王貴根，李 勇，朱巧霖

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332000）

1 引言

φ5.5×1.8半自磨機(jī)作為城門山銅礦選礦廠1#系統(tǒng)的主要磨礦設(shè)備，更換襯板時(shí)采用行車拖拽鋼絲繩的方式將襯板吊運(yùn)進(jìn)、運(yùn)出半自磨機(jī)（如圖1所示），自動(dòng)化程度低，不僅效率低下，而且存在一定的安全隱患。隨著城門山銅礦智能化建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，設(shè)計(jì)一套與場(chǎng)地相適應(yīng)的換襯機(jī)械手以提高φ5.5×1.8半自磨機(jī)的換襯作業(yè)效率顯得尤為重要。

2 技術(shù)方案

2.1 現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外換襯機(jī)械手主要有自由行走式、軌道行走式和吊裝固定式三種形式。自由行走式換襯機(jī)械手可自由移動(dòng)和轉(zhuǎn)彎，要求現(xiàn)場(chǎng)空間開(kāi)闊，平整場(chǎng)地要求10m以上，多用于大型磨機(jī)。軌道行走式換襯機(jī)械手則利用進(jìn)料小車移動(dòng)軌道，使用時(shí)用行車將進(jìn)料小車吊開(kāi)，然后將換襯機(jī)械手吊放到卸料小車軌道上，機(jī)械手沿小車軌道行進(jìn)，多用于中、大型設(shè)備。吊裝式換襯機(jī)械手通過(guò)行車吊裝，要求設(shè)備安裝位置能方便使用行車，多用于中小型磨機(jī)［1］。

而φ5.5×1.8半自磨機(jī)現(xiàn)場(chǎng)空間狹小，可利用安裝空間有限，進(jìn)料小車完全退出后，半自磨機(jī)進(jìn)料端端面距離小車喂料嘴端面2470mm，寬度方向無(wú)遮擋物，可用空間4m以上，樓面承重梁距地面高3530mm，進(jìn)料小車軌道為QG60，軌道踏面距離地面240mm，軌距1440mm（尺寸詳見(jiàn)圖2）；小車頂部安裝皮帶輸送機(jī)的樓面平臺(tái)限制了行車的使用，進(jìn)料小車退出后無(wú)法轉(zhuǎn)移至別處，并且高出地面的小車軌道阻礙機(jī)械手行進(jìn)至工作位置，以上三種形式的換襯機(jī)械手均不適用于此。因此，需要設(shè)計(jì)一種新型換襯機(jī)械手才能滿足現(xiàn)場(chǎng)工況。

圖2 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置圖

2.2 設(shè)計(jì)方案

新型換襯機(jī)械手采用分體式頂裝結(jié)構(gòu)，主要由機(jī)械手、移動(dòng)式舉升工作平臺(tái)、液壓系統(tǒng)、電氣部分組成。該機(jī)械手具有4個(gè)自由度，即吊臂360°旋轉(zhuǎn)、吊臂伸縮、卷?yè)P(yáng)（鋼絲繩）伸縮以及吊臂整體沿磨機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線的直線運(yùn)動(dòng)。作業(yè)時(shí)，吊臂整體沿著橫梁通過(guò)半自磨機(jī)進(jìn)料口伸入磨機(jī)內(nèi)腔，機(jī)械臂吊具進(jìn)入筒體，通過(guò)吊臂旋轉(zhuǎn)（筒體內(nèi)僅僅能擺動(dòng)）、吊臂伸縮和卷?yè)P(yáng)收放鋼絲繩等運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)襯板吊掛、提升、進(jìn)出筒體的功能。

于小車頂部平臺(tái)底部的承重梁上安裝永久性固定框架，作業(yè)時(shí)，機(jī)械手由移動(dòng)式舉升平臺(tái)抬升，通過(guò)螺栓連接懸掛安裝于固定框架上，機(jī)械手固定后將移動(dòng)式舉升平臺(tái)移出并停放至作業(yè)范圍之外，連接機(jī)械手液壓動(dòng)力單元后即可進(jìn)行換襯作業(yè)。這樣，機(jī)械手不占地面有限空間且總體外形尺寸小，解決了現(xiàn)場(chǎng)空間不足的問(wèn)題。同時(shí)，移動(dòng)式舉升工作平臺(tái)設(shè)計(jì)有兩個(gè)可折疊抬升的支承腿，在承重的情況下能夠順利跨越進(jìn)料小車的軌道，將機(jī)械手運(yùn)送至安裝位置。

