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摘要：文章通过应用科恩达效应原理对设备进行改造，使用其大流量吸风的作用，将板带边部携带的轧制油吸走，防止板带两边的轧制油在铝卷存放时扩散到铝卷的板面内，从而有效保证板材表面质量，为公司节省了生产成本，提高了经济效益。
关键词：边部带油；空气放大器；特种吸油装置；PLC；电动滑台
中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0033-03
1 设备改造的必要性
1.1 设备改造前存在的问题
在冷轧机轧制时，轧机本身的吹扫系统能将板带上、下表面的轧制油吹扫干净，但是在板带两边的厚度上所含有的轧制油无法吹扫干净，该处轧制油在铝卷存放时，由于毛吸作用扩散，会造成板带边部30～100mm的板面带油，形成油斑，如在退火前不进行清洗，退火后就会形成油斑，造成板带表面质量缺陷，为避免该质量缺陷就增加了一道清洗工序，增加了生产成本和延长了交货时间。如果清洗不干净，退货后形成了油斑，就需要将该部分切边切除，造成成品率下降或无法满足合同宽度要求，其后果不言而喻。
1.2 设备改造原理
为适应公司发展的要求，我们在冷轧厂2#轧机出口安装了一套边部吸油装置，吸走板面吹扫不能解决的板带厚度所含有的板带两边的轧制油，防止板带两边含带的轧制油在铝卷存放时扩散到铝卷的板面内。具体操作如下：板带两边都要安装吸油装置，吸油装置安装在由伺服电机驱动的滑台上。正常工作时，操作工在操作画面上输入轧制板带的宽度规格，待穿带完成建立张力后，检查边部是否平稳，没有毛刺和边部波浪在许可的范围内，操作工将滑台按钮打到伸出位置，兩边的伺服电机同时动作，根据之前操作工输入的板带宽度，自动调整行程，将吸油装置深入到板带的边部进行吸油操作，当一卷板带即将完成轧制后，操作工将按钮打到缩回位置，伺服电机驱动滑台缩回到原始位置；由于在轧制过程中可能会发生断带，为了保护板带以及除油设备，需要与轧机的断带信号做连锁，当检测到断带后，伺服电机带动的滑台迅速缩回到原始位置，防止损坏设备。
2 空气放大器的工作原理及特点
边部吸油装置的核心部件为空气放大器，空气放大器是利用流体力学的科恩达效应原理，通过输入小量的工业压缩空气，它会带动周围的空气，在一端高速输出大量的低压气流，空气流量能放大到25倍。
2.1 空气放大器原理
1.环形腔；2.可调环形槽；3.发生科恩达效应的剖面；4.外界气体；5.固定环（可调空气放大器）
图1 空气放大器原理图
当压缩空气通过空气放大器0.05～0.1mm的环形窄缝后向左侧喷出，通过科恩达效应原理及空气放大器特殊的几何形状，右侧最大25倍的环境空气可被吸入，并与原始压缩空气一起从空气放大器左侧吹出。
2.2 空气放大器的特点
（1）无运动部件，安全。（2）只须加一个有效的过滤装置，无需维护。（3）工作时没有噪音。（4）孔不会堵塞。（5）输出气量由供气量调解。（6）即时停止或启动。（7）无起火的危险。（8）无电气干扰。（9）入口和出口都可安装输送管，吸入新鲜空气，从而移除烟气或输送轻质物料。
3 边部吸油装置的组成及各部位的作用
根据滑台尺寸与现场平台情况，改造现有的平台，先将平台两端的上平面开一条边部吸油装置移动用的长条孔，两端筋板开一方孔，然后在平台下方做一个滑台支架，便于安放滑台。边部吸油装置的吸嘴组件是由3个空气放大器组装在一起，然后在板带边部吸油处安装上特制的尼龙套组成吸油装置，吸嘴支架制作成“工”字型，这样就可以在平台缝隙中带动吸嘴组建来回滑动，吸嘴与吸嘴支架之间是通过一块强磁铁连接的，当发生铝板断带或其他异常情况时，可能会碰撞到吸嘴，此时吸嘴会被撞开，与吸嘴支架分离，这样整套机构就不会损坏。在滑台电机部分，将制作一件滑台保护罩，保护罩做成可拆卸方式，方便检修，并满足防爆要求。
高压气源通过一根1寸钢管引到整个装置附近，在钢管上安装一个手动球阀、一个三联体和一个电磁控制阀，便于设定高压压缩空气压力和供气条件。高压压缩空气通过一根Φ16气管连接到一个四通接头上，再通过四通接头连接到3个气嘴上，3个气嘴的出气孔用一根30胶管连接，将废气和油导流到平台下面，防止油气反溅到带材表面。
边部吸油装置的机械示意图如图2所示：
4 电气控制系统
4.1 电气控制系统的组成及控制原理
