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★智慧矿山★

钻杆加工自动上下料系统研究与设计

路前海 董萌萌 鄢忠方 吕 孟

(中国煤炭科工集团西安研究院有限公司,陕西省西安市,710077)

摘 要 针对车间钻杆机械加工时存在的工人劳动强度大、生产效率低等问题,研究设计了钻杆加工自动上下料系统,结合车间实际情况和钻杆自身特点,详细介绍了钻杆自动上下料装置总体设计、液压系统设计,依据钻杆的实际加工工艺,设计了钻杆自动上下料系统的控制系统,从而实现钻杆上下料过程全自动化。试验应用和实际应用表明,该上下料系统结构简单、生产成本低、安全可靠性高,不仅降低了工人的劳动强度,同时也提高了钻杆的生产效率。

关键词 钻杆加工 上下料系统 自动化生产 支护设备

钻杆生产工序繁多[1],每个工序都存在钻杆上下料问题。目前,国内钻杆生产加工主要依靠人工进行上下料,以Φ73 mm×1500 mm钻杆为例,单根钻杆重量约为32 kg,生产节拍大约为1根/min,生产效率低[2-4],工人体力劳动强度大[5]。近年来,随着钻采工艺的发展,钻杆的规格尺寸也在日益增多,钻杆的重量也越来越大,目前最重的煤矿用钻杆可以达到64 kg/根,采用传统的人工上下料方式已经逐渐无法满足车间生产要求[6-8]。为了解决该问题,亟需开展钻杆自动上下料系统以代替人工搬运,实现机械加工时钻杆上下料过程全自动化。

1 钻杆自动上下料装置总体设计

钻杆自动上下料装置主要由机架、料箱、分料装置、中转工位、排料装置、钻杆、电控制柜等部分组成,机架用于机床固定,在机架上端设有用于储存钻杆的料箱,在料箱的侧面竖直方向设有用于将大堆钻杆分离出单根钻杆的分料装置,在分料装置侧面布置中转工位,用于缓存单根钻杆,以提高钻杆自动上料系统的容错能力。在中转工位末端设置排料装置,主要用于将中转工位上缓存的钻杆排队依次分开,确保每次只有1根钻杆可以被取出。钻杆自动上下料装置总体结构如图1所示。

图1 钻杆自动上下料装置总体结构

1-机架;2-料箱;3-分料装置;4-中转工位;5-排料装置;6-钻杆;7-电控制柜

1.1 料箱设计

料箱在容量设计方面应考虑与车间钻杆最小移动储存单元一致,即料箱可以一次性容纳至少1个料架(车间最小移动存储单元)的钻杆,便于生产吊装与运输;料箱底部设计与水平面成30°坡脚的斜坡,斜坡上设有2组相互平行的滚轮组,滚轮组设计高出斜坡平面4 mm,以保证钻杆只能落在2组滚轮组上,两点支撑。便于钻杆沿着斜坡方向滑动,滚轮组Φ10 mm×50 mm间隔2 mm依次排开,保证料箱靠近分料装置处最下端钻杆被取出后,钻杆因受力失稳滑落到最底端,料箱内放置钻杆的最大高度应不超过最后一级顶升块的高度。料箱及分料装置结构如图2所示。

1.2 分料装置

分料装置的主要功能是将大堆钻杆分成小堆钻杆,然后再经过三级顶升运动,最终分离出单根钻杆。因料箱内钻杆较多,无法一次性顶起所有钻杆,借助重力作用,当靠近分料装置端钻杆被顶升块取走后,料箱内钻杆发生受力稳定失衡造成塌落,从而将大堆钻杆依次分成若干小堆钻杆;分料装置分三级顶升,1个顶升块和1个固定块组合成1个顶升单元,固定块与机架固定,用于缓存待分料钻杆,3个顶升块通过并联支架固定组合在一起,实现三级运动同步,并联支架下端分别设有两组顶升油缸,顶升油缸伸缩带动顶升块沿机架上竖直导轨上下运动,每伸缩一次完成一次顶升动作。顶升块、固定块顶部均设计成与水平角成30°斜坡,当顶升块与固定块平齐时,借助钻杆重力实现钻杆从顶升工位向下一级固定工位的转移。

