VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка устройства для автоматической маркировки цинковых слитков в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» ПАО «Челябинский Цинковый Завод»
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящий момент часть операций по маркировке цинковых слитков в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» предприятия осуществляется вручную. Замена ручного труда на автоматизированную систему является актуальной как для «Челябинского Цинкового завода», так и может являться актуальной для других предприятий отрасли (прил. 1, рис. II). Целью нашего проекта является разработка устройства для автоматической маркировки цинковых слитков в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» ПАО «Челябинский Цинковый Завод».
Рассмотренный нами мировой опыт и опыт современных роботизированных производств слитков цинка и другой металлургической продукции1 малоприменим для ПАО «ЧЦЗ» в связи с тем, что предприятие работает с горячей продукцией. Это не позволяет применять технологии, связанные с роботами-манипуляторами, а также работать с единичными охлажденными слитками, как например, это делают роботы компании Vibot2,3 (прил. 1, рис. III).
В ходе проработки идеи по созданию данного устройства были выделены основные свойства проекта, которыми он должен обладать: 1. Должны быть учтены достоинства и недостатки имеющихся аналогов. 2. Проект должен иметь преимущества перед другими устройствами для маркировки (при их наличии). 3. Все компоненты и материалы, используемые для производства прототипа, должны быть общедоступны, легкозаменяемы. 4. Детали и компоненты устройства должны быть применимы в условиях работы в в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» Челябинского цинкового завода. 5. Создаваемое устройство должно быть внедрено на предприятии, а значит соответствовать всем необходимым нормам электробезопасности, охраны труда и другим.
Нами были разработаны базовые характеристики, которыми должно обладать наше устройство: а) устройство должно быть максимально простым в эксплуатации; б) устройство должно полностью заменить ручной труд; в) устройство должно соответствовать нормативам и/или стандартам; г) устройство должно быть внедрено в единую систему поточного производства; д) разрабатываемая концепция должна исключать недостатки имеющихся разработок.
Этап первый. Исследования.
На этом этапе были поставлены две задачи:
1.Исследовать текущую ситуацию по маркировке цинковых слитков в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» Челябинского цинкового завода.
2. Ознакомиться со всеми технически возможными методами решения проблемы. Оценить мировой опыт и применяемое оборудование.
1. Маркировка цинковых слитков в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» Челябинского цинкового завода. Маркировка слитков цинка проводится в соответствии с ГОСТ 19424-97 в автоматическом режиме. Основная цель – создать устройство для маркировки слитков на лицевой стороне и убрать при этом ручной труд. В ходе посещения предприятия мы получили следующую необходимую нам информацию: а) подача слитков осуществляется каждые 5 секунд; б) слиток на штабелирование поступает охлажденный; в) над конвейером установлено устройство выравнивающее слиток. Скорость его работы примерно 1,5-2 секунды. Расстояние от выравнивателя до установленного робота-штабелера около 1,5 метров; г) робот-штабелер является пневматическим устройством.
2. Технические методы маркировки металла. Мировой опыт и применяемое оборудование. Нами были рассмотрены четыре различных метода маркировки: а) лазерная маркировка (прил. 1, рис. IV), б) маркировка прочерчиванием (прил. 1, рис. V), в) ударно-точечная маркировка (прил. 1, рис. VI), г) ударная маркировка (прил. 1, рис. VII). Каждый из методов имеет свои положительные и отрицательные свойства. Мы решили остановиться ударной маркировке. Это связано с тем, что данный метод маркировки удовлетворяет всем нашим потребностям по скорости, высоте расположения клейм и другим.
Нами были рассмотрены различные механизмы для нанесения маркировки ударным способом. В связи с этим нами были разработаны критерии, по которым мог бы быть произведен отбор необходимого устройства: возможность установки на нестандартную раму; скорость работы – 0,2-1 секунд; возможность регулировки по высоте над поверхностью слитка; возможность работы в автоматическом режиме; размеры ударной части должны соответствовать размерам клейм; должны автоматически возвращаться в исходное положение с учетом веса клейм; сила удара должна быть настраиваемой.