电气控制系统主要由触摸屏、PLC、定位模块和伺服系统组成。触摸屏用来完成操作人员输入参数、控制命令和显示设备状态；PLC用来控制设备的动作；定位模块用来控制伺服电机动作；伺服系统用来控制吸油装置按照不同要求伸缩动作。触摸屏及PLC、定位模块均选用西门子产品，伺服驱动及伺服电机选用松下产品。系统结构如
图3所示：
该系统可实现控制伺服电机定长正、反旋转，达到吸油嘴按板材宽度伸缩位置的精确控制。此方案采用西门子公司的位置控制模块FM353来控制松下伺服驱动器，由FM353输出给出位置指令脉冲串，直接发送到伺服输入端，此时松下伺服工作在位置模式。在PLC程序中设定伺服电机旋转速度，单位为（rpm），设伺服电机设定为1000个脉冲转一圈。PLC输出脉冲频率=（速度设定值/6）×100（Hz）。假设该伺服系统的驱动直线定位精度为±0.1mm，伺服电机每转一圈滚珠丝杠副移动10mm，伺服电机转一圈需要的脉冲数为1000，故该系统的脉冲当量或者说驱动分辨率为0.01mm；PLC输出脉冲数=长度设定值×10。
以上的结论是在伺服电机参数设定完的基础上得出的。在计算PLC发=出脉冲频率与脉冲前，先根据机械条件，综合考虑精度与速度要求设定好伺服电机的电子齿轮比，大致过程如下： 机械机构确定后，伺服电机转动一圈的行走长度已经固定（如上面所说的10mm），设计要求的定位精度为0.1mm。为了保证此精度，一般情况下是让一个脉冲的行走长度低于0.1mm，如设定一个脉冲的行走长度为如上所述的0.01mm，于是电机转一圈所需要脉冲数即为1000个脉冲。此种设定当电机速度要求为1200转/分时，PLC应该发出的脉冲频率为20K。PLC可以发脉冲频率为500kHz，完全可以满足要求。有了以上频率与脉冲数的算法后只需应用PLC的相应脉冲指令发出脉冲即可实现控制了。
4.2 操作原理
正常工作时，操作人员在触摸屏上选择带材宽度，PLC根据带材宽度计算出吸油装置的位移量。操作人员按动启动按钮，伺服电机带动丝杠正向转动，推动吸油装置伸向带材。当达到计算出的距离后，伺服电机停止，PLC打开高压气电磁阀，吸油装置开始工作。当带材传送完成或需要停止吸油时，操作人员按动停止按钮，伺服电机带动丝杠反向转動，推动吸油装置离开带材回到原位。PLC接收主控PLC的带材断带信号，当断带信号出现后，PLC控制吸油装置收回，防止损坏设备。
4.3 伺服电机参数设置与接线方式
图4 位置控制模式控制信号接线图
4.3.1 按照伺服电机驱动器说明书上的“位置控制模式控制信号接线图”接线：pin3（PULS1）、pin4（PULS2）为脉冲信号端子，PULS1连接直流电源正极（24V电源需串连2K左右的电阻），PULS2连接控制器（如PLC的输出端子）。
4.3.2 pin5（SIGN1）、pin6（SIGN2）为控制方向信号端子，SIGN1连接直流电源正极（24V电源需串连2K左右的电阻），SIGN2连接控制器（如PLC的输出端子）。当此端子接收信号变化时，伺服电机的运转方向改变。实际运转方向由伺服电机驱动器的P41、P42这两个参数控制，pin7（com+）与外接24V直流电源的正极相连。pin29（SRV-0N），伺服使能信号，此端子与外接24V直流电源的负极相连，则伺服电机进入使能状态，就是伺服电机已经准备
好，接收脉冲即可以运转。
上面所述的六根线连接完毕（电源、编码器、电机线），伺服电机即可根据控制器发出的脉冲与方向信号运转。其他的信号端子，如伺服报警、偏差计数清零、定位完成等可根据要求接入控制器构成更完善的控制系统。
5 设备改造后经济效益分析
通过应用科恩达效应原理对设备进行改造，将该边部吸油装置安装在我司2#冷轧机上，经过运行达到了预期的效果，产生了可观的经济效益。改造后的设备各项指标均符合国家标准，安全可靠、经济运行；特种吸油装置的运行清除了铝卷边部的轧制油，避免了存放过程形成油斑，减少了清洗工序，工作效率将大大提高，间接地降低了运行成本，提高了企业经济效益；由于改造后的设备具有一定的节能效果，降低单位产量能耗，在节能减排过程中，能取得相当的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 西门子S7-300系列PLC及应用软件STEP7[M].广州：华南理工大学出版社，2004.
[2] 秦大同，谢立阳.现代机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2011.
