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  _电缆2005年4月_快速后减模大拉机的设计与应用_机械/仪表_工程科技_专业资料。本文介绍了采用快速后减模控制系统的DL400系列铜铝大拉机的机械及电气控制原理和设计方案,重点地讲述了该快速后减模控制系统的设计特点及实现原理和DL400系列大拉机及其配套部分在设计时注意到的一些课题。

  采用快速后减模控制系统的大拉机设计与研究 张杰 刘中亮 (广东佛山市广意永雄机械有限公司,广东顺德 528305) 摘要 本文介绍了采用快速后减模控制系统的 DL400 系列铜铝大拉机的机械及电气控制原理和设计 方案, 重点地讲述了该快速后减模控制系统的设计特点及实现原理和 DL400 系列大拉机及其配套部 分在设计时注意到的一些课题。 关键词 大拉机 后减模快速换模系统 设备安全性 工艺合理性 退火机 1 前言 根据 2002 年世界工业报告,2002 年全球铜材总消耗约为一千六百万吨, 其中亚洲约占 47%(七百 五十万吨)。随着亚洲工业化进程的加速,铜材的消耗量也有了突飞猛进的增长,中国每年接近 10% 的增长速度。据国家统计局公告,2002 年我国电缆行业铜导体总用量约为 140 万吨,铝导体总用量 约为 80 万吨。 随着电线电缆行业的蓬勃发展和对产品要求不断提高,用户在选择设备时不再象以前仅仅只是 从价格和功能两方面来考虑,而是从高效、低耗、高品质、实用、服务等方面对设备提出了更高的 要求。国内各设备制造商也相继开发出了各种不同类型的大拉丝机组,但从整个设计思路和原理上 也参差不齐,有的从外型上看同国外机型类似,依葫芦画瓢,但并未真正理解到国外机型的设计理 念。如何提高国产线缆设备的工艺水平,值得我们去努力研究。 经过设计,试产,几年的工艺试验,几十家用户使用反馈信息的不断改进,使得 DL400 系列铜 铝大拉连续退火机性能得到不断完善,不断提高;通过国际合作技术交流,我们引入新的设计思想 和理念,目前,新一代 DL400 系列铜铝大拉连续退火机整体技术已接近欧洲同类产品的水平。 2 后减模快速换模系统 DL400 大拉机设计主要从高效,低耗,高品质,实用,安全性几个方面来考虑。我们采用的 是后减模快速换模系统。快速换模拉丝机拉线轮和牵引定速轮采用各自独立电机驱动,更换规格线 时,只需更换定径模,将线直接从相应模具引入定径模,只须一套模具就可完成多种规格线的生产。 由于该类拉丝机不用考虑模具的问题, 设计时可以选择更合理的延伸系数, 通常采用递减拉伸设计, 进线通常采用较大的延伸系数, 出线通常采用较小的延伸系数。 这种设计可扩大进出线的适用范围。 由于这种拉丝机的工作原理需要将模具放成一排(或一列) ,所以该类拉丝机一般都采用等径式拉 线(大拉机传动图) 。 图 1 后减模快速换模系统大拉机传动图 后减模快速换模系统特点 1)高效低耗:更换规格线只须更换定径模,减小了拉丝模具的库 存量,提高了劳动效率,降低了操作工人的劳动强度,降低了生产成本。2)高品质:由于在每道 拉制过程中截面压缩率得到优化,减少了铜粉的产生,提高了线 后减模快速换模系统实现原理 根据拉伸原理,拉伸过程中产生极少数粉屑,体积变化可以忽略,因此可以认为拉伸前后金属 2 S Ф 延伸系数 uk=LK/ LK-I, 单位时间通过眼模的体积相等。 UK=UK-1, KLK=SK-1LK-I, K LK=ФK-12LK-1, 即 2 2 只要满足相对前滑系数τK(uk/鼓轮速比)大于 1,就不会给拉断,即满足(ФK-1 ·VK-1/VK·ФK ) 〉 1,但是相对前滑系数如果太大,容易造成线材的损伤断线和鼓轮的磨损,一般可取为 1.015-1.04 范围内。