水泥罐內(nèi)壁機(jī)械清理器的設(shè)計(jì)

劉碧云

（廣東省機(jī)械技師學(xué)院，廣東 廣州510450）

我國(guó)是水泥生產(chǎn)大國(guó)，在大型水泥生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)過程中，水泥庫以其占地小、儲(chǔ)量大、存放可靠、使用期長(zhǎng)等特點(diǎn)得以被廣泛采用，如圖1 所示。但受入庫時(shí)水泥粉所含水分、空氣中的水分、庫內(nèi)外溫差及天氣等的影響，水泥庫內(nèi)壁表面會(huì)不可避免地粘結(jié)一層硬度不同、薄厚不一的水泥垢。隨著時(shí)間推移，水泥垢會(huì)越來越厚。有的水泥垢自行脫落后混在水泥粉中，造成下料器堵死，有的甚至在水泥庫中的漏斗上結(jié)拱起蓬，使水泥粉無法順利泄出，導(dǎo)致斷料停工停產(chǎn)。為此，企業(yè)不得不安排專人進(jìn)行臨時(shí)疏堵或炸拱，甚至定時(shí)清庫。而清理作業(yè)會(huì)使大量水泥粉泄露，浪費(fèi)極大，而且清理耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)效率影響很大。此外，因水泥庫巨大，作業(yè)環(huán)境惡劣，清理作業(yè)危險(xiǎn)性大，有極大安全隱患。目前國(guó)內(nèi)水泥庫清理一般采取人工方式，即腰部固定了纜繩的作業(yè)人員從庫頂?shù)娜肟走M(jìn)入庫中，手持清理工具對(duì)庫壁上的水泥垢進(jìn)行清理。根據(jù)對(duì)水泥生產(chǎn)企業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這種作業(yè)方式存在以下特點(diǎn)：一是因作業(yè)人員需穿戴防護(hù)衣、鋼盔和呼吸濾清器等勞保用品，且身體懸掛在半空，導(dǎo)致行動(dòng)不便，清理不徹底，甚至還會(huì)加劇水泥垢再次積聚；二是粉塵濃度高，作業(yè)環(huán)境惡劣，使作業(yè)者患上塵肺的幾率大大增加，且常因粉塵導(dǎo)致視線過差而使作業(yè)者之間誤傷，甚至發(fā)生上方大塊水泥垢坍塌砸中甚至活埋下方作業(yè)者的情況，安全隱患大；三是由于受作業(yè)者的工作方式限制，作業(yè)效率低，且因該作業(yè)為高危作業(yè)，人工費(fèi)用高。因此，水泥庫內(nèi)壁除垢一直是水泥行業(yè)的一大難題。針對(duì)以上問題，在借鑒了國(guó)內(nèi)外近年來使用的機(jī)械抽打法、爆破法、聲波振擊法、空氣炮法等諸多水泥庫內(nèi)壁除垢方法后，本文嘗試設(shè)計(jì)一個(gè)能實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥庫內(nèi)壁自動(dòng)化除垢的機(jī)械清理器。

1 水泥庫機(jī)械清理器的工作原理

圖1 水泥庫實(shí)物圖

圖2 水泥庫內(nèi)壁機(jī)械清理器的結(jié)構(gòu)圖

圖3 水泥庫內(nèi)壁機(jī)械清理器的裝配圖

圖4 手動(dòng)定位調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

如圖2 所示，水泥庫內(nèi)壁機(jī)械清理器由手動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、定位臂、定位臂俯仰機(jī)構(gòu)、工作臂、工作臂回轉(zhuǎn)及俯仰機(jī)構(gòu)等組成。其中，在手動(dòng)定位調(diào)整機(jī)構(gòu)中，由手柄帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊沿著絲杠上下移動(dòng)，最終帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使連桿完成00到900的折疊轉(zhuǎn)動(dòng)，最終帶動(dòng)機(jī)械臂的其余部分到達(dá)作業(yè)位置；在定位臂俯仰機(jī)構(gòu)中，由氣缸帶動(dòng)滑塊上下移動(dòng)，帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使得定位比完成00到900的折疊轉(zhuǎn)動(dòng)；而定位臂也是由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，以氣缸帶動(dòng)滑塊上下移動(dòng)，帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)展開，使得機(jī)械臂固定于水泥庫內(nèi)壁上；在工作臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)中，電機(jī)通過帶傳動(dòng)完成絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，使工作臂（連桿）完成00到900的折疊轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作臂的回轉(zhuǎn)；兩個(gè)工作臂末端分別安裝清理器，通過氣缸實(shí)現(xiàn)工作臂伸縮，從而使清理器接觸或離開內(nèi)壁。