作者简介：冯勋宠（1979—），男，美铝渤海铝业有限公司机电工程师，研究方向：冷轧机维护、技改。
关键词：边部带油；空气放大器；特种吸油装置；PLC；电动滑台
中图分类号：TG333 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0033-03
1 设备改造的必要性
1.1 设备改造前存在的问题
在冷轧机轧制时，轧机本身的吹扫系统能将板带上、下表面的轧制油吹扫干净，但是在板带两边的厚度上所含有的轧制油无法吹扫干净，该处轧制油在铝卷存放时，由于毛吸作用扩散，会造成板带边部30～100mm的板面带油，形成油斑，如在退火前不进行清洗，退火后就会形成油斑，造成板带表面质量缺陷，为避免该质量缺陷就增加了一道清洗工序，增加了生产成本和延长了交货时间。如果清洗不干净，退货后形成了油斑，就需要将该部分切边切除，造成成品率下降或无法满足合同宽度要求，其后果不言而喻。
1.2 设备改造原理
为适应公司发展的要求，我们在冷轧厂2#轧机出口安装了一套边部吸油装置，吸走板面吹扫不能解决的板带厚度所含有的板带两边的轧制油，防止板带两边含带的轧制油在铝卷存放时扩散到铝卷的板面内。具体操作如下：板带两边都要安装吸油装置，吸油装置安装在由伺服电机驱动的滑台上。正常工作时，操作工在操作画面上输入轧制板带的宽度规格，待穿带完成建立张力后，检查边部是否平稳，没有毛刺和边部波浪在许可的范围内，操作工将滑台按钮打到伸出位置，兩边的伺服电机同时动作，根据之前操作工输入的板带宽度，自动调整行程，将吸油装置深入到板带的边部进行吸油操作，当一卷板带即将完成轧制后，操作工将按钮打到缩回位置，伺服电机驱动滑台缩回到原始位置；由于在轧制过程中可能会发生断带，为了保护板带以及除油设备，需要与轧机的断带信号做连锁，当检测到断带后，伺服电机带动的滑台迅速缩回到原始位置，防止损坏设备。
2 空气放大器的工作原理及特点
边部吸油装置的核心部件为空气放大器，空气放大器是利用流体力学的科恩达效应原理，通过输入小量的工业压缩空气，它会带动周围的空气，在一端高速输出大量的低压气流，空气流量能放大到25倍。
2.1 空气放大器原理
1.环形腔；2.可调环形槽；3.发生科恩达效应的剖面；4.外界气体；5.固定环（可调空气放大器）
图1 空气放大器原理图
当压缩空气通过空气放大器0.05～0.1mm的环形窄缝后向左侧喷出，通过科恩达效应原理及空气放大器特殊的几何形状，右侧最大25倍的环境空气可被吸入，并与原始压缩空气一起从空气放大器左侧吹出。
2.2 空气放大器的特点
（1）无运动部件，安全。（2）只须加一个有效的过滤装置，无需维护。（3）工作时没有噪音。（4）孔不会堵塞。（5）输出气量由供气量调解。（6）即时停止或启动。（7）无起火的危险。（8）无电气干扰。（9）入口和出口都可安装输送管，吸入新鲜空气，从而移除烟气或输送轻质物料。
3 边部吸油装置的组成及各部位的作用
根据滑台尺寸与现场平台情况，改造现有的平台，先将平台两端的上平面开一条边部吸油装置移动用的长条孔，两端筋板开一方孔，然后在平台下方做一个滑台支架，便于安放滑台。边部吸油装置的吸嘴组件是由3个空气放大器组装在一起，然后在板带边部吸油处安装上特制的尼龙套组成吸油装置，吸嘴支架制作成“工”字型，这样就可以在平台缝隙中带动吸嘴组建来回滑动，吸嘴与吸嘴支架之间是通过一块强磁铁连接的，当发生铝板断带或其他异常情况时，可能会碰撞到吸嘴，此时吸嘴会被撞开，与吸嘴支架分离，这样整套机构就不会损坏。在滑台电机部分，将制作一件滑台保护罩，保护罩做成可拆卸方式，方便检修，并满足防爆要求。
高压气源通过一根1寸钢管引到整个装置附近，在钢管上安装一个手动球阀、一个三联体和一个电磁控制阀，便于设定高压压缩空气压力和供气条件。高压压缩空气通过一根Φ16气管连接到一个四通接头上，再通过四通接头连接到3个气嘴上，3个气嘴的出气孔用一根30胶管连接，将废气和油导流到平台下面，防止油气反溅到带材表面。
边部吸油装置的机械示意图如图2所示：
4 电气控制系统
4.1 电气控制系统的组成及控制原理
电气控制系统主要由触摸屏、PLC、定位模块和伺服系统组成。触摸屏用来完成操作人员输入参数、控制命令和显示设备状态；PLC用来控制设备的动作；定位模块用来控制伺服电机动作；伺服系统用来控制吸油装置按照不同要求伸缩动作。触摸屏及PLC、定位模块均选用西门子产品，伺服驱动及伺服电机选用松下产品。系统结构如
