轧机主轴安全联轴器脱开检测装置的开发

作者；廖研　赵月根　许武辉
（宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司厚板厂）

　　摘　要：宝钢5mm宽厚板轧机主轴利用液压安全联轴器进行保护。以前由于无法检测其是否脱开，因此一旦轧机过载，主轴安全联轴器脱开后，上、下轧辊间形成的速度差将造成一系列严重后果。本文就一种轧机主轴安全联轴器脱开的检测装置进行了详细介绍，该装置运用光反射原理，通过光电信号对安全联轴器的脱开情况进行实时判别，具有检测迅速、安全可靠、维护量小等优点以及强大的容错功能和可扩展性，实现了该领域非接触实时检测的突破。
　　关键词：轧机；联轴器；脱开；检测
　　0　引言
　　宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司厚板厂的5m宽厚板轧机主轴利用液压安全联轴器进行保护。该套装置的脱开侧与非脱开侧之间的间隙借助液压胀紧，通过摩擦力实现两侧的同步运转，如图1所示。一旦轧机主轴承受负荷超过设定极限，脱开侧与非脱开侧之间便会发生相对运动，液压管路即被切断，两侧之间产生间隙，使得主轴传动侧与轧辊侧脱开，从而实现对主轴的过载保护，避免主轴或十字叉头设备的损毁。

　　1　存在问题及分析
　　过去，由于系统无法检测到安全联轴器是否脱开，也就无法在其脱开后立即切断动力源达到停机的目的。这样，一旦轧机过载,轧机上、下辊安全联轴器中脱开的一方或两方将在无动力驱动的状态下依靠惯性运转，直至停止。当上、下辊均脱开时，显然其中的钢板不会对轧机设备造成损害。而当上、下辊中只脱开一方时，脱开的一方由于失去了动力源，势必将在上、下辊间钢板的带动和各种摩擦力的综合作用下自由运转，但其自由运转的速度小于未脱开的一方，这种现象必然会造成以下影响。
　　（1）下轧辊间产生较大的速度差。众所周知，在轧钢过程中，通过人为调整使上、下轧辊间形成速度差，是抑制钢板出现翘、扣头的重要手段。而相反，若对于板形良好的钢板，上、下轧辊间的速度差却可令钢板产生出翘、扣头。对于厚板轧机，钢板的翘、扣头会对设备造成巨大的威胁，曾发生过的轧机导卫板脱落、变形的重大事故就是由于钢板上翘的头部撞击导卫板造成的。而钢板扣头则会对轧机的机架辊造成严重伤害，甚至，下扣严重的钢板还有可能钻人机架辊辊道下方，导致严重的堆钢事故。
　　（2）未脱开一方负载突增造成机械机构的疲劳损伤。钢板在轧制期间，若上、下辊其中一方脱开，此时轧制力已建立，未脱开一方势必将通过钢板带动已脱开的一方继续运转。这就相当于原本两根轧辊的工作量现在全部累加到一根上面，直到传动电机由于转矩过载跳电才会停止运转。虽然这样的过载是在设备保护的范围内，但是由于机械结构的制约，轧辊处突增的负载量要经过近10m长的主轴才能传递到传动电机。转矩传递需要一定时间，这样当传动电机过载跳电时，轧辊一侧的转矩有可能远大于电机过载的转矩设定，即超出了正常范围。久而久之，极有可能在主轴Z为薄弱的十字叉头上造成疲劳损伤，并且是靠近轧辊一侧的叉头上，厚板厂Z近发生的几次叉头损坏事故均是发生在靠近轧辊一侧。
　　（3）钢板打滑造成辊面损伤。由于系统不具有检测安全联轴器是否脱开并实现主动停机的功能，因此上、下辊中脱开的一方将在未脱开一方的带动下继续运转。这种运转的动力来源于轧辊的惯性和与钢板间的摩擦力。但是当这两种力的总和不足以完全带动脱开的一方轧辊时，其辊面将与钢板表面发生相对运动，即产生了打滑现象。由于此时轧机轧制力为建立状态，这种打滑会造成轧辊辊面的异常划伤，导致磨削量增加，直接影响企业效益。
　　鉴于以上三点对企业利益产生的重大影响，如果能够在上、下辊任何一方的安全联轴器脱开后迅速切断传动动力源，令轧机停机，则有可能完全避免以上问题的发生，减少企业效益的损失。
　　为了能够在尽量短的时间内停机，就需要一种检测装置用于轧机安全联轴器脱开的检测。该检测装置需要兼顾以下三方面的要求和目的。
　　（1）检测迅速。过去由于没有检测装置，当安全联轴器脱开后，只能依靠操作人员凭借脱开时机械设备发出的巨大声响人为地停机，或是未脱开一方由于过负载保护功能启动而停机。显然后者可能已经对设备造成了损伤，而前者凭借人为反应所造成的延迟则至少在几秒钟以上。为了将损失降到Z小，需要一种快速的检测装置。
　　（2）性能稳定。检测装置应考虑到现场环境对于检测质量的影响，并应设计有一定的容错能力，避免对轧制生产造成异常中断。
　　（3）维护简便。为了使检测装置能够长期稳定地运行，必然需要一定的维护工作。但考虑到厚板轧机一至两个星期的定修问隔，因此需要检测装置至少能够无故障稳定运行20d以上，且在Z大程度上不影响相关部位检修工作的开展。

