包卿希 張照益 王建強(qiáng)b

摘? 要：傳統(tǒng)水泥庫(kù)清理大多采用人工作業(yè)的方式，效率低下且容易發(fā)生事故，是一種高勞動(dòng)強(qiáng)度、高危險(xiǎn)性的特種作業(yè)。在水泥庫(kù)頂開(kāi)口較小而水泥庫(kù)的體積又很大的情況下，如何保證清理范圍覆蓋面廣且更安全高效快速，成為了亟待解決的核心問(wèn)題。文章針對(duì)水泥庫(kù)清理現(xiàn)狀，提出了一種新型機(jī)器人，對(duì)其工作環(huán)境及功能要求進(jìn)行分析，完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)一步優(yōu)化，旨在實(shí)現(xiàn)水泥庫(kù)清理作業(yè)的智能化，提高水泥庫(kù)清理的工作效率和安全性。

關(guān)鍵詞：水泥庫(kù)清理;清庫(kù)機(jī)器;機(jī)械設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Abstract： Traditional cement silo cleaning is mostly done manually， which is inefficient and prone to accidents， so it is a special operation with high labor intensity and great danger. The primary problem that needs to be solved urgently is how to ensure that the cleaning area covers a wide area， while maintaining safety， efficiency and speed， in the case of a small opening at the top of the cement silo and a large volume of the cement silo. This paper proposes a new type of robot for the current situation of cement silo cleaning. It analyzes its working environment and functional requirements， completes the mechanical structure design and further optimizes it. It aims to realize the intelligence of cement silo cleaning operations， improve the efficiency of cement silo cleaning， and provide workers with a safe working environment.

前言

在清理水泥庫(kù)的過(guò)程中，由于水泥粉料與水泥庫(kù)庫(kù)壁貼合緊密、難以移除，以及現(xiàn)有水泥儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)存在可操作空間非常小等問(wèn)題，給水泥儲(chǔ)存清潔人員帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]，大多數(shù)水泥生產(chǎn)企業(yè)和社會(huì)企業(yè)還沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到水泥儲(chǔ)存清潔項(xiàng)目的難度和危險(xiǎn)性。

現(xiàn)如今，市場(chǎng)上專(zhuān)門(mén)針對(duì)清庫(kù)的裝備研發(fā)依舊處于初級(jí)階段，所研發(fā)的產(chǎn)品也僅僅局限于簡(jiǎn)單的協(xié)助人工清理。伴隨著水泥和礦場(chǎng)企業(yè)生產(chǎn)效率的提高和國(guó)家對(duì)工人安全健康的高度重視，自動(dòng)化取代人工清庫(kù)會(huì)逐漸成為市場(chǎng)的導(dǎo)向，滿(mǎn)足企業(yè)和水泥庫(kù)清理工人對(duì)高效自動(dòng)化清理機(jī)器的迫切需求。

針對(duì)上述問(wèn)題及背景，本文提出了一種新型水泥庫(kù)清理機(jī)器人，具備更高效安全的作業(yè)形式，更可靠穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)現(xiàn)水泥庫(kù)清理的智能化、高效性、安全性具有重要的工程意義。

1 水泥在水泥庫(kù)中的積料形式

水泥粉料在水泥庫(kù)中的流型大體分成整體流、漏斗流、管狀流、擴(kuò)散流四種情形，主要是由于水泥庫(kù)內(nèi)水泥長(zhǎng)期以來(lái)粘結(jié)變質(zhì)，導(dǎo)致水泥庫(kù)容積變小，在庫(kù)內(nèi)生成了多種不同類(lèi)型的積料形式[2]。

水泥粉料在水泥庫(kù)中的主要積料形式有依附性、鼠洞型、拱型、堵塞型等。其中，鼠洞型和依附型是水泥庫(kù)中較為常見(jiàn)的情況，也是比較容易清理的狀態(tài)。而拱型和堵塞型處理起來(lái)比較復(fù)雜，是在前兩種情況下的進(jìn)一步演化，在實(shí)際生產(chǎn)中也會(huì)遇到。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水泥庫(kù)清庫(kù)機(jī)器人主要由底座支架、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、卷筒提升機(jī)構(gòu)、工作臂機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示。

2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水泥庫(kù)內(nèi)壁清理機(jī)器人中的動(dòng)力輸出主要有以下幾個(gè)，一是卷筒系統(tǒng)動(dòng)力源電機(jī);二是固定平臺(tái)的360度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，三是末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