3 方案實(shí)施

3.1 機(jī)械手

吊臂組件為機(jī)械手工作時(shí)的主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，吊臂采用三段液壓式可伸縮機(jī)械臂，在吊臂端部裝備有一臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)，作為鋼絲繩吊具的主裝置，可在吊臂上做收放鋼絲繩動(dòng)作，最大負(fù)載為1000kg；吊臂整體沿磨機(jī)旋轉(zhuǎn)軸線橫梁上的直線運(yùn)動(dòng)依靠蝸輪蝸桿的傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；而扭矩值達(dá)640N*m的回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)則用于驅(qū)動(dòng)吊臂作360°旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3.1.1 吊臂移動(dòng)路徑和軌跡分析

吊臂進(jìn)入磨機(jī)內(nèi)腔后，因進(jìn)料口尺寸限制，吊臂不能做過(guò)多旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，否則吊臂將與進(jìn)料口發(fā)生碰撞，襯板進(jìn)出進(jìn)料口時(shí)的軌跡相對(duì)簡(jiǎn)單，根據(jù)吊臂、橫梁和卷?yè)P(yáng)的運(yùn)動(dòng)特性綜合考慮，建立笛卡爾坐標(biāo)系來(lái)分析移動(dòng)路徑和軌跡［2-3］。以磨機(jī)筒體進(jìn)料口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，磨機(jī)中軸線為x軸，以水平垂直x的方向?yàn)閥軸，以豎直方向?yàn)閦軸（如圖3所示）。

圖3 坐標(biāo)軸示意圖

橫梁具有1個(gè)自由度，吊鉤有3個(gè)自由度，分別建立方程求解。

橫梁自由度L僅在x軸固定范圍內(nèi)移動(dòng)，橫梁與旋轉(zhuǎn)立柱交點(diǎn)p的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)方程表示為：

x=-At 。A為橫梁的移動(dòng)范圍常數(shù)1400mm；t為參數(shù)0～1。

y=0。橫梁安裝在x軸上，且在y軸上不移動(dòng)。

z=C 。橫梁在z軸上不移動(dòng)，C為常數(shù)。

蘇軾在《奏浙西災(zāi)傷第一狀》中表達(dá)了這樣的思想:“臣聞事豫則立，不豫則廢，此古今不刊之語(yǔ)也。至于救災(zāi)恤患，尤當(dāng)在早。若災(zāi)傷之民，救之于未饑，則用物約而所及廣，不過(guò)寬減上供，糶賣常平，官無(wú)大失，則人人受賜，今歲之事是也。若救之于已饑，則用物博而所及微，至于耗散省倉(cāng)，虧損課利，官為一困，而已饑之民，終于死亡，熙寧之事是也?！彼挠^點(diǎn)是，及早賑災(zāi)，花費(fèi)少而效果好；拖延時(shí)日，花費(fèi)大而效果差。

吊臂只在x-y平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，吊鉤g相對(duì)于旋轉(zhuǎn)立柱的移動(dòng)可用參數(shù)方程表示為：

L0為吊臂的最短長(zhǎng)度,實(shí)際L0=1300mm；L為吊臂伸縮長(zhǎng)度，每節(jié)吊臂最大伸長(zhǎng)量為1000mm，則L=2000mm；θ為吊臂與x軸夾角；Z為吊鉤到地面的最大距離，Z0=2000mm。

3.2 移動(dòng)式舉升工作平臺(tái)

移動(dòng)式舉升工作平臺(tái)的主要作用是跨越障礙運(yùn)輸、舉升機(jī)械手至安裝位置，以及換襯作業(yè)結(jié)束后存放機(jī)械手。移動(dòng)式舉升工作平臺(tái)設(shè)計(jì)有3個(gè)支承腿，每個(gè)支承腿安裝有2個(gè)橡膠支承輪，前支承腿、中間支承腿各安裝一組液壓油缸，可實(shí)現(xiàn)支承腿的折疊抬升；舉升裝置采用剪叉式液壓頂升機(jī)構(gòu)，利用液壓缸活塞的伸縮運(yùn)動(dòng)達(dá)到平臺(tái)升降的目的。

3.2.1 舉升油缸直徑選擇

設(shè)備安裝時(shí)需要將機(jī)械手整體托舉上升，機(jī)械手總重量約為1500kg，平臺(tái)支撐部分重量約為500kg。計(jì)算如下：

舉升油缸最大傾角：60°（油缸與垂直方向夾度） 。

舉升油缸數(shù)量：2個(gè)。

所需舉升力F1=（1500+500）×10=20000N

取安全系數(shù)為2。

單個(gè)油缸舉升力F=2×F1/2/cos60°=40000N

由于F=P×S=18MPa×S，S=πr2，所以F=P×S=P×πr2。

r=26.6×10-3m=26.6mm

則舉升油缸直徑應(yīng)不小于53.2mm。

經(jīng)查閱標(biāo)準(zhǔn)油缸缸徑，選擇油缸直徑為63mm可以滿足使用要求。（無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)舉起換襯機(jī)械手，有桿腔進(jìn)油時(shí)平臺(tái)縮回，故只計(jì)算無(wú)桿腔）。