图2 料箱及分料装置结构

1-料箱斜坡;2-滚轮组;3-钻杆;4-顶升块;5-固定块;6-中转工位传感器;7-并联支架;8-料箱底部传感器;9-顶升油缸

1.3 中转工位

中转工位主要用于暂时缓冲钻杆,并将分离出的钻杆依次排开。分料装置并非每次顶升均能分离出钻杆,有些稍有倾斜的钻杆可能需要好几次才能被顶升起来,设计中转工位的目的主要是为分料装置争取更多的取料时间,以调高设备的容错率。

1.4 排料装置

排料装置中间分割盘可绕中心轴向旋转,当待取工位上钻杆被取出后,分割盘因自身重力而发生旋转,中转工位钻杆因受重力自由滑落,最终中转工位最靠近排料装置的钻杆转移到排料工位上,分割盘底部设有圆弧面,待取工位上有钻杆用于阻挡中转工位的缓冲钻杆向下滑动。

2 液压控制

2.1 液压控制系统原理

钻杆自动上下料系统液压分料装置顶升动力来源于2组液压油缸,每组2个。要求4个液压缸可同步进行伸缩动作,保证顶升块水平上升和下降,避免顶升块与导轨间产生分力,造成顶升动作困难。为此,笔者采用两级分流阀,可以使得4个液压缸同步进行运动。这种同步控制液压系统不仅结构简单,而且在使用过程中维护方便,对负载变化适用性强,在出现偏载情况下也能完成同步运动。 液压控制系统原理如图3所示。

图3 液压控制系统原理

2.2 液压系统计算

根据设计,料箱底部斜面长度约为1.3 m,一料箱钻杆Φ73 mm为130根,根据相关设计,料箱底层可放置17根钻杆,大概可放满7层,分料装置理论一次最大需顶升钻杆数约30根,每根钻杆重量为32 kg,则顶升钻杆最大重力计算见式(1):

式中:G大——最大顶升力,kg;

k——安全系数,取值4;

g单根——Φ73 mm×1500 mm单根钻杆重量,约32 kg;

n——一次最大顶升钻杆数量,约30根。

由式(1)计算得出,最大顶升压力为

38.4 k N。

分料装置由4个顶升油缸组成,则每个油缸顶升力计算见式(2):

式中:F油缸——单个油缸顶升力,k N;

n油缸——顶升油缸总数,4个。

由式(2)计算得出,单个油缸顶升力为9.6 k N。

活塞杆上实际作用力计算见式(3):

式中:F 0—活塞杆上实际作用力,k N;

φ——负载率,取值0.6;

η——油缸总效率,取0.83。

由式(3)计算得出,活塞杆上实际作用力为19.28 k N。

活塞内径计算见式(4):

式中:D——活塞内径,mm;

p——系统压力,选用中压系统,10 MPa。

由式(4)计算得出,活塞内径D为49.6 mm,查设计手册取整后选用50 mm。

活塞杆内径计算见式(5):

式中:d——活塞杆内径,mm;

φ——往复速度比,根据系统压力取值1.33。

由式(5)计算得出,活塞杆内径d为24.9 mm,查设计手册取整后选用25 mm。

活塞杆强度校核见式(6):

式中:σ——材料屈服强度,Mpa;

σp——材料许用应力,无缝钢管σp=100 MPa。

由式(6)计算得出,材料屈服强度σ为39.27 MPa,强度满足要求。

3 控制系统

根据钻杆自动上下料系统的各机构动作之间的要求,确定了系统的控制方案,该控制系统主要由检测系统、控制系统、执行系统3大部分组成。其中检测系统在中转工位最后一根钻杆位置设置了中转工位传感器,主要用于检测中转工位上钻杆是否存满钻杆;在料箱底端靠近分料装置处设置有料箱底部传感器,用于检测料箱内是否还有钻杆;液压缸上行程开关用于检测分料装置是否被顶升到位,液压缸下行程开关用于检测分料装置是否下降到最低位置。控制物理量对象为液压缸上升高度,执行元件为液压缸继电器组和液压缸动作。钻杆自动上下料系统的控制结构如图4所示。

图4 钻杆自动上下料系统控制结构

由图4可以看出,通过液压缸上行程开关、液压缸下行程开关、料箱底部传感器、中转工位传感器检测信号,经过PLC控制器进行信号处理,向系统发出执行指令,通过分料装置升降电磁阀控制液压缸上升和下降。