由于末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)決定了水泥庫(kù)清理的效率和質(zhì)量，根據(jù)其性能需求，確定使用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。選用南京埃斯頓自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)關(guān)于EMG型號(hào)電機(jī)。

2.2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行部分是清理水泥庫(kù)壁粘料的重要載體，它清理的好壞直接影響庫(kù)壁整潔。目前，主要的驅(qū)動(dòng)方式有電驅(qū)動(dòng)和液壓及氣壓驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)可以提供驅(qū)動(dòng)壓力和動(dòng)力。具有響應(yīng)速度快、定位精度高、剛度高等特點(diǎn)。由于液壓油系統(tǒng)多變，工作性能受環(huán)境影響較大，工作性能較低，容易發(fā)生卸油現(xiàn)象。它通常用于提供更大的驅(qū)動(dòng)力矩和移動(dòng)性能。氣壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但驅(qū)動(dòng)力矩不易控制0。電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有操作簡(jiǎn)單、精度高、控制準(zhǔn)確、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)以上比較，提出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)破碎法。電機(jī)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維圖形如圖2所示：

2.3 卷筒提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

卷筒提升機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)工作臂可自由升降的機(jī)械裝置。卷筒提升機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、繞組裝置系統(tǒng)和制動(dòng)裝置組成。除此之外，還可裝連接各種輔助的限位裝置，如升起高度限位器，力矩限制器等保護(hù)系統(tǒng)安全。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，易于布置、安裝和維修。傳動(dòng)裝置包括減速器、彈性聯(lián)軸節(jié)和傳動(dòng)軸。纏繞裝置主要包括卷筒和鋼絲繩滑輪組。卷筒系統(tǒng)如圖3所示：

2.4 工作臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作臂的主要形狀直接決定了整個(gè)清洗裝置的范圍，因?yàn)樗鄠}(cāng)庫(kù)是中心下料和頂部偏移開(kāi)孔的情況。根據(jù)實(shí)際工作情況，動(dòng)力頭不需要工作在水泥庫(kù)內(nèi)的所有位置，需要與水泥庫(kù)內(nèi)壁保持一定的距離。針對(duì)這種偏心情況，選用電動(dòng)伸縮推桿來(lái)使末端執(zhí)行能夠達(dá)到庫(kù)壁料的指定位置，并清理。電動(dòng)推桿工作臂如圖4所示：

3 力學(xué)分析

在清庫(kù)裝置中，根據(jù)工作情況及經(jīng)驗(yàn)分析可知，最薄弱的環(huán)節(jié)為工作臂部分，其中帶伸縮臂的小臂以及大臂與小臂間的連接軸是主要的受力部件。因此，將對(duì)這兩部分首先進(jìn)行靜力學(xué)分析。對(duì)已建立的模型進(jìn)行分析如圖5所示。

可以看出，伸縮臂的應(yīng)力主要集中在與軸連接的端部，其最大應(yīng)力接近鋁合金材料的最大許用應(yīng)力，應(yīng)注意保護(hù)。其次，直徑變化處也較為集中，可通過(guò)焊接加強(qiáng)筋等方式來(lái)加固。

4 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)，傳統(tǒng)的水泥庫(kù)作為水泥的主流儲(chǔ)存方式，不僅數(shù)量巨大，而且多會(huì)出現(xiàn)庫(kù)壁掛料和積灰的狀況。傳統(tǒng)的水泥庫(kù)清理方法不僅清理時(shí)間長(zhǎng)，影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)，而且清庫(kù)導(dǎo)致的安全事故頻發(fā)，企業(yè)很難找到合適的清潔工人來(lái)完成工作。因此，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化的庫(kù)倉(cāng)清理機(jī)器人系統(tǒng)而非人工作業(yè)顯得尤為迫切，具有重要的社會(huì)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王衛(wèi)恒，閆青，朱旭.水泥庫(kù)結(jié)塊的原因及處理措施[J].水泥技術(shù)，2016（2）：88-89.

[2]張琳.水泥庫(kù)粉料粘接機(jī)理及清庫(kù)系統(tǒng)的研究[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]焦洪濤.料倉(cāng)清堵技術(shù)及氣壓旋轉(zhuǎn)式清堵裝置的研究[J].粉煤灰，2014（1）：11-12.