2 水泥庫機(jī)械清理器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)水泥庫內(nèi)壁水泥垢清理作業(yè)流程，清理作業(yè)時(shí)，需先將機(jī)械清理器運(yùn)送到水泥庫頂端，并從水泥庫頂端入口處放置入水泥庫中，由于考慮防潮等因素，水泥庫入口尺寸一般都較小，因此，在保證功能的基礎(chǔ)上，機(jī)械清理器必須盡量使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊。在設(shè)計(jì)過程中，按照原理圖，先利用繪圖軟件進(jìn)行整體裝配圖設(shè)計(jì)，接著根據(jù)裝配圖對(duì)零件圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，再運(yùn)用三維建模方式進(jìn)行零件建模、裝配，從而發(fā)現(xiàn)平面設(shè)計(jì)中存在的如運(yùn)動(dòng)范圍不足、零件相互干涉或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等的問題，進(jìn)而改進(jìn)原有設(shè)計(jì)，最終確定水泥庫內(nèi)壁水泥垢機(jī)械清理器裝配示意圖如圖3 所示。

2.1 手動(dòng)定位調(diào)整機(jī)構(gòu)

手動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)具體如圖4 所示，其功能主要通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)：以手動(dòng)方式轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，通過齒輪傳動(dòng)和螺旋傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑塊在豎直方向沿著絲杠上下移動(dòng)，即利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成機(jī)械臂的定位和調(diào)整，根據(jù)再設(shè)計(jì)確定手動(dòng)定位調(diào)整機(jī)構(gòu)中曲柄滑塊機(jī)構(gòu)安裝形式，通過合理優(yōu)化設(shè)計(jì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)各個(gè)鉸鏈的位置和各個(gè)連接桿的長(zhǎng)度，能夠使得手動(dòng)定位調(diào)整機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力小并且結(jié)構(gòu)緊湊。

2.2 其他關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

2.2.1 定位臂俯仰機(jī)構(gòu)。定位臂俯仰機(jī)構(gòu)主要由滑塊、連桿和定位臂組成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由氣缸帶動(dòng)滑塊沿著豎直方向移動(dòng)，滑塊帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)定位臂轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使定位臂完成俯仰動(dòng)作。2.2.2 工作臂回轉(zhuǎn)及俯仰機(jī)構(gòu)。工作臂回轉(zhuǎn)及俯仰機(jī)構(gòu)仍是利用由滑塊、連桿和工作臂組成的曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功能，其中電機(jī)通過螺旋傳動(dòng)帶動(dòng)滑塊沿著豎直方向上下移動(dòng)，并將運(yùn)動(dòng)通過連桿傳遞給工作臂，使工作臂完成轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作臂的俯仰動(dòng)作。

3 水泥庫機(jī)械清理器技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 與傳統(tǒng)的水泥垢清理技術(shù)相比，使用機(jī)械自動(dòng)化的機(jī)械清理器進(jìn)行水泥庫內(nèi)壁清理，自身運(yùn)動(dòng)相對(duì)靈活，對(duì)工作環(huán)境要求不高，因此能夠相對(duì)快速、有效地進(jìn)行水泥垢清理，具有清理效率高、清理效果好、作業(yè)安全性好、作業(yè)成本低等特點(diǎn)。

3.2 該設(shè)計(jì)目前已在廣東粵秀水泥公司、廣東飛鹿水泥公司等企業(yè)進(jìn)行了試用推廣，效果良好。公司反饋水泥庫內(nèi)壁水泥垢清理效率大大提高，同時(shí)，清理能耗降低，且完全消除了工作環(huán)境對(duì)作業(yè)人員的人身危害，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都非常顯著。

4 機(jī)械臂設(shè)計(jì)改進(jìn)思考

從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益來看，該設(shè)計(jì)都有十分好的應(yīng)用推廣價(jià)值。根據(jù)國(guó)內(nèi)外最新技術(shù)進(jìn)展情況，該設(shè)計(jì)還可以在兩方面進(jìn)行改進(jìn)：

4.1 在清理水泥垢過程中，清理器端會(huì)使整個(gè)設(shè)備產(chǎn)生一定震動(dòng)，為保證設(shè)備正常運(yùn)行，需要控制清理器端的工作頻率，使其不與設(shè)備產(chǎn)生共振。因此，可通過對(duì)機(jī)械清理器進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算其固有頻率。

4.2 根據(jù)目前高壓水射流技術(shù)的發(fā)展情況，其清理器端可以采用高壓水射流技術(shù)，則可變清理為強(qiáng)力清洗，效率、效果會(huì)更好。因此，可進(jìn)行二次開發(fā)，將整套高壓水射流清洗槍設(shè)備與可自動(dòng)化作業(yè)的機(jī)械清理器整合，使機(jī)械清理器的工作臂帶動(dòng)高壓水噴槍進(jìn)行清理。如果在以上兩方面能持續(xù)深入研究，則水泥庫內(nèi)壁水泥垢機(jī)械清理器樣機(jī)的研究將會(huì)更適用于實(shí)際情況，有望進(jìn)一步提高水泥庫內(nèi)壁水泥垢清理的作業(yè)效率，降低清理能耗，為大中型水泥生產(chǎn)企業(yè)乃至類似行業(yè)帶來更大經(jīng)濟(jì)效益。