SK 为拉伸后线 为拉伸前线材截面积,LK 为拉伸后线材长度,LK-I 为拉伸前 线材长度,VK 为拉伸前鼓轮线 为拉伸后鼓轮线速度。ФK 为拉伸的模具直径,ФK-1 为拉 伸前一道模具直径。 从上述公式可以看出, 要想保证每一级相对前滑系数τK 在 1.015-1.04 范围内, 拉丝机拉线鼓 轮电机和牵引定速轮电机速比的控制就非常重要,它不仅同牵引定径模和定径模前一个模具直径有 关,而且与定径模前一个模具的所在位置有关,还与每级塔轮的机械传动比有关,还与你需要控制的 滑动系数有关。 因此必须对上述各相关参数进行复杂的运算方可计算出拉丝机拉线鼓轮电机和牵 引定速轮电机真正需要的速比。 根据拉丝原理和设备传动设计,我们建立了以下的数学模型:拉丝机拉线鼓轮电机和牵引定速 轮电机速比计算公式: I=0.875× 12÷D2—τ) (D ×Kn(n), 拉丝配模公式 Dn= Dn-1÷μ(n)1/2 , μ(n)=R(n) +τ,总延伸系数计算公式μ=D02÷D2 ,设备生产能力判断公式 4.143<μ<52.9 ,模具位置判断 公式 A=μ÷〔C×∏(Ri+τ)〕 ,C= D02÷DS2,校验公式 1 <D02÷DS2<1.5,式中:I 定速轮电机于 拉丝主电机之间的转速比,D1 定径模前一道模直径,D 定径模直径,τ滑动率, Kn(n) 拉丝轴传 动系数。Dn 第 N 道模直径,Dn-1 第 N-1 模直径, R(n) 第 N 个拉丝轮上的机械延伸系数,μ (n) 第 N 个拉丝轮上的延伸系数,μ 总延伸系数,D0 进线直径。 配模开始 通过工控机对上述大量的数据 进行分析计算,计算出模具配比的 输入进出线直径 合理性,计算出每一道滑动系数是 判断是否 否满足要求,从而计算出拉丝机拉 满足要求 线鼓轮电机和牵引定速轮电机真正 需要的速比,控制流程见图 2。 目前国内也有一些设备制造商 系统默认 自动配模 制造的大拉机采用后减模快速换模 系统,双电机驱动,但其控制系统 有的只是靠人工切换档位,每一根 输入滑动系数 是否接受 拉丝轴对应一档位,拉丝机拉线鼓 默认配模 初始模位置 轮电机和牵引定速轮电机速比按每 一档固定,生产工人根据定径模前 判断是否 一个模所在鼓轮的位置选择不同的速 满足要求 比。也有的设备供应商通过在操作 台拨码或人机介面设定生产线径规 格,由 PLC 自动选择挡位。以上的 系统自动配模 几种控制系统虽然能够满足后减模 快速换模,但牺牲的是滑动系数, 是否接受 滑动系数不受控制,例如定径模由 默认配模 直径 2.6mm 变更换为 2.55mm,这 修定模具参数 种控制系统拉丝机拉线鼓轮电机和 牵引定速轮电机速比并未改变。由 于滑动系数是累计的,因此进线端 判断是否 滑动系数非常大,其结果就是造成 满足要求 鼓轮的快速磨损和线表面质量的损 伤,鼓轮寿命不超过 2 个月就会起槽。 有的设备制造商的控制系统按照用 配模通过,计算电机同 户的配模情况,每一种规格线径设 步系数,并输出 定一速比,基本上可以解决滑动系 数大,鼓轮易磨损的问题,但用户 使用的工艺和产品的多样性就受到 很大程度的限制。 图2 后减模快速换模系统控制流程图 后减模快速换模系统中配模部分采用 VC 编写,通过输入进出线直径、滑动系数、初始模位置 等参数(见图 3) ,计算机根据上述建立的数学模型能够很快计算出电机同步系数,每轴的实际滑动 系数,各级延伸系数以及模具缺省值,用户可以根据自己模具情况选择上述使用缺省值的模具或按 自己模具尺寸输入计算机,确认后计算机将计算出电机同步系数,每轴的实际滑动系数,各级延伸 系数,对不满足使用条件的配模会自动弹出配模诊断书,告知哪一个模具配模有误,什么原因?