分體式頂裝換襯機械手的設計與應用

王貴根，李 勇，朱巧霖

（江西銅業(yè)集團有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332000）

1 引言

φ5.5×1.8半自磨機作為城門山銅礦選礦廠1#系統(tǒng)的主要磨礦設備，更換襯板時采用行車拖拽鋼絲繩的方式將襯板吊運進、運出半自磨機（如圖1所示），自動化程度低，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的穩(wěn)步推進，設計一套與場地相適應的換襯機械手以提高φ5.5×1.8半自磨機的換襯作業(yè)效率顯得尤為重要。

2 技術方案

2.1 現(xiàn)狀

目前國內外換襯機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。自由行走式換襯機械手可自由移動和轉彎，要求現(xiàn)場空間開闊，平整場地要求10m以上，多用于大型磨機。軌道行走式換襯機械手則利用進料小車移動軌道，使用時用行車將進料小車吊開，然后將換襯機械手吊放到卸料小車軌道上，機械手沿小車軌道行進，多用于中、大型設備。吊裝式換襯機械手通過行車吊裝，要求設備安裝位置能方便使用行車，多用于中小型磨機［1］。

而φ5.5×1.8半自磨機現(xiàn)場空間狹小，可利用安裝空間有限，進料小車完全退出后，半自磨機進料端端面距離小車喂料嘴端面2470mm，寬度方向無遮擋物，可用空間4m以上，樓面承重梁距地面高3530mm，進料小車軌道為QG60，軌道踏面距離地面240mm，軌距1440mm（尺寸詳見圖2）；小車頂部安裝皮帶輸送機的樓面平臺限制了行車的使用，進料小車退出后無法轉移至別處，并且高出地面的小車軌道阻礙機械手行進至工作位置，以上三種形式的換襯機械手均不適用于此。因此，需要設計一種新型換襯機械手才能滿足現(xiàn)場工況。

圖2 設備現(xiàn)場布置圖

2.2 設計方案

新型換襯機械手采用分體式頂裝結構，主要由機械手、移動式舉升工作平臺、液壓系統(tǒng)、電氣部分組成。該機械手具有4個自由度，即吊臂360°旋轉、吊臂伸縮、卷揚（鋼絲繩）伸縮以及吊臂整體沿磨機旋轉軸線的直線運動。作業(yè)時，吊臂整體沿著橫梁通過半自磨機進料口伸入磨機內腔，機械臂吊具進入筒體，通過吊臂旋轉（筒體內僅僅能擺動）、吊臂伸縮和卷揚收放鋼絲繩等運動，實現(xiàn)襯板吊掛、提升、進出筒體的功能。

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

3 方案實施

3.1 機械手

吊臂組件為機械手工作時的主要運動構件，吊臂采用三段液壓式可伸縮機械臂，在吊臂端部裝備有一臺卷揚機，作為鋼絲繩吊具的主裝置，可在吊臂上做收放鋼絲繩動作，最大負載為1000kg；吊臂整體沿磨機旋轉軸線橫梁上的直線運動依靠蝸輪蝸桿的傳動來實現(xiàn)；而扭矩值達640N*m的回轉液壓馬達則用于驅動吊臂作360°旋轉運動。

3.1.1 吊臂移動路徑和軌跡分析

吊臂進入磨機內腔后，因進料口尺寸限制，吊臂不能做過多旋轉動作，否則吊臂將與進料口發(fā)生碰撞，襯板進出進料口時的軌跡相對簡單，根據(jù)吊臂、橫梁和卷揚的運動特性綜合考慮，建立笛卡爾坐標系來分析移動路徑和軌跡［2-3］。以磨機筒體進料口中心為坐標原點，磨機中軸線為x軸，以水平垂直x的方向為y軸，以豎直方向為z軸（如圖3所示）。

圖3 坐標軸示意圖

橫梁具有1個自由度，吊鉤有3個自由度，分別建立方程求解。

橫梁自由度L僅在x軸固定范圍內移動，橫梁與旋轉立柱交點p的運動軌跡參數(shù)方程表示為：

x=-At 。A為橫梁的移動范圍常數(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。

z=C 。橫梁在z軸上不移動，C為常數(shù)。

蘇軾在《奏浙西災傷第一狀》中表達了這樣的思想:“臣聞事豫則立，不豫則廢，此古今不刊之語也。至于救災恤患，尤當在早。若災傷之民，救之于未饑，則用物約而所及廣，不過寬減上供，糶賣常平，官無大失，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，虧損課利，官為一困，而已饑之民，終于死亡，熙寧之事是也。”他的觀點是，及早賑災，花費少而效果好；拖延時日，花費大而效果差。