В ходе проведенных исследований на предприятии, ознакомления с методами маркировки металлов, рассмотрения ударных маркировочных машин были сделаны следующие заключения: А) Единственным методом маркировки слитков цинка, удовлетворяющий всем критериям, является ударный метод маркировки. Б) Разработаны технические условия, которым должно удовлетворять маркировочное устройство. В) Необходима консультация со специалистами Челябинского цинкового завода о возможности применения пневматических устройств, а также о наличии и возможности установки дополнительных каркасов на конвейере и возможности подключения электрических устройств. Г) Принято решение о рассмотрении альтернативных ударных машин – электро/пневмостеплеров и нейлеров. Для чего необходимо проведение опытов на слитке цинка с применением маркировочных клейм.
Этап второй. Эксперименты и опыты.
По договоренности со специалистами завода нашей команде были предоставлены маркировочные клейма, применяемые на предприятии и слиток цинка (прил. 1, рис. VII-IX).
На данном этапе было решено провести следующие опыты и эксперименты4: 1) Эксперимент – удар клеймом по слитку цинка. 2) Эксперимент – падение клейма с высоты 1 метр на слиток цинка. 3) Опыт – удар по слитку цинка бытовым электрическим степлером. 4)Опыт – удар по стоящему на слитке цинка стальному клейму электрическим степлером. Для опытов и экспериментов применялись следующие материалы и оборудование:
- клеймо стальное – масса 0,15 кг, слиток цинка – масса 25 кг, электростеплер NOVUS (прил. 1, рис. X). ходе реализации данного этапа ставилась дополнительная задача – изучить устройство электрических и пневматических скобо- и гвоздезабивных устройств.
Заключение по итогам опытов и экспериментов: 1. При ударе клеймом по слитку цинку для получения читаемого отпечатка силы не достаточно. 2. При падении клейма на слиток с высоты один метр отпечаток получается достаточно отчетливым. Важно: комплект состоит из 4-х клейм, таким образом, общая масса клейм составит 0,6 кг. Массу держателя клейм на данном этапе определить не представляется возможным, однако она составит не менее 0,2 кг (исходя из массы держателей имеющихся в продаже). Таким образом, общий вес устройства составит минимум 0,8 кг. Расчеты показывают, что при падении с высоты 1 м комплект клейм создаст силу в 355 Н или 35,5 кгс (килограмм силы).5 Расчеты дают основания полагать, что силы удара в 100 кгс будет более чем достаточно для нанесения четкой, хорошо читаемой маркировки. 3. Опыты с электростеплером показали, что силы удара степлера непосредственно по цинковому слитку достаточно для его маркировки. При ударе по клейму силы удара не достаточно. Особенности технических решений, представленных в скобо-гвоздезабивных механизмах, позволяют наносить сильный удар, однако механизм возврата в «заряженное» состояние не позволяет использовать набор клейм. Кроме того, требуется значительная переделка крепежного и ударного механизма. 4. Соударение клейма со слитком цинка происходит по принципу «Абсолютно упругий удар двух тел разных масс», поэтому же принципу работают и указанные выше механизмы. Поэтому их нужно жестко прижимать к поверхности слитка, что не подходит под поставленную задачу и технические условия. 5. Разрабатываемый маркировщик должен иметь силу удара около 100 кгс и иметь устройство – демпфер.
Этап третий. Поиск нестандартных устройств.
В ходе проведения первого и второго этапов нами были сделаны предварительные выводы о методе маркировки, проведен поиск и исследование имеющихся устройств, проведены опыты и испытания, сформированы основные требования к ударному механизму. В результате сделано предложение, что наиболее подходящим устройством мог бы стать обычный молот (здесь и далее речь идет о механизме).6 Единственным препятствием к его использованию являются его размеры и масса. Вычислив на втором этапе силу удара, команда стала рассматривать устройства, которые могли бы создать данные усилия и быть не большими по габаритам. Такими устройствами оказались так называемые ударныепневмоцилиндры.7 Изучив принципы работы пневмоцилиндров, их техническое устройство, стандарты работы нами были выдвинуты дополнительные технические требования к ним: цилиндр должен быть двухстороннего действия, то есть после удара активно поднимать клейма вместе с держателем, иметь встроенный демпфер, систему контроля хода поршня. Рабочее давление 8 бар (общепринятый стандарт для подобных устройств), ход поршня – 100 мм, минимальную скорость поршня 100 мм/сек.
Цилиндры с подобными характеристиками имеются на российском рынке. Выпускаются фирмой Camozzi, например, пневмоцилиндры Camozzi серии 40.8 (прил. 1, рис. XI).