是 大还是小?该级正确配模应在什么范围内?系统将会一一解答。对于合适的配模表可选择保存,下 次可方便调出使用。 图3 后减模快速换模系统中配模界面 4 大拉机设计思想及方法 采用快速后减模控制系统的 DL400 系列大拉机及其配套部分的设计是在通过严格科学论证和多 次实验验证后,采用了久经考验的成熟技术,并不断创新充实国内外新的技术,充分考虑了产品可 靠性, 工艺合理性, 运行安全性等方面的要求和长期以来困扰拉丝机制造商和使用单位的诸多问题, 并采取了相应的解决措施。设计过程始终贯彻高效,低耗,高品质,实用的指导思想。 从设备安全性方面的设计:1)立式成圈放线架我们设计了安全杆,在母线打结或吊死时,安 全杆可以触动急停开关实现紧急停机,能有效的防止断线和确保拉丝机以及拉丝模具的安全。2) 配置了拉丝润滑液,退火冷却液和齿轮润滑油温度及压力失效检测装置,压缩空气失压检测装置, 防止拉丝润滑液失效对鼓轮造成的损坏,齿轮润滑油失效造成轴承、齿轮的损坏,压缩空气失压对 机器造成的损坏和威胁人身安全。3)退火机的设计采用外壳中性的设计,确保无电流流到其它设 备上。4)成圈机的设计考虑到设备的结构尺寸较高,配置了供操作人员上下使用的安全扶梯,由 于成圈机构为高速旋转体,在操作的三个工作面均设计了带有安全门锁开关安全防护门,便于操作 和维护时确保人员的安全。5)在整条生产线旋转的部分均设计有防护罩,能够防止人员被旋转体 损伤。6)在整条生产线的单机设备上均设计有急停开关,拉丝机和收线机都带有刹车装置,能够 在有问题时紧急制动。7)在出线线材统过的通道中,设计有防护导管,确保断线)在旋转体和电气装置都设计了明显醒目的警示牌。9)单机均设计了接地装置和标牌。 从工艺合理性方面的设计:1)大拉机采用卧式串列式结构设计,导线拉制路径为单方向的, 不存在反向折返和弯曲,能有效减少拉伸过程对线)拉丝轮的直径设计为前 5 个拉丝轮直径为 500mm,其余的为 400mm,保证拉丝鼓轮与导线,能有效避免拉伸 过程中因曲率半径过小对线)拉丝轮采用特种钢制成,工作面设计为双锥 结构,喷涂碳化钨,硬度达 HRC65±2,表面坚固耐磨,拉丝轮圈可换位使用,提高使用寿命为普通 结构拉丝鼓轮的两倍。4)DL400 系列大拉机采用特殊的拉丝模座的设计,拉丝乳浊液高压喷射至拉 丝模,能有效清洁拉丝模,改善导线表面质量和延长拉线)拉丝冷却箱采用全浸式 润滑冷却,能充分地冷却润滑拉丝轮、模具和线材,以确保获得最好的拉丝质量。6)定径模采用 旋转式,以确保成品线材具有较高圆整度和光洁度,使模具均匀磨损延长模具使用寿命。7)拉丝 机高速轴采用离合器连接,根据配模情况对未使用的拉丝高速轴,系统会自动脱开离合器,一方面 提高了轴承使用寿命,降低了噪音,降低了能耗。8)鼓轮及分线轮采用夹角设计,防止线之间有 磨擦,提高线)拉丝液箱体采用倾斜设计,确保铜粉的快速清洁 10)为方便操作及维 护,设计时充分考虑了操作位置的空间和高度,操作件形状和结构,使之符合人机工程学原理。11) 退火机冷却系统采用整体设计方案,由供水、冷却、循环、温控等部分组成。冷却液装置包括水箱, 热交换器及泵与退火装置形成一个整体,生产区域的媒质供应(冷却液,水,空气,保护气体)系 统简单,易维护。12)线材干燥系统的设计上运用了气体阻尼的干燥原理,利用压缩空气在吹干系 统内产生的高压气体阻尼,有效的干燥附着在高速运行的线材表面的水份,防止产品线表面因带水 产生氧化。