　　2　改进措施
　　基于以上目标，运用光反射原理，厚板厂开发出一种轧机安全联轴器脱开快速检测装置并已申请了专利保护[1]。该装置包括硬件设备和软件处理程序两部分。
　　2.1 设备硬件
　　设备硬件由两套光栅及其对应的一定数量反光板构成，轧机上、下主轴各一套光栅和若干块反光板。反光板数量需根据实际安装位置限制和光栅反应速度而定，厚板厂为避免对联轴器上螺丝孔的覆盖，采用了两套光栅及14块反光板，在轧机上、下主轴各安装一套光栅和7块反光板。光栅采用红外光柱型，确保一定的覆盖范围和稳定接收，硬件扫描周期在10ms以内。两台光栅分别对准轧机上、下主轴径向中心线，如图2所示。

　　正常轧制中，两套光栅发出的红外光柱分别被匀距安装于安全联轴器外圆周表面上的反光板反射，Z终回到其接收器。如果光栅发射和接收均正常的话，安全联轴器每转过一周，应该收到7个脉冲信号，且随着轧机速度的提升，脉冲信号的宽度将减小，如图3所示。在本套检测装置中，这些脉冲信号用于安全联轴器两侧是否存在速度差，即是否脱开的判别。

　　2.2 设备软件
　　本设备的运行平台借用原轧机控制系统的Simatic PCS7软件平台，程序运行周期Z小为10ms。软件设计思路是通过对安全联轴器传动侧和轧辊侧之间速度差异的比较，来进行安全联轴器脱开的判别。系统软件流程如图4所示。

　　开始运行后，系统首先设立一个用于计时的累加单元，其值为T。轧机运转期间，在检测装置未收到光栅产生的信号之前，T以程序的处理周期为步长递增。由于各个系统的程序处理周期不尽相同，此处仅以10ms为例。一旦检测装置收到光栅信号便会立即将T置0，从而进入下一个周期的循环。图中的为传动电机运转一周(3600C)所需要的时间，为其运转2/7圆周所需要的时间。一般在这段时间内，光栅应该可以接连检测到两块反光板并发出信号。反之，如果检测到的数量只有一片或者没有，就说明此时轧机主轴安全联轴器已为脱开状态。这样系统将触发快速停机信号，强制未脱开一侧以及钢板迅速停止运动，并在HMI上产生报警信息。
　　由于轧机在低速(不大于0.5m/s时)运行期间，一般均不在轧钢阶段，安全联轴器不会脱开，因此将这些低速运行时段排除在报警范围之外将大大增加该检测装置的稳定性和准确率。另外，之所以选择2/7这个乘数，是考虑到系统的容错功能，即在7块反光板之中有1块表面有污损或丢失的情况下，系统仍然可以正常运行，从而避免由于环境因素的影响而导致的误停机。
　　在实际应用中，轧机上主轴或下主轴安全联轴器脱开均可触发快停信号，轧机主传动随即将以Z大加速度减速至0m/s，同时液压压下系统卸压，辊缝打开，以保护工作辊辊面不被烫伤。在操作人员按下故障确认键之前，轧线各相关设备始终处于强制停机状态。
　　3　实施效果
　　轧机主轴安全联轴器脱开检测装置自从2006年4月开始在宝钢分公司厚板厂5m宽厚板轧机上安装、使用以来，运行稳定，动作准确。经测试Z快可在安全联轴器脱开后141ms内触发停机信号，并自动打开轧机辊缝，有效保护轧机主轴及工作辊等设备。
　　参考文献：
　　[1]宝山钢铁股份有限公司．轧机主轴的安全联轴器的脱开检测装置和方法：中国，200710037193．8[P]．2007一02-06．

来源：《冶金自动化》