一種新型煤矸分選抓手裝置

張 勇

（深圳市時維智能裝備有限公司，廣東深圳 518133）

0 引言

隨著中國煤礦開采及應(yīng)用的不斷發(fā)展與深化，煤礦企業(yè)的裝備制造業(yè)發(fā)展速度也明顯加快，煤礦開采工藝自動化得到廣泛的重視與應(yīng)用，尤其對解決煤礦企業(yè)中存在的生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、占用人員多、勞動強(qiáng)度大以及安全性差等問題具有重要作用。煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)中，煤矸分選是將原煤轉(zhuǎn)精煤的一個重要環(huán)節(jié)，煤矸分選不當(dāng)將直接影響下一步的洗煤工藝以及煤質(zhì)，造成洗煤廠洗選成本增加，嚴(yán)重還會造成洗煤設(shè)備的損害。目前，煤礦手選皮帶人工分選煤矸存在效率低、管理難、勞動強(qiáng)度大、用工難、職業(yè)病高發(fā)、人工成本高等不足。智能分選機(jī)械抓手主要應(yīng)對促進(jìn)煤礦企業(yè)牢固樹立新發(fā)展理念，深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，改善煤礦環(huán)境，對推動煤炭資源綜合利用產(chǎn)業(yè)綠色、智能化發(fā)展具有重大意義。大塊的煤矸分選抓取裝置一直是研發(fā)的重點(diǎn)方向，本文研制了針對大塊煤矸石抓手的機(jī)構(gòu)設(shè)計，其不但適用于煤礦行業(yè)，也適用于物流、汽車、木材等行業(yè)的分揀裝置應(yīng)用。

1 設(shè)計原理與抓手動作

針對提出的應(yīng)用對象為抓取質(zhì)量35～60 kg、尺寸寬度220～400 mm 的煤矸石。采用雙標(biāo)準(zhǔn)氣缸作為各自單獨(dú)動力部分，雙氣缸固定在抓手基板上，驅(qū)動連桿固定在抓手固定架上，而抓手固定架用防松螺母固定在抓手基板上?；顒訅K與標(biāo)準(zhǔn)氣缸伸出螺紋桿端連接，驅(qū)動連桿將活動塊和中連桿相連。中連桿下面通過轉(zhuǎn)軸與抓片連接，抓片之間采用尼龍墊塊隔開，副墊塊是擴(kuò)大抓片與被抓取物的接觸面，如圖1所示。

圖1 抓手裝置

電磁閥組接到PLC控制器信號，在DC24伏電壓下打開氣流，約0.06 MPa 壓力的壓縮空氣進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)氣缸的無桿腔，壓縮空氣快速推動氣缸內(nèi)的活塞桿快速伸出?；顒訅K在標(biāo)準(zhǔn)氣缸的活塞桿推動下形成一個向下的力分給驅(qū)動連桿，驅(qū)動連桿通過關(guān)節(jié)軸將傳動力分給中連桿。此時活動塊開始沿著導(dǎo)柱穩(wěn)定地向下運(yùn)動，其下行的距離由氣缸的行程決定。與此同時，中連桿將通過轉(zhuǎn)軸給抓片一個向內(nèi)靠攏的夾緊力。當(dāng)抓片觸碰到物體時，抓片和物體將形成壓力，由于抓片與物體存在摩擦因數(shù)，形成的壓力會變成摩擦力，而該摩擦力足夠?qū)⒈粖A取物體單獨(dú)提升取走。同理，抓片將物體夾取到指定位置時，電磁閥組將接到PLC 控制的釋放信號，改變壓縮空氣的流向，壓縮氣體進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)氣缸的有桿腔內(nèi)，而無桿腔氣流直接與大氣接通，從而使得標(biāo)準(zhǔn)氣缸的伸出桿向上回縮。此時通過力的反方向，在連桿運(yùn)動原理上，抓片將張開，從而完成夾取物的釋放。因?yàn)闅飧椎目焖龠\(yùn)動，抓片從張開狀體到合攏的動作持續(xù)時間約100 ms，這個時間是可以接受的。

2 各重要參數(shù)確認(rèn)

2.1 氣缸選型

首先對抓片與矸石的靜摩擦因數(shù)確定為0.2。確認(rèn)了摩擦因數(shù)，計算單組被夾取物體與抓片的最大壓力為30 10 0.2=1 500 N。根據(jù)力的合力與分解，得出活動塊受到的最大向下壓力為2 394 N。對于氣缸的選型程序，需要考慮到負(fù)載率，氣缸的夾緊工況下負(fù)載率取值0.8，可以選桿徑80 的氣缸，0.06 MPa壓力下能達(dá)到3 000 N的壓力[1]。3 000 N 0.8=2 400 N大于計算需要的2 394 N，這樣滿足兩對抓片就能抓取60 kg的物體。實(shí)際上，抓片結(jié)構(gòu)的彎曲設(shè)計和比較寬的夾緊接觸面會使得摩擦因數(shù)大于0.2，設(shè)計的裝置具備良好的抓取性能。