特殊的结构设计使线材在得到充分的干燥的同时又能节约干燥所消耗的压缩空气。13) 由于退火过程中产品线℃以上,为了可防止线材因高温而产生的氧化,需要采用保 护气体将高温线材与含氧气的大气隔开,退火段导线路径和导电轮都采用可靠的密封结构,合理配 置保护气的入口和排气口和排水口,既防止外部空气进入和减少保护气体泄漏,在连续运行过程中 只需往退火段补充少量的保护气体即可防止线材因高温而产生的氧化,有利于确保产品质量又能减 少保护气体的使用,降低生产成本。14)WF800 成圈机采用梅花排线的设计,为了能确保收线产品 具有高的装载密度、下一工序放线无缠结、无故障投入使用,依靠排线机构的作用,使产品线在收 线容器内自然形成层状的梅花排列,收线容器不需要转动,排线速度和形状可以根据情况调整。为 了适应生产 1.6mm 以下小规格线的需要,考虑到小规格线材的力学特性,特别设计配置了专用的提 升机构,确保线下落时处在在合理的高度上,避免排线所形成的梅花变形和错乱。15)单机设备采 用模块式设计,拉丝机有 9 模、11 模、13 模等品种,退火机有立式设计、卧式设计、交流退火、 直流退火,收线机有筐式成圈机、单盘收线机、双盘收线机、紧密收线机。用户可根据需要随意搭 配,形成最优化的生产线组合,加上以计算机控制为核心的智能化生产概念,可使操作和维护变得 极为方便。例如:用户 1 选择 13 模大拉机,卧式退火机,交流退火,筐式成圈机。见图 4。用户 2 选择 13 模大拉机,立式退火机,中国赌城新时代赌场3451515下载官网直流退火,筐式成圈机和双盘收线。设备组成采用菜单 式组合,非常灵活。 图4 DL400-13/TH5000/WF800 大拉丝机外形图 图 5 DL400-13/TH4300/WF800/WS630A-2 大拉外形图 从设备的高效率、高寿命和产品高品质的设计:1)为提高设备运行的可靠性,满足高速拉制 高品质的成品线的要求。主机齿轮箱采用高性能精密斜齿轮传动的设计,采用精密进口轴承,喷淋 式强油冷却润滑,传动可靠,效率高、噪音低,使用寿命长。齿轮、皮带轮及主轴都经动平衡处理, 运转平稳;齿轮箱箱体和机座,经过退火和时效处理,采用先进加工工艺加工成型,具有较高的稳 定性和吸振性,能承受高强度的冲击截荷,保证了拉丝过程中的工作平稳性。2)为便于提高机器 的安装定位连接精度,主电机机座与拉丝主体采用螺钉和定位销连接。3)为了提高退火导线表面 质量,减少退火过程中导线与接触轮之间产生电火花,退火机采用导电性、灭弧性、耐磨性等综合 性能良好使用寿命长的镍合金接触环,退火时可减少线材打火和减少因接触环磨损造成的对线材表 面的损伤。为了减少传动所造成的振动,退火机接触轮组之间采用特种平皮带传动,同时接触轮之 间的距离和传动皮带轮都经过精确计算,确保退火导线在预热段和退火段的各接触轮之间张紧合 适,运转平稳,既能有效防止线材在退火过程被拉小又避免线材在各接触轮上抖动产生电火花灼伤 表面和造成退火不均匀的缺陷。4)为了减少导轮对线材表面质量的影响,延长导轮使用寿命。过 线导轮轮体采用质量轻的铝合金材料,经动平衡校验,导轮工作表面喷电气绝缘性和耐磨性良好的 特种陶瓷,合理选用轴承,尽量使导轮运行阻力小,转动灵活平稳。5)退火机供电系统的设计方 面,考虑了电流密度和涡流及电磁场等诸多方面的影响因素,将上述因素对退火质量和机器本身的 影响控制在合理范围内。因为退火电流较大,为防止碳刷失效和集电环磨损,在集电环设计与碳刷 选用时,不但采用强风冷却和清洁,而且通过计算采用特殊结构和材料,规范装配时调整刷握角度, 保证每个碳刷与集电环都接触良好,压力一致,确保每个碳刷负载均匀,在大电流密度下安全工作, 减少电火花,在集电环上有效形成“皮膜” ,提高碳刷使用寿命。