥的修復(fù)問題，我們?cè)诒ＷC連接剛度的前提下，提出將目前國(guó)內(nèi)外普遍采 用的整體式設(shè)計(jì)改進(jìn)成為分體式設(shè)計(jì)方案，這樣既便于矯直輥輥的修復(fù)，又可有效降低 維修和使用成本。 - 13 - 3 矯直機(jī)的組成部分及作用 3.1 扁鋼精整矯平矯直機(jī)的組成 圖 3.1 扁鋼精整矯平矯直定長(zhǎng)機(jī)圖 如圖 3.1所示就是扁鋼精整矯平矯直定長(zhǎng)機(jī)，它主要由扁鋼初步矯平裝置、扁鋼精整裝置、扁鋼 矯平裝置、扁鋼矯直裝置和扁鋼長(zhǎng)度測(cè)量裝置等組成。 3.2.1 矯直輪的作用 圖 3.3 矯直輥圖（由上矯直輪和下矯直輪組成） - 14 - 矯直輪是矯直機(jī)的最核心部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)未加工扁鋼的矯直工作，因此，矯直 輪的工藝直接影響矯直機(jī)對(duì)扁鋼的矯直結(jié)果。 3.2.2 傳動(dòng)軸的作用 a 傳動(dòng)軸 I b 傳動(dòng)軸 II 圖 3.4 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)圖 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼，鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。 由于碳鋼比合金鋼價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)熱 處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最常用的是 45鋼。 合金鋼比碳鋼具有更高的力學(xué)性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動(dòng)力，并要 求減小尺寸和質(zhì)量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用 合金鋼。 必須指出：在一般工作溫度下（低于 200攝氏度） ，各種碳鋼和合金鋼的彈性模量均 相差不多，因此在選擇鋼的種類和決定鋼的熱處理方法時(shí)，所根據(jù)的是強(qiáng)度與耐磨性， 而不是軸的彎曲或扭轉(zhuǎn)剛度。但也應(yīng)當(dāng)注意，在既定條件下，有時(shí)也可選擇強(qiáng)度較低的 鋼材，而用適當(dāng)增大軸的截面面積的辦法來提高軸的剛度。 - 15 - 各種熱處理（如高頻淬火、滲碳、氮化、氰化等）以及表面強(qiáng)化處理，對(duì)提高軸的 抗疲勞強(qiáng)度都有著顯著的效果。 通過比較分析，我們選用軸的材料為 40Cr。 扁鋼矯直機(jī)中主要有兩根軸，即傳動(dòng)軸 I（如圖 3.4a）和傳動(dòng)軸 II（如圖 3.4b） ， 動(dòng)力先由傳動(dòng)軸 I獲得，然后通過連接兩根軸的裝置將動(dòng)力傳至傳動(dòng)軸 II。軸是組成機(jī) 器的主要零件之一，一切作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件都必須安裝在軸上才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力 的傳遞，因此，傳動(dòng)軸的作用就是支承回轉(zhuǎn)零件，傳遞從動(dòng)力源傳來的動(dòng)力，以及帶動(dòng) 軸上部件正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)扁鋼的矯直工作。 3.3.3 錐齒輪的作用 a 主動(dòng)錐齒輪 - 16 - b 從動(dòng)錐齒輪 圖 3.5 錐齒輪結(jié)構(gòu)圖 齒輪材料的種類很多，在選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素也很多，下述幾點(diǎn)可供選擇材料時(shí)參 考： （1）齒輪材料必須滿足工作條件的需要。 （2）應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理和制造工藝。 （3）正火碳鋼，不論毛坯的制作方法如何，只能用于制作在載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下 工作的齒輪，不能承受打的沖擊載荷；調(diào)質(zhì)碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒 輪。 （4）合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪。 （5）飛行器中的齒輪傳動(dòng)，要求齒輪尺寸盡可能小，應(yīng)采用表明硬化處理的高強(qiáng)度 合金鋼。 （6）金屬制的軟齒面齒輪，配對(duì)兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持為 3050HBS或更多。 故我們錐齒輪選用的材料為 38CrMoA1，調(diào)質(zhì) HB250，齒面氮化。 如圖 3.5所示，其中圖 a為主動(dòng)錐齒輪，圖 b為從動(dòng)錐齒輪。矯直機(jī)的傳動(dòng)軸 I與 傳動(dòng)軸 II通過主動(dòng)錐齒輪和從動(dòng)錐齒輪相連，因此，錐齒輪的作用是連接傳動(dòng)軸、傳遞 動(dòng)力并且改變傳動(dòng)的角度，使兩個(gè)垂直的軸能夠保持一定的速率轉(zhuǎn)動(dòng)。 - 17 - 3.2.4 扁鋼托輪的作用 扁鋼托輪主要是用來固定扁鋼，防止扁鋼在矯直的過程中發(fā)生變形。 3.2.5 機(jī)座的作用 機(jī)座是用來固定矯直機(jī)的各個(gè)組件，使它們能夠在固定的形式下安全并且準(zhǔn)確無誤 的完成矯直工作。 3.4 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)單的介紹了扁鋼精整矯平矯直機(jī)的組成，并且詳細(xì)的介紹了扁鋼矯直機(jī)的組 成及各組成部分的作用。 4 矯直輥的設(shè)計(jì) 根據(jù)所給材料的基本參數(shù)：板材材質(zhì)、規(guī)格、溫度、矯直速度、矯直溫度屈服極限、 矯直精度要求、矯直輥的基本布置形式，確定矯直機(jī)的輥距輥徑、壓下量及矯直力及功 率，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。 扁鋼來料規(guī)格 ： 寬度： 2080 毫米 厚度： 8 毫米 來料寬度公差： -0. +0. 毫米 材質(zhì)： Q235 或 20號(hào)鍋爐鋼 供料狀態(tài)：卷料供應(yīng)、冷拔扁鋼應(yīng)經(jīng)正火處理后進(jìn)入生產(chǎn)線。 最大精整能力： .5 毫米 精整后的寬度精度： -0.1+0.1 毫米 生產(chǎn)速度： 40006000 毫米 / 分鐘 矯直輥的分體式設(shè)計(jì)： 為解決矯直輥的修復(fù)問題，我們?cè)诒ＷC連接剛度的前提下，提出將目前國(guó)內(nèi)外普遍 采用的整體式設(shè)計(jì)改進(jìn)成為分體式設(shè)計(jì)方案，這樣既便于矯直輥輥的修復(fù)，又可有效降 低維修和使用成本。 4.1 矯直輥材料的選擇 矯直輥是矯直機(jī)的核心部分，其材料的選擇將直接影響到矯直機(jī)的矯直性能，矯直 機(jī)的使用壽命等等。因此，矯直機(jī)矯直輪的材料選擇極其重要，矯直輥由于硬度要求高， - 18 - 一般由軸承鋼或冷模鋼制成。而且，為了使增長(zhǎng)矯直輥的性能和使用壽命，矯直輥要經(jīng) 過調(diào)質(zhì)、滲碳、表面淬火的處理。 4.2 矯直輥基本參數(shù)的確定 （1）輥距 t的確定： 輥距是輥式矯直機(jī)的最重要參數(shù)。它決定著矯直板材的厚度范圍，輥徑以及矯直機(jī) 的結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)影響到傳動(dòng)功率。 在確定輥距時(shí)，往往需要對(duì)輥距進(jìn)行校核。確定輥距 t的原則是:在保證軋件矯直質(zhì) 量和輥?zhàn)訌?qiáng)度的前提下，其值盡可能地選擇得小一些。通常輥距 t滿足下式: （4-1）mintaxt 其中 為最小允許輥距，取決于輥?zhàn)訌?qiáng)度條件； 為最大允許輥距，取決于軋件mint maxt 的矯直質(zhì)量。 1)最小允許輥距 ：int 最小允許輥距 根據(jù)工作輥的接觸強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來確定。m （4-2）axPE0.418bR ：輥?zhàn)颖砻孀畲蠼佑|應(yīng)力；max P ：軋件對(duì)輥?zhàn)幼畲髩毫Γ扔谧钚≥伨鄷r(shí)作用在第 3 輥上的壓力 P3； （4-3）8P=M=S3sttmini E ：工作輥彈性模量； R ：工作輥半徑，它與輥距成一定比例關(guān)系，即 ， 是比例常數(shù)；minR=t b ：軋件與輥?zhàn)拥慕佑|寬度； ：允許接觸應(yīng)力，其值大約為軋件的屈服點(diǎn) 的 2 倍，即 =2 ss 將以上各值代入得 （4-4 ）minsSEt0.594b S ：軋件的塑性斷面系數(shù)，對(duì)于扁鋼 （4- 2maxhS=4 5） - 19 - 取 =0.475 時(shí)，最小允許輥距 （4-6）minaxSEt0.43h 查機(jī)械工程材料手冊(cè)得鍋爐用鋼板 20g，當(dāng)鋼板厚度為 6mm-16mm 時(shí)，屈服點(diǎn) =245MPa。代入得s 5min2.1