龍門式鋁棒機(jī)械手夾取裝置可靠性分析及改進(jìn)

□ 吳 云 □ 高洪澤 □ 張大維

遼寧忠旺機(jī)械設(shè)備制造有限公司 遼寧遼陽 111013

1 研究背景

在鋁擠壓機(jī)生產(chǎn)線中,鋁棒機(jī)械手是一種將料框中的鋁棒運(yùn)送到鋁棒加熱爐儲料臺的起重吊裝設(shè)備。目前常見的鋁棒機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式有單梁桁架式、雙梁桁架式、龍門式等,可以根據(jù)設(shè)備布局、生產(chǎn)工況、產(chǎn)品特性等來選擇最為適合的結(jié)構(gòu)形式。

在龍門式機(jī)械手的相關(guān)研究方面,孫明明[1]研究了稀土生產(chǎn)線高溫爐熔融成品提取裝備,謝嘉亮等[2]分析了龍門式機(jī)械手在最不利工況下的靜動態(tài)特性,并對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,劉起宇[3]對吸盤夾取式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

筆者的研究對象龍門式鋁棒機(jī)械手是一種使用氣動頂尖夾取鋁棒兩側(cè)端面的新型設(shè)備。為了使鋁擠壓機(jī)生產(chǎn)線能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行,確保產(chǎn)能,對龍門式鋁棒機(jī)械手夾取裝置的可靠性進(jìn)行了研究,并進(jìn)行改進(jìn),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。

2 龍門式鋁棒機(jī)械手概述

2.1 結(jié)構(gòu)

龍門式鋁棒機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由車體、夾取裝置、地軌、料框、料框座等組成。夾取裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 龍門式鋁棒機(jī)械手結(jié)構(gòu)

圖2 夾取裝置結(jié)構(gòu)

2.2 工作過程

(1) 將裝滿鋁棒的料框吊裝到料框座上,由牽引減速電機(jī)、牽引鏈傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動車體,移動到料框的待夾取鋁棒位置。

(2) 由起升減速電機(jī)、起升鏈傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動夾取裝置下降到指定夾棒高度,兩側(cè)氣缸同時(shí)伸出,使兩側(cè)頂尖夾緊鋁棒。之后夾取裝置及鋁棒被起升鏈傳動機(jī)構(gòu)提升至最高位置。

(3) 車體移動,運(yùn)送鋁棒至上料臺釋放鋁棒位置的上方。

(4) 夾取裝置下降到指定釋放鋁棒高度,兩側(cè)氣缸同時(shí)縮回,使兩側(cè)頂尖松開鋁棒。之后夾取裝置被提升至最高位置,鋁棒自由掉落至上料臺。

重復(fù)以上動作,完成整框鋁棒的上料操作后,車體?？吭谏狭吓_位置,等待更換另一個裝滿鋁棒的料框。

3 夾取裝置可靠性分析

3.1 電機(jī)性能校驗(yàn)

起升減速電機(jī)的功率或制動轉(zhuǎn)矩不足,會導(dǎo)致夾取裝置無法提升鋁棒,或者出現(xiàn)溜車現(xiàn)象,所以需要對起升減速電機(jī)進(jìn)行過載和制動轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)[4]。

起升減速電機(jī)過載校驗(yàn)表達(dá)式如下:

F0=πD2p/4

(1)

式中:F0為普通雙作用氣缸在工作壓力下的理論推力,值為2 010.6 N;D為氣缸缸徑,值為80 mm;p為氣缸工作壓力,值為0.4 MPa。

Pm=2F0(μd+2fK)Cf/D1

(2)

式中:Pm為摩擦阻力,值為48.3 N;μ為導(dǎo)向輪軸承摩擦阻力因數(shù),值為0.015;d為導(dǎo)向輪軸徑,值為30 mm;fK為導(dǎo)向輪沿軌道的滾動摩擦力臂,值為0.25 mm;Cf為考慮牽引拖鏈等的附加摩擦阻力因數(shù),值為1.2;D1為導(dǎo)向輪直徑,值為95 mm。

PQ=Pm+PG

(3)

式中:PQ為額定起升載荷,值為3 779.5 N;PG為提升部分的重力,值為3 731.2 N。

(4)

式中:PN為電動機(jī)額定功率,值為4 kW;Pd為電動機(jī)計(jì)算過載功率,值為1.32 kW;H為計(jì)算因數(shù),值為2.2;m為電動機(jī)數(shù)量,值為1;λm為相對應(yīng)額定功率時(shí)的電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù),值為2.3;vq為起升速度,值為0.311 m/s;η為起升機(jī)構(gòu)總傳動效率,值為0.849。

由式(4)可知,起升電動機(jī)的功率可以滿足使用要求。

對于起升機(jī)構(gòu),不宜采用無控制的物體自由下降方式。對此,采用減速制動,原理為將懸掛在空中的正在向下運(yùn)動的物體減速到停機(jī),或者減速到一個較低的下降速度時(shí)實(shí)施停機(jī)制動。

