一種新型水泥庫清理機器人設(shè)計與優(yōu)化

包卿希 張照益 王建強b

摘? 要：傳統(tǒng)水泥庫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，是一種高勞動強度、高危險性的特種作業(yè)。在水泥庫頂開口較小而水泥庫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題。文章針對水泥庫清理現(xiàn)狀，提出了一種新型機器人，對其工作環(huán)境及功能要求進(jìn)行分析，完成了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計并進(jìn)一步優(yōu)化，旨在實現(xiàn)水泥庫清理作業(yè)的智能化，提高水泥庫清理的工作效率和安全性。

關(guān)鍵詞：水泥庫清理;清庫機器;機械設(shè)計;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

在清理水泥庫的過程中，由于水泥粉料與水泥庫庫壁貼合緊密、難以移除，以及現(xiàn)有水泥儲存結(jié)構(gòu)存在可操作空間非常小等問題，給水泥儲存清潔人員帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]，大多數(shù)水泥生產(chǎn)企業(yè)和社會企業(yè)還沒有充分認(rèn)識到水泥儲存清潔項目的難度和危險性。

現(xiàn)如今，市場上專門針對清庫的裝備研發(fā)依舊處于初級階段，所研發(fā)的產(chǎn)品也僅僅局限于簡單的協(xié)助人工清理。伴隨著水泥和礦場企業(yè)生產(chǎn)效率的提高和國家對工人安全健康的高度重視，自動化取代人工清庫會逐漸成為市場的導(dǎo)向，滿足企業(yè)和水泥庫清理工人對高效自動化清理機器的迫切需求。

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

1 水泥在水泥庫中的積料形式

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

水泥粉料在水泥庫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中較為常見的情況，也是比較容易清理的狀態(tài)。而拱型和堵塞型處理起來比較復(fù)雜，是在前兩種情況下的進(jìn)一步演化，在實際生產(chǎn)中也會遇到。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

水泥庫清庫機器人主要由底座支架、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、卷筒提升機構(gòu)、工作臂機構(gòu)組成，如圖1所示。

2.1 末端執(zhí)行機構(gòu)動力系統(tǒng)設(shè)計

水泥庫內(nèi)壁清理機器人中的動力輸出主要有以下幾個，一是卷筒系統(tǒng)動力源電機;二是固定平臺的360度旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機，三是末端執(zhí)行機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機。

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

2.2 末端執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

末端執(zhí)行部分是清理水泥庫壁粘料的重要載體，它清理的好壞直接影響庫壁整潔。目前，主要的驅(qū)動方式有電驅(qū)動和液壓及氣壓驅(qū)動。液壓驅(qū)動可以提供驅(qū)動壓力和動力。具有響應(yīng)速度快、定位精度高、剛度高等特點。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)動力矩和移動性能。氣壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但驅(qū)動力矩不易控制0。電機驅(qū)動具有操作簡單、精度高、控制準(zhǔn)確、響應(yīng)快等優(yōu)點。通過以上比較，提出了電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)破碎法。電機驅(qū)動末端執(zhí)行機構(gòu)三維圖形如圖2所示：

2.3 卷筒提升機構(gòu)設(shè)計

卷筒提升機構(gòu)是實現(xiàn)工作臂可自由升降的機械裝置。卷筒提升機構(gòu)主要由驅(qū)動裝置、傳動裝置、繞組裝置系統(tǒng)和制動裝置組成。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，力矩限制器等保護系統(tǒng)安全。驅(qū)動系統(tǒng)多采用電機驅(qū)動，易于布置、安裝和維修。傳動裝置包括減速器、彈性聯(lián)軸節(jié)和傳動軸。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

工作臂的主要形狀直接決定了整個清洗裝置的范圍，因為水泥倉庫是中心下料和頂部偏移開孔的情況。根據(jù)實際工作情況，動力頭不需要工作在水泥庫內(nèi)的所有位置，需要與水泥庫內(nèi)壁保持一定的距離。針對這種偏心情況，選用電動伸縮推桿來使末端執(zhí)行能夠達(dá)到庫壁料的指定位置，并清理。電動推桿工作臂如圖4所示：

3 力學(xué)分析

在清庫裝置中，根據(jù)工作情況及經(jīng)驗分析可知，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，將對這兩部分首先進(jìn)行靜力學(xué)分析。對已建立的模型進(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。其次，直徑變化處也較為集中，可通過焊接加強筋等方式來加固。

4 結(jié)束語

在我國，傳統(tǒng)的水泥庫作為水泥的主流儲存方式，不僅數(shù)量巨大，而且多會出現(xiàn)庫壁掛料和積灰的狀況。傳統(tǒng)的水泥庫清理方法不僅清理時間長，影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)，而且清庫導(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完成工作。因此，開發(fā)自動化的庫倉清理機器人系統(tǒng)而非人工作業(yè)顯得尤為迫切，具有重要的社會意義。

參考文獻(xiàn)：

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

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

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