3.2.2 移動(dòng)式舉升工作平臺(tái)的部分工作步驟

（1） 推動(dòng)舉升工作平臺(tái)至卸料小車軌道前方；

（2） 連接液壓動(dòng)力站和移動(dòng)升降平臺(tái)的油管；

（3） 控制舉升工作平臺(tái)上的操縱手柄，先將前支承腿折疊抬升，跨過(guò)小車第一根鋼軌后落下；

（4） 依次折疊抬升中間支承腿跨過(guò)鋼軌，將舉升工作平臺(tái)推至安裝位置正下方；

（5） 控制舉升工作平臺(tái)上的升降操縱桿，將機(jī)械手舉升至安裝位置；

（6） 機(jī)械手安裝于固定框架上；

（7） 控制舉升工作平臺(tái)上的升降操縱桿，將舉升工作平臺(tái)移出換襯工作區(qū)域。

移動(dòng)式舉升平臺(tái)控制操縱面板見(jiàn)圖4。

圖4 移動(dòng)式舉升平臺(tái)控制操縱面板

3.3 液壓系統(tǒng)

φ5.5×1.8半自磨機(jī)襯板的最大重量為800kg，而整個(gè)換襯機(jī)械手體積相對(duì)較小。為使整個(gè)設(shè)計(jì)能達(dá)到緊湊可靠，采用液壓油缸、液壓馬達(dá)等執(zhí)行元件控制機(jī)械手的4個(gè)自由度動(dòng)作。根據(jù)設(shè)備的4個(gè)自由度，首先設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理，以便根據(jù)原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和選用相應(yīng)液壓元件。換襯機(jī)械手作為主體設(shè)備，其4個(gè)自由度控制均選用液壓元件，其中卷?yè)P(yáng)伸縮J和吊臂旋轉(zhuǎn)X兩個(gè)自由度用液壓馬達(dá)控制，吊臂伸縮D和吊臂沿著橫梁作直線運(yùn)動(dòng)動(dòng)L兩個(gè)自由度用液壓缸控制；移動(dòng)式升降平臺(tái)均采用液壓驅(qū)動(dòng)［4］。為縮小換襯機(jī)械手體積和減輕主體設(shè)備重量，整套設(shè)備采用一個(gè)獨(dú)立式液壓動(dòng)力站。通過(guò)快速接頭連接方式可分別連接移動(dòng)式舉升平臺(tái)和換襯機(jī)械手。當(dāng)液壓動(dòng)力站油管連接舉升工作平臺(tái)時(shí)，平臺(tái)獲得動(dòng)力，通過(guò)控制支腿油缸的收放動(dòng)作跨越軌道障礙，當(dāng)平臺(tái)移動(dòng)至相應(yīng)位置后抬升工作平臺(tái)將換襯機(jī)械手舉升至安裝位置；設(shè)備安裝完成后降下工作平臺(tái)并將其移出工作場(chǎng)地；隨后將液壓動(dòng)力站油管連接換襯機(jī)械手后便可進(jìn)行換襯工作。

機(jī)械手的操作采用全液壓驅(qū)動(dòng)，電液比例控制［5］，帶負(fù)載敏感的無(wú)線遙控。操作員可根據(jù)實(shí)際情況需要，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度；液壓系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載的變化及時(shí)自主地調(diào)節(jié)各相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量分配，保障各自由度運(yùn)動(dòng)功能不受影響。機(jī)械手操作簡(jiǎn)單、便捷，控制系統(tǒng)能忠實(shí)地理解、執(zhí)行操作員的操作意圖，保證作業(yè)效率高，安全可靠。

3.4 電氣部分

電器箱集成在液壓動(dòng)力單元內(nèi)部，采用無(wú)線遙控器控制，操控方式為比例控制［6］，能有效控制設(shè)備運(yùn)行速度，減少安全隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

分體式頂裝換襯機(jī)械手結(jié)構(gòu)合理，操作方便，安全可靠。安裝使用后發(fā)現(xiàn)，它能夠很好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)狹窄空間，大幅減少作業(yè)人員數(shù)量，有效提升換襯作業(yè)效率，最大限度降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。該分體式頂裝換襯機(jī)械手的移動(dòng)式舉升平臺(tái)需要依靠人力推行至進(jìn)料小車軌道附近，由于機(jī)械手安裝位置是固定不變的，現(xiàn)場(chǎng)空間不足，將移動(dòng)式舉升平臺(tái)精準(zhǔn)推行至安裝位置耗時(shí)稍長(zhǎng)，后續(xù)有進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化的空間。