吊臂只在x-y平面內轉動，吊鉤g相對于旋轉立柱的移動可用參數(shù)方程表示為：

L0為吊臂的最短長度,實際L0=1300mm；L為吊臂伸縮長度，每節(jié)吊臂最大伸長量為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 移動式舉升工作平臺

移動式舉升工作平臺的主要作用是跨越障礙運輸、舉升機械手至安裝位置，以及換襯作業(yè)結束后存放機械手。移動式舉升工作平臺設計有3個支承腿，每個支承腿安裝有2個橡膠支承輪，前支承腿、中間支承腿各安裝一組液壓油缸，可實現(xiàn)支承腿的折疊抬升；舉升裝置采用剪叉式液壓頂升機構，利用液壓缸活塞的伸縮運動達到平臺升降的目的。

3.2.1 舉升油缸直徑選擇

設備安裝時需要將機械手整體托舉上升，機械手總重量約為1500kg，平臺支撐部分重量約為500kg。計算如下：

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。

所需舉升力F1=（1500+500）×10=20000N

取安全系數(shù)為2。

單個油缸舉升力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

則舉升油缸直徑應不小于53.2mm。

經(jīng)查閱標準油缸缸徑，選擇油缸直徑為63mm可以滿足使用要求。（無桿腔進油時舉起換襯機械手，有桿腔進油時平臺縮回，故只計算無桿腔）。

3.2.2 移動式舉升工作平臺的部分工作步驟

（1） 推動舉升工作平臺至卸料小車軌道前方；

（2） 連接液壓動力站和移動升降平臺的油管；

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

（4） 依次折疊抬升中間支承腿跨過鋼軌，將舉升工作平臺推至安裝位置正下方；

（5） 控制舉升工作平臺上的升降操縱桿，將機械手舉升至安裝位置；

（6） 機械手安裝于固定框架上；

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

移動式舉升平臺控制操縱面板見圖4。

圖4 移動式舉升平臺控制操縱面板

3.3 液壓系統(tǒng)

φ5.5×1.8半自磨機襯板的最大重量為800kg，而整個換襯機械手體積相對較小。為使整個設計能達到緊湊可靠，采用液壓油缸、液壓馬達等執(zhí)行元件控制機械手的4個自由度動作。根據(jù)設備的4個自由度，首先設計液壓系統(tǒng)原理，以便根據(jù)原理圖進行設計計算和選用相應液壓元件。換襯機械手作為主體設備，其4個自由度控制均選用液壓元件，其中卷揚伸縮J和吊臂旋轉X兩個自由度用液壓馬達控制，吊臂伸縮D和吊臂沿著橫梁作直線運動動L兩個自由度用液壓缸控制；移動式升降平臺均采用液壓驅動［4］。為縮小換襯機械手體積和減輕主體設備重量，整套設備采用一個獨立式液壓動力站。通過快速接頭連接方式可分別連接移動式舉升平臺和換襯機械手。當液壓動力站油管連接舉升工作平臺時，平臺獲得動力，通過控制支腿油缸的收放動作跨越軌道障礙，當平臺移動至相應位置后抬升工作平臺將換襯機械手舉升至安裝位置；設備安裝完成后降下工作平臺并將其移出工作場地；隨后將液壓動力站油管連接換襯機械手后便可進行換襯工作。

機械手的操作采用全液壓驅動，電液比例控制［5］，帶負載敏感的無線遙控。操作員可根據(jù)實際情況需要，無級調節(jié)運動速度；液壓系統(tǒng)可根據(jù)負載的變化及時自主地調節(jié)各相關執(zhí)行機構的流量分配，保障各自由度運動功能不受影響。機械手操作簡單、便捷，控制系統(tǒng)能忠實地理解、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力單元內部，采用無線遙控器控制，操控方式為比例控制［6］，能有效控制設備運行速度，減少安全隱患。

4 結語

分體式頂裝換襯機械手結構合理，操作方便，安全可靠。安裝使用后發(fā)現(xiàn)，它能夠很好地適應現(xiàn)場狹窄空間，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)風險。該分體式頂裝換襯機械手的移動式舉升平臺需要依靠人力推行至進料小車軌道附近，由于機械手安裝位置是固定不變的，現(xiàn)場空間不足，將移動式舉升平臺精準推行至安裝位置耗時稍長，后續(xù)有進一步改進優(yōu)化的空間。