馮 敏 王勇剛 應(yīng) 峰 劉望保 黃 維

株洲優(yōu)瑞科有色裝備有限公司技術(shù)部 株洲 412000

0 引言

2020年5月《2020年政府工作報告》中特別指出：要推動國家制造產(chǎn)業(yè)鏈的升級，要推動國家新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大幅提高科技創(chuàng)新的支撐能力，拓展5G技術(shù)在各個行業(yè)的應(yīng)用等。國家出臺了一系列配套政策推動高端智能再制造的切實落地，在這些政策背景下，有色冶煉行業(yè)的技術(shù)升級，現(xiàn)代立體倉儲技術(shù)的運用，使生產(chǎn)實現(xiàn)自動化、智能化、無人化得到大力發(fā)展。

國內(nèi)外物流行業(yè)的飛速發(fā)展，企業(yè)在貨物的運輸卸料裝車作業(yè)中對效率的追求日益迫切[1]，國外在自動裝車卸料系統(tǒng)研發(fā)方面走在世界前列。近年來，國內(nèi)各大設(shè)備廠商在貨物自動裝車系統(tǒng)的研發(fā)上做了很多嘗試，水泥、糧食等行業(yè)都取得了很好的效果。國內(nèi)外自動裝車卸料采用的設(shè)備各有不同，有膠帶輸送機、鏈條輸送機，也有桁架抓手或機器人，還有采用智能起重機等不同方式，應(yīng)用效果各有不同。

本文主要闡述國內(nèi)有色冶煉行業(yè)陰極銅自動化立體倉庫建設(shè)中的全自動卸料裝車系統(tǒng)所需專用吊具的研發(fā)，采用智能起重機搭配專用吊具實現(xiàn)自動卸料裝車的作業(yè)流程。

1 設(shè)計方案與力學(xué)分析

陰極銅剝片機組生產(chǎn)出來的銅為合頁銅片，單片質(zhì)量為160～180 kg，長寬均約1 050 mm，根據(jù)貿(mào)易稱重規(guī)則，每垛陰極銅總質(zhì)量控制在2.5 t，誤差±50 kg，所以，每垛陰極銅含有13～16片合頁銅，1垛陰極銅的高度大約為300～500 mm，在裝車前陰極銅垛均已用鋼帶打好包。

吊具的應(yīng)用范圍很廣，結(jié)構(gòu)種類繁多[2]，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍要求以及自動起重機的工作頻率，要求吊具一次抓取2垛陰極銅，車輛的寬度在2.5 m以內(nèi)，考慮同時放下2垛銅后，車輛的寬度空間已顯局促，裝車后2銅垛間的間隙大約為200 mm，留給吊具設(shè)計的結(jié)構(gòu)空間僅有100 mm。另外，還要求吊具結(jié)構(gòu)簡單、安全、可靠，綜合考慮以上各種因素，吊具采用連桿夾鉗式結(jié)構(gòu)，吊具夾鉗受力分析如圖1所示。

圖1 吊具夾鉗受力分析

根據(jù)力矩平衡原理，夾鉗夾取銅垛時繞鉸點O的力矩須平衡，則有

式中：T為夾鉗夾取銅垛所需的0.5倍提升力，α為連桿拉力與T的夾角，F(xiàn)f為銅垛與夾鉗間的摩擦力，F(xiàn)n為夾鉗加緊時銅垛所受正壓力，A為Fn繞鉸點O的扭矩力臂，L為T傳遞給連桿的拉力繞鉸點O的扭矩力臂。

單根連桿傳遞給夾鉗的夾緊力須能夾取銅垛不掉落，則需滿足

式中：G為銅垛質(zhì)量，K為夾鉗與銅垛間的夾緊系數(shù)。

將式（2）、式（3）代入（1）式，得

簡化式（4），求得夾緊系數(shù)K為

根據(jù)上式計算，調(diào)整式中A、B、L、α的值，得到滿足要求的K值，大于1.2即可[3]。得到夾鉗結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 吊具夾鉗結(jié)構(gòu)尺寸