Заключение по этапу работы: 1. На данном этапе удалось подобрать оптимальный вариант для создания необходимого ударного механизма. 2. Завершение третьего этапа было бы не возможно без прохождения первых двух этапов. 3. Пневмоцилиндр является лишь частью всего механизма для автоматической маркировки цинковых слитков.
Этап четвертый. Создание маркировочного блока.
Стандартное устройство для маркировки ударным методом имеет в своём наличии маркировочный блок, который состоит из набора цифровых или буквенных клейм и обоймы (пуансона) в которой фиксируются клейма (прил. 1, рис. XI).
Крепление клейм в стандартной обойме происходит за счет силы трения. С учетом особенностей эксплуатации такое крепление нам кажется недостаточно крепким. В условиях непрерывного производства это может оказаться неприемлемым так как займет слишком много времени (прил. 1, рис. XII). Было предложено внести следующие изменения в стандартную обойму: 1. Просверлить отверстия в передней и задней стенке обоймы и в клеймах. Клейма дополнительно крепить с помощью болтового соединения соответствующего диаметра. Количество отверстий соответствует количеству клейм. 2. Такая переделка обоймы позволит менять каждое из клейм в отдельности, не затрагивая остальные клейма. Это уменьшит время работы с обоймой в несколько раз. 3. В верхней части обоймы сделать резьбовое отверстие, соответствующее винту на штоке пневмоцилиндра. Данное изменение позволит установить маркировочный блок на пневмоцилиндр, а также жестко его зафиксировать. Вносимые в обойму и клейма изменения были выполнены в виде чертежа и 3D-рисунка (прил. 1, рис. XII).
Заключение по этапу работы: 1. Изменения, вносимые в обойму, позволят сделать маркировочный блок более прочным, избежать выпадения клейм, облегчат и ускорят обязательную замену клейм. 2. Маркировочный блок, изготовленный по нашим чертежам, будет легко совместим с имеющимся пневмоцилиндром.
Этап пятый. Система управления.
На данном этапе необходимо решить вопросы, когда, при каких условиях и каким образом будет работать создаваемое устройство.
Для работы нашего устройства необходимо, чтобы слиток находился на ленте ровно и в статическом состоянии хотя бы 1-2 секунды. В связи с тем, что после удара – нанесения маркировки слиток получит достаточно большой импульс силы, это может привести к смещению слитка на ленте, что не допустимо. В момент удара слиток должен быть зафиксирован и выровнен для дальнейшего движения. На основании вышеизложенного было принято решение разместить маркировочный механизм наиболее близко к системе выравнивания слитков и по возможности совместить момент фиксации слитка и момент нанесения маркировки.
В ходе совместной работы со специалистами ПАО «ЧЦЗ» выяснилось, что робот-штабелер работает на пневматическом приводе. Кроме того, выяснилось, что механизм подачи сжатого воздуха для робота-штабелёра имеет несколько свободных клапанов для подключения дополнительных устройств. Рабочее давление составляет – 8 бар.
Совместный выводы команды и специалистов ПАО «ЧЦЗ» состояли в том, что подключение пневмоцилиндра не составит проблем. Необходимо подобрать устройство, желательно электромеханическое, которое могло бы работать совместно с выравнивающим механизмом и давало бы команду на срабатывание маркировщика.
В ходе проработки вновь возникшей задачи было предложено использовать стандартный для данного типа устройств (пневмоцилиндры), бистабильный (импульсный) электромагнитный клапан (прил. 1, рис. XIV).
Заключение по этапу работы: 1. Представленные для анализа специалистам ПАО «ЧЦЗ» устройства могут быть подключены к имеющимся на предприятии устройствам.2. Система управления вновь создаваемого механизма может быть включена в единую систему управления, имеющуюся на Челябинском цинковом заводе.
Этап шестой. Установка создаваемого устройства.
Рассмотрев все возможные варианты, я пришел к выводу, что наиболее оптимальным было бы установить новый механизм на уже имеющийся каркас выравнивателя (прил. 1, рис. XV). Был разработан эскиз для изготовления держателя пневмоцилиндра.
Этап седьмой. Сотрудничество с предприятием-заказчиком.
Как мы уже отмечали, на некоторых этапах проработки проекта я активно сотрудничал со специалистами Челябинского цинкового завода. В ходе совместных обсуждений мне сообщили, что Челябинский цинковый завод готов взять на себя изготовление обоймы по нашим чертежам, подбор пневмоцилиндра и создание крепления для нового механизма. Так как ПАО «ЧЦЗ» является предприятием с ограничением доступа, то изготовление крепления будет проводиться по месту, с учетом нашего эскиза. Окончательный срок изготовления механизма – май 2019 года. В дальнейшем будут проведены опытные испытания и в случае получения положительных оценок, разрабатываемое мной устройство для автоматической маркировки цинковых слитков в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» ПАО «Челябинский Цинковый Завод» будет внедрено в производство.