图3所示：
该系统可实现控制伺服电机定长正、反旋转，达到吸油嘴按板材宽度伸缩位置的精确控制。此方案采用西门子公司的位置控制模块FM353来控制松下伺服驱动器，由FM353输出给出位置指令脉冲串，直接发送到伺服输入端，此时松下伺服工作在位置模式。在PLC程序中设定伺服电机旋转速度，单位为（rpm），设伺服电机设定为1000个脉冲转一圈。PLC输出脉冲频率=（速度设定值/6）×100（Hz）。假设该伺服系统的驱动直线定位精度为±0.1mm，伺服电机每转一圈滚珠丝杠副移动10mm，伺服电机转一圈需要的脉冲数为1000，故该系统的脉冲当量或者说驱动分辨率为0.01mm；PLC输出脉冲数=长度设定值×10。
以上的结论是在伺服电机参数设定完的基础上得出的。在计算PLC发=出脉冲频率与脉冲前，先根据机械条件，综合考虑精度与速度要求设定好伺服电机的电子齿轮比，大致过程如下： 机械机构确定后，伺服电机转动一圈的行走长度已经固定（如上面所说的10mm），设计要求的定位精度为0.1mm。为了保证此精度，一般情况下是让一个脉冲的行走长度低于0.1mm，如设定一个脉冲的行走长度为如上所述的0.01mm，于是电机转一圈所需要脉冲数即为1000个脉冲。此种设定当电机速度要求为1200转/分时，PLC应该发出的脉冲频率为20K。PLC可以发脉冲频率为500kHz，完全可以满足要求。有了以上频率与脉冲数的算法后只需应用PLC的相应脉冲指令发出脉冲即可实现控制了。
4.2 操作原理
正常工作时，操作人员在触摸屏上选择带材宽度，PLC根据带材宽度计算出吸油装置的位移量。操作人员按动启动按钮，伺服电机带动丝杠正向转动，推动吸油装置伸向带材。当达到计算出的距离后，伺服电机停止，PLC打开高压气电磁阀，吸油装置开始工作。当带材传送完成或需要停止吸油时，操作人员按动停止按钮，伺服电机带动丝杠反向转動，推动吸油装置离开带材回到原位。PLC接收主控PLC的带材断带信号，当断带信号出现后，PLC控制吸油装置收回，防止损坏设备。
4.3 伺服电机参数设置与接线方式
图4 位置控制模式控制信号接线图
4.3.1 按照伺服电机驱动器说明书上的“位置控制模式控制信号接线图”接线：pin3（PULS1）、pin4（PULS2）为脉冲信号端子，PULS1连接直流电源正极（24V电源需串连2K左右的电阻），PULS2连接控制器（如PLC的输出端子）。
4.3.2 pin5（SIGN1）、pin6（SIGN2）为控制方向信号端子，SIGN1连接直流电源正极（24V电源需串连2K左右的电阻），SIGN2连接控制器（如PLC的输出端子）。当此端子接收信号变化时，伺服电机的运转方向改变。实际运转方向由伺服电机驱动器的P41、P42这两个参数控制，pin7（com+）与外接24V直流电源的正极相连。pin29（SRV-0N），伺服使能信号，此端子与外接24V直流电源的负极相连，则伺服电机进入使能状态，就是伺服电机已经准备
好，接收脉冲即可以运转。
上面所述的六根线连接完毕（电源、编码器、电机线），伺服电机即可根据控制器发出的脉冲与方向信号运转。其他的信号端子，如伺服报警、偏差计数清零、定位完成等可根据要求接入控制器构成更完善的控制系统。
5 设备改造后经济效益分析
通过应用科恩达效应原理对设备进行改造，将该边部吸油装置安装在我司2#冷轧机上，经过运行达到了预期的效果，产生了可观的经济效益。改造后的设备各项指标均符合国家标准，安全可靠、经济运行；特种吸油装置的运行清除了铝卷边部的轧制油，避免了存放过程形成油斑，减少了清洗工序，工作效率将大大提高，间接地降低了运行成本，提高了企业经济效益；由于改造后的设备具有一定的节能效果，降低单位产量能耗，在节能减排过程中，能取得相当的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 西门子S7-300系列PLC及应用软件STEP7[M].广州：华南理工大学出版社，2004.
[2] 秦大同，谢立阳.现代机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2011.
作者简介：冯勋宠（1979—），男，美铝渤海铝业有限公司机电工程师，研究方向：冷轧机维护、技改。