根据实际生产加工工艺,对钻杆自动上下料系统各个运行动作进行设计,其控制流程如图5所示。

图5 钻杆自动上下料系统控制流程

4 现场试验及应用

2019年12月,钻杆自动上下料系统进行了现场试验,开机检查各项电路控制及上下料系统各项动作均正常,检查完毕后,一次性吊装一架Φ73 mm×3000 mm钻杆,共130根,放置到上下料系统料箱内,进行上下料系统试验,总共试验5次,其中有4次顺利将整架130根钻杆全部取出,有一次在顶升时出现问题,经人工干预后完成此次钻杆上料。对出现的问题进行原因探究,在吊装放置钻杆时,有1根钻杆摆放出现了严重错位,错位量超过3根钻杆,且刚好处于第2级台阶处,顶升时分料钻杆带动错位钻杆及错位钻杆上积压的部分钻杆一起上下运动,多次顶升仍没有钻杆滚落到顶升装置上,后人工干预将错位钻杆摆正,解决了此处事故。为了避免此类事故再次发生,要求在吊装摆放时,应对钻杆进行整理,以保证后序正常。进过反复实验,严禁出现钻杆摆放错位超过2根。

2020年6月,钻杆自动上下料系统正式投入运行,采用两班倒工作制,已经连续正常运行约170 h,加工钻杆长度为1 m、1.5 m、2 m、3 m,直径为Φ73 mm和Φ89 mm,钻杆最重为65 kg/根,最轻为18 kg/根,累计加工各种规格钻杆约10200根。使用期间,分料装置最快上料为2 s/根,最长上料时间为15 s/根。顶升动作平稳,各重点控制动作准点到达,设备各系统动作正常,使用状况良好。后期使用期间需定期进行清理传感器,避免有杂物影响传感器检测。钻杆自动上下料系统各项功能指标参数符合设计要求,满足实际使用需求。

参考文献:

[1] 陈彦宇,田东庄,董萌萌.矿用螺旋钻杆焊接加工上下料系统的研究[J].煤矿机械,2017,38(4):84-86.

[2] 蒲剑.自动上下钻杆装置的比较选型[J].煤矿机械,2018,39(1):84-85.

[3] 周满山,马宏伟,赵龙,等.托辊生产线管体自动上下料系统设计[J].起重运输机械,2015,(6):48-49.

[4] 王洁.重型棒料铣削加工自动上下料系统研究[J].控制工程,2018,25(2):319-323.

[5] 沈晓军,杜兴吉,王红斌,等.大棒材自动倒角机及自动上下料机构[J].机床与液压,2015,43(14):42-43.

[6] 尹晓康.旋锻机自动上下料装置的设计与实现[J].兵工自动化,2016,35(4):42-44.

[7] 刘占娟,张艳冬.经济型数控车床自动上下料系统设计[J].组合机床与自动化加工技术,2016(3):101-103.

[8] 金燕,刘少军.圆盘类零件加工自动上下料系统设计[J].机床与液压,2018,46(16):41-44.

Research and design of automatic feeding and blanking system for drill pipe processing

Lu Qianhai1,Dong Mengmeng1,Yan Zhongfang1,Lv Meng1
(Xi'an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group,Xi'an,Shaanxi 710077,China)

Abstract Aiming at the problems of high labor intensity and low production efficiency in workshop drill pipe machining,an automatic feeding and blanking system of drill pipe was researched and designed.Combined with the actual situation of the workshop and the characteristics of the drill pipe,the overall design and hydraulic system of the automatic feeding and blanking device for drill pipe were designed.According to the actual drill pipe processing technology,control system of the system was designed,realizing the automatic feeding and blanking process of drill pipe.The experimental application and practical application showed that the feeding and blanking system had the advantages of simple structure,low production cost,high safety and reliability,which not only reduced the labor intensity of workers,but also improved the production efficiency of drill pipe.

Key words drill pipe processing,feeding and blanking system,automatic production,supporting equipment

中图分类号 TD67

文献标识码 A

引用格式:路前海,董萌萌,鄢忠方,等.钻杆加工自动上下料系统研究与设计[J].中国煤炭,2019,45(9):49-53.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.09.007

Lu Qianhai,Dong Mengmeng,Yan Zhongfang,et al.Research and design of automatic feeding and blanking system for drill pipe processing[J].China Coal,2020,46(9):49-53.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.09.007

基金项目:中煤科工集团西安研究院有限公司重点项目——螺旋铣削设备及自动化生产技术研究(2018XAYZD07)

作者简介:路前海(1988-),男,陕西商洛人,助理研究员,现任职于中国煤炭科工集团西安研究院有限公司,主要从事钻探装备工艺技术研究。E-mail:297916514@qq.com。

(责任编辑 路 强)