Заключение
1. Оптимальным для нанесения маркировки на слитки цинка на Челябинском цинковом заводе является метод ударной маркировки,отличающийся простотой, эффективностью и высокой скоростью нанесения маркировки.
2. Разрабатываемый мной автоматический маркировщик может быть встроен в имеющуюся на предприятии систему без серьезных доработок последней и состоит из пневматического цилиндра, маркировочного комплекса, системы управления и системы крепления.
3. Инновационной в маркировщике является изобретённая нами система крепления маркировочных клейм, состоящая из обоймы (пуансона) для четырёх маркировочных клейм с дополнительным их креплением в продольном или поперечном направлении.
4. Система управления маркировщика базируется на использовании бистабильного (импульсного) электромагнитного клапана, подключаемого к уже установленному на выравнивающем механизме концевому датчику для обеспечения синхронизации выравнивания и маркировки слитков.
5. Себестоимость маркировщика не велика (около 30 тысяч рублей), общие расходы на внедрение изобретения в производство – не значительны (около 100 тыс. рублей); Устройство может быть установлено на любом предприятии металлургической отрасли с небольшими доработками в системе крепления и подборе характеристик основных элементов.
6. Разрабатываемый механизм может быть установлен на конвейере ПАО «Челябинский цинковый завод» без каких-либо изменений имеющегося оборудования и будет синхронизирован с имеющимися на предприятии системами.
Список использованных источников и литературы.
Интернет ресурс – http://zinc.test.ugmk.com/ru/about/o-nas/
Интернет ресурс – ГОСТ 19424-97 Сплавы цинковые литейные в чушках. Технические условия.
Интернет ресурс – https://youtu.be/FiB8JrcrjbU
Интернет ресурс – http://mp-cnc.cn/html/About.asp
Интернет ресурс – https://youtu.be/LyRFHr_1UPk
Интернет ресурс – http://xn--c1ajbfpvv.xn--p1ai/chem-otlichaetsya-opyt-ot-eksperimenta/
Интернет ресурс – https://ru.wikipedia.org/wiki/ Килограмм-сила
Интернет ресурс – https://ru.wikipedia.org/wiki/Молот
Интернет ресурс – http://www.findpatent.ru/patent/257/2574630.html
Интернет ресурс – https://mirror-world.ru/uncategorized/oborudovanie/vidy-i-oblasti-primeneniya-pnevmotsilindrov.html
Интернет ресурс – http://www.pnevmomash.ru/catalog/pnevmooborudovan/camozzi-series-40
Приложение 1
Рисунок I. Вид Челябинского цинкового завода
Рисунок II. Цех розлива цинка
Р исунок III. Роботы Vibot
Рисунок IV. Лазерный маркировщик
Рисунок V. Маркировка прочерчиванием
Рисунок VI. Ударно-точечная маркировка
Рисунок VII. Ударная маркировка
Рисунок VIII. Набор ударных клейм
Рисунок IX. Внешний вид слитка цинка ПАО «ЧЦЗ»
Рисунок X. Пневматическая гвоздезабивная машина (нейлер) и электрический скобозабиватель
Рисунок XI. Маркировочный блок. Пуансон с клеймами.
Рисунок XII. Обойма для клейм
Рисунок XII. Обойма для клейм доработанная. Чертеж.
Рисунок XIV. Бистабильный электромагнитный клапан
Рисунок XV. Выравниватель в роливочном цехе ПАО «ЧЦЗ».
1 https://youtu.be/FiB8JrcrjbU
2 http://mp-cnc.cn/html/About.asp
3 https://youtu.be/LyRFHr_1UPk
4 http://xn--c1ajbfpvv.xn--p1ai/chem-otlichaetsya-opyt-ot-eksperimenta/
5 https://ru.wikipedia.org/wiki/ Килограмм-сила
6 https://ru.wikipedia.org/wiki/Молот
7 http://www.findpatent.ru/patent/257/2574630.html
8 http://www.pnevmomash.ru/catalog/pnevmooborudovanie/pnevmocilindry/po-standartu/camozzi-series-40