夾鉗夾取銅垛夾臂處在最大的開度時，夾臂結(jié)構(gòu)與銅垛的間距留有50 mm，從動連桿長為350 mm，傳遞連桿與從動連桿的鉸點間距為250 mm。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上面的方案計算和分析，運用Solidworks軟件對吊具結(jié)構(gòu)進行三維建模，得到吊具的結(jié)構(gòu)如圖3所示，確認(rèn)了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

從圖3可以看出，吊具通過上安裝架和下安裝架裝在起重機的小車架上，卷揚機上纏繞的鋼絲繩通過與吊具滑輪相連控制吊具的升降。導(dǎo)向架設(shè)計有兩級導(dǎo)向結(jié)構(gòu)以適應(yīng)銅垛裝車高度要求。小車架安裝在吊梁上，吊梁的底部安裝了回轉(zhuǎn)支撐，實現(xiàn)了吊具夾鉗旋轉(zhuǎn)功能?；剞D(zhuǎn)支撐安裝了軸編碼器，精確控制吊具的旋轉(zhuǎn)角度，適應(yīng)銅垛裝車時的放置方向要求以及車輛停放偏斜的工況?；剞D(zhuǎn)支撐的底部連接中間梁，連桿組通過銷軸安裝在中間梁上，連桿組下方連接吊具的夾鉗，夾鉗的2側(cè)設(shè)計有安全鉤機構(gòu)，防治銅垛掉落造成事故。夾鉗、安全鉤的開合均靠氣缸來驅(qū)動。夾鉗由1對夾臂組成，共有2對夾鉗，能滿足同時抓取2垛陰極銅的要求。

圖3 吊具結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵部件吊梁強度校核

吊梁作為吊具設(shè)計的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，起到承載吊具大部分質(zhì)量的作用，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 吊梁結(jié)構(gòu)

為了確保吊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性、合理性，對吊梁進行有限元靜力分析計算[4]。吊梁材質(zhì)采用Q235，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3×105，屈服強度為235 MPa，密度為7.856×103kgm-3。吊梁結(jié)構(gòu)設(shè)計總長為1 760 mm，總寬度為812 mm，垂直高度為578 mm，總質(zhì)量為472 kg。

應(yīng)用Solidworks Simulation建立吊梁的有限元模型[5]。根據(jù)吊梁的結(jié)構(gòu)特點，為了提高有限元分析的效率和準(zhǔn)確性，壓縮了不影響分析的各類小孔結(jié)構(gòu)，有效防止了在分析時產(chǎn)生錯誤應(yīng)力突變造成的計算結(jié)果錯誤。利用軟件設(shè)置選擇了合適的標(biāo)準(zhǔn)混合網(wǎng)格，生成高品質(zhì)網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖5所示。網(wǎng)格節(jié)總數(shù)為128 019個，單元總數(shù)為65 989個。

圖5 吊梁有限元模型

對吊梁結(jié)構(gòu)間采用全局接觸，為了模擬出真實的受力狀況，對4個安裝滑輪銷軸孔施加了固定約束，底部安裝回轉(zhuǎn)支撐的安裝面施加負(fù)載力75 000 N，方向為垂直向下。選擇解算器對模型進行運算求解，得到吊梁的應(yīng)力圖和位移圖，分別如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，最大應(yīng)力值為69.9 MPa，最大位移值為0.271 mm，受力較均勻，結(jié)構(gòu)簡單合理，約有3倍的安全系數(shù)值，屬于Q235材料的合理承受范圍，考慮到吊具的高安全可靠性，此安全系數(shù)滿足設(shè)計要求。

圖6 應(yīng)力圖

圖7 位移圖

4 結(jié)論

本文創(chuàng)新性地設(shè)計了一款陰極銅垛自動裝車系統(tǒng)專用吊具，通過力學(xué)分析與計算并利用Solidworks軟件對吊具進行了三維建模，確定吊具結(jié)構(gòu)整體設(shè)計的合理性；采用Solidworks Simulation有限元分析模塊對關(guān)鍵部件吊梁進行了靜力學(xué)仿真計算，確認(rèn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、可靠性。該吊具很好地解決了在有限空間內(nèi)抓取2垛陰極銅裝車作業(yè)的問題，且?guī)D(zhuǎn)功能，適應(yīng)車輛停放偏斜的裝車工況。在有色冶煉等行業(yè)自動卸料裝車方面有較好的推廣應(yīng)用價值。