至于氣缸的行程確認(rèn)則使用三維設(shè)計軟件進(jìn)行運(yùn)動模擬，確認(rèn)好的氣缸行程使得抓片的張開和合攏在420～200 mm范圍便可。

2.2 抓片高度

通過對煤礦現(xiàn)場的各類矸石高度進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)分析，大的矸石集中在高100～170 mm，為了增加余量和通用性，選取抓片有效抓取高度為200 mm。另外，此機(jī)構(gòu)的中間還有一定的高度余量，提升了機(jī)構(gòu)的應(yīng)用能力。

3 重要零件設(shè)計

3.1 抓片

抓片是抓手裝置的關(guān)鍵零件，其設(shè)計和制造都要十分合理和嚴(yán)格。抓片在執(zhí)行動作時會受到比較大的反作用力和沖擊力。為了提高抓片的強(qiáng)度和硬度，減少一定的重量，選取了鈦合金材料，牌號為TC4。這種材料在溫度20 ℃情況下，抗拉強(qiáng)度能達(dá)到950 MPa[2]，屈服強(qiáng)度860 MPa，斷后伸長率15%，沖擊韌度40 J/cm-2，彈性模量113 GPa，泊松比0.31，具有良好的綜合力學(xué)性能；在質(zhì)量方面，TC4 合金密度為4 480 kg/m3，而一般合金鋼為7 800 kg/m3，質(zhì)量約是一般合金鋼的57.4%。

鈦合金本身具有穩(wěn)定良好的材料力學(xué)性能，不需要機(jī)加供應(yīng)商做過多的表面處理。而其他合金鋼材需要制造商進(jìn)行嚴(yán)格良好的工藝把控才能獲得好的力學(xué)性能，容易造成機(jī)加零件的性能不穩(wěn)定。選擇鈦合金能有效避免制造上的一些不可靠因素。

3.2 活動塊

活動塊的結(jié)構(gòu)即要與氣缸活塞桿螺紋端良好地連接，還要沿著導(dǎo)柱將力很好地分解給4 個驅(qū)動連桿。采用了6060 鋁合金材料，通過固溶熱處理后進(jìn)行時效T6工藝獲得力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度310 MPa，屈服強(qiáng)度270 MPa，泊松比0.33；質(zhì)量密度為2 700 kg/m3，約是普通鋼材的1/3重，保證了強(qiáng)度又減輕了質(zhì)量。氣缸活塞桿螺紋桿端與活動塊采用間隙式的小壓塊傳動力。活動塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 防護(hù)塊

圖2 活動塊

當(dāng)從動件上的傳動角等于0 時，驅(qū)動力對從動件的有效回轉(zhuǎn)力矩為0，這個位置稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置，也就是機(jī)構(gòu)中從動件與連桿共線的位置稱為機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)位置[3]。抓取裝置也有死點(diǎn)位置，需要避免死點(diǎn)的出現(xiàn)，否則對機(jī)構(gòu)傳動很不利，造成活動塊卡死，氣缸無法推動，整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)無法夾取。

為避免死點(diǎn)位置的出現(xiàn)，增加防護(hù)塊和支撐桿，避免驅(qū)動連桿在受較大撞擊力的情況下超過關(guān)節(jié)死點(diǎn)，防護(hù)塊和支撐桿擁有機(jī)械限位和良好的對稱力平衡作用，對整個機(jī)構(gòu)的應(yīng)用具有很大意義。防護(hù)塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有一定的斜度（16.7h），與連桿運(yùn)動的接觸極限斜角一致，良好地增大接觸面，提高了避免過死點(diǎn)的防護(hù)能力，如圖3所示。

圖3 防護(hù)塊

4 抓手的創(chuàng)新設(shè)計

采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，大物件抓取力足夠，抓取動作可靠，獨(dú)立的雙氣缸運(yùn)動對抓取不規(guī)則矸石適應(yīng)性強(qiáng)；高強(qiáng)度的鈦合金爪片具有很強(qiáng)的屈服和耐磨性能；副抓片增加了夾緊面，有效提高了抓取穩(wěn)定性；防護(hù)塊的設(shè)計，避免連桿運(yùn)動死點(diǎn)，使機(jī)構(gòu)抗撞擊性能優(yōu)越。

5 結(jié)束語

本文采用機(jī)械抓取裝置，實(shí)現(xiàn)對煤矸石自動化分選工藝。通過分析現(xiàn)場工況，指出大塊矸石的抓取是洗煤廠皮帶分選實(shí)現(xiàn)智能自動化的重要環(huán)節(jié)；提出了新型機(jī)械抓手機(jī)構(gòu)設(shè)計；利用了連桿運(yùn)動原理，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)計算來確認(rèn)各零部件的選型參數(shù)和材料強(qiáng)度。通過三維設(shè)計軟件模擬張開角度進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)過加工與制造，該產(chǎn)品在應(yīng)用現(xiàn)場的實(shí)踐情況證明了本文方法具備大塊煤矸石的抓取功能，具有一定的可靠性和安全性。