6)张力控制器采用单摇杆式结构, 减少线材与导轮的磨擦,与储线式结构相比大大提高线)为了减少成圈过程对线 材表面损伤及影响线材尺寸的稳定性,成圈鼓轮表面喷涂碳化钨,经磨削处理,使线在其工作面上 滑动时不至于受到损伤。中国赌城新时代赌场3451515下载官网8)高品质和高质量的产品需要制度化作保证。我们从 1999 年就推行了 ISO9001 质量管理体系。在制造过程中,我们通过对箱体、主轴等重要零件制定了严格的加工工艺 和配备专用机床和工装设备,齿轮、拉丝轮等特殊零件与国内专业厂家合作生产,配置了动平衡机, 硬度仪,材料分析仪等一大批检测设备,保证了零件的加工满足设计要求,同时制定了严格的装配 工艺,配备了专用液压装配工具,工频加热器等装配辅助装备,严格按装配工艺规程操作,确保装 配精度满足设计技术要求。 高速高效的大拉机组必须要有稳定性和可靠性作为前提,要保证设备的稳定性就必须要有可靠 的电气控制系统。我们采用的是两级控制系统, EVOC(研祥)公司的 EWS-827P 一体化工作站作为 上位机,它通过 RS422 接口与整条生产线)进行通讯,通过 RS232 接 口与 PLC(三菱 FX2N-128)通讯,通过测温模块 ADAM4013 直接读入拉丝液,退火水,液压油的温 度,这就构成了整个控制系统的框架,中国赌城新时代赌场3451515下载官网系统全部 采用数字通讯。上位机主要功能:显示生产线动 态模拟图和各种生产工艺参数设备参数,记录各 种工艺参数设备参数的历史数据可供查阅,能实 时显示故障信息(包括下位机内部的各种故障信 息) ,完成“后减模快速换模系统”的各种计算, 能够完成对部分下位机的控制。下位机主要采用 三菱 FX2N-128 可编程控制器,对生产线整个运转 提供程序控制。见图 6。该系统软件采用 VC 语言 编写,在 WINDOWS98 系统下面运行,具有友好的 人机界面。以 DL400-9 模大拉机为例,工控主画 面见图 7。 图7 9 模大拉机工控机主画面 由于大拉机使用的工作条件恶劣,环境温度高,振动大,环境中有金属粉末,大拉机装机容量 大,有的用户供电系统容量余量不大时,停机和运行时电网电压波动较大。我们在试产初期,也遇 见过在一个用户工厂频繁的损坏一模拟量输出板卡,该模拟量输出板卡也是国内工控界名牌产品而 在其它工厂没有损坏,后来分析发现,该模拟量输出板卡设计未考虑浪涌保护,该用户电源情况较 差,后更换为带有浪涌保护的板卡,几年下来运转良好未见损坏。因此控制系统的设计必须要充分 考虑到上述因数,选用可靠的硬件,才能确保控制系统的稳定。 5 结束语 面对用户高效、低耗、高品质、实用的要求,大拉机也正朝着多头多电机的方向发展。欧洲的 一些设备制造商已推出了多电机四头大拉机。 虽然目前国产设备与欧洲一些先进设备整体上还有一定差距,做为国内拉丝机专业制造商---广东顺德永雄机械设备有限公司也正朝着缩小这一差距的方向而努力,目前在新一代铜铝大拉连续 退火机 DL400 设计基础上,今年将完成双头铜铝大拉连续退火机 DL450-2 的设计和试产工作。 参考文献 1. 《铜铝导体生产发展趋向及有关问题研讨》 黄崇祺 《2003 年导体与装备论文集》 2. 《再谈拉丝机的新发展》 张杰 《电线. 《拉线工艺学》 该文刊登在 2005 年 4 月《电线电缆》.

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