電磁盤式制動器由一組彈簧施加作用力,并在給制動線圈施加電壓后釋放。一旦出現(xiàn)電壓故障,電動機(jī)將自動制動,這是一個重要的安全功能。設(shè)計(jì)原理采用失電制動,符合基本的安全要求。制動時(shí),摩擦片通過銜鐵被彈簧壓向電動機(jī)后蓋,產(chǎn)生制動力矩。放松制動時(shí),定子線圈通直流電,使銜鐵壓縮彈簧,從而在摩擦片與電動機(jī)后蓋間產(chǎn)生氣隙,制動解除。由此,夾取裝置的減速制動功能可以由起升減速電機(jī)內(nèi)置的電磁盤式制動器來實(shí)現(xiàn)。

電動機(jī)制動軸上的制動轉(zhuǎn)矩校驗(yàn)表達(dá)式為:

(5)

式中:MZN為電動機(jī)制動軸上的額定制動轉(zhuǎn)矩,值為60 N·m;MZ為電動機(jī)制動軸上的計(jì)算制動轉(zhuǎn)矩,值為9.93 N·m;KZ為制動安全因數(shù),值為1.5;D2為鏈輪分度圓直徑,值為202.66 mm;i為從電動機(jī)制動軸到鏈輪軸的總傳動比,值為49.128。

由式(5)可知,起升電動機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩可以滿足使用要求。

3.2 頂尖夾緊力校驗(yàn)

兩側(cè)頂尖在氣缸的作用下夾緊鋁棒,一側(cè)頂尖的受力分析如圖3所示。力Q可以分解為軸向力R和垂直于頂尖斜面的力P[5]。

圖3 頂尖受力分析

頂尖夾緊力校核表達(dá)式如下:

Q=0.5G

(6)

式中:Q為頂尖所受外力的合力,值為671.05 N;G為鋁棒重力,值為1 342.1 N。

β=arctanf

(7)

式中:β為頂尖結(jié)構(gòu)摩擦角,值為16.70°;f為摩擦副摩擦因數(shù),值為0.3。

R=Qtan(α/2-β)

(8)

式中:R為頂尖所受軸向力,值為221.9 N;α為頂尖錐頂角,值為70°。

F=0.7F0

(9)

式中:F為普通雙作用氣缸的實(shí)際推力,值為1 407.4 N。

對比式(8)、式(9)計(jì)算結(jié)果可知,F大于R,并且有較大的安全裕量,所以頂尖夾緊力可以滿足使用要求。

3.3 鏈條靜強(qiáng)度校驗(yàn)

在不高于0.6 m/s的低速重載鏈傳動中,鏈條的靜強(qiáng)度是主要影響因素。若仍以典型承載能力圖進(jìn)行計(jì)算,則結(jié)果不經(jīng)濟(jì),因?yàn)槌休d能力圖上的安全因數(shù)遠(yuǎn)比靜強(qiáng)度安全因數(shù)大[6]。

夾取裝置一側(cè)鏈條的靜強(qiáng)度校核表達(dá)式如下:

Ft=0.5×1 000PN/vq

(10)

式中:Ft為有效圓周力,值為6 430.87 N。

(11)

式中:Fc為離心力引起的拉力,值為0.25 N;q為鏈條單位長度質(zhì)量,值為2.6 kg/m。

(12)

式中:n為靜強(qiáng)度安全因數(shù),值為8.65;Q1為鏈條極限拉伸載荷,值為55 600 N;f1為工況因數(shù),值為1.0;Ff為懸垂拉力,值為0;np為許用安全因數(shù),值為4～8。

由式(12)可知,鏈條可以滿足使用要求。

3.4 頂尖板靜強(qiáng)度校驗(yàn)

夾緊板的強(qiáng)度、剛度性能也會直接影響夾取裝置的可靠性。對此,使用SolidWorks軟件建立頂尖板三維實(shí)體模型,將其導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析。

頂尖板材料為45號鋼,在ANSYS Workbench軟件中定義材料的密度為7 850 kg/m3,彈性模量為200 GPa,泊松比0.3。45號鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后的屈服強(qiáng)度為355 MPa,抗拉強(qiáng)度為640 MPa[7]。

對頂尖板模型采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,單元尺寸為2 mm。劃分后,節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 161 863,單元數(shù)為299 594,單元質(zhì)量為0.88,滿足有限元分析的精度要求[8-9]。

為了限制模型的剛體位移,在頂尖板模型的導(dǎo)向桿安裝孔面上應(yīng)用Fixed Support命令[10]。

為了模擬頂尖板所受的最大外力,在頂尖板模型的頂尖安裝底面上施加Force命令,大小為2 010.6 N。

對頂尖板模型運(yùn)行Solve命令,得到等效應(yīng)力云圖、總變形云圖,分別如圖4、圖5所示。

圖4 頂尖板等效應(yīng)力云圖

圖5 頂尖板總變形云圖

塑性材料的許用應(yīng)力表達(dá)式為:

[σ]=σs/n1

(13)

式中:[σ]為材料許用應(yīng)力,值為236.7 MPa;σs為

材料屈服強(qiáng)度,值為355 MPa;n1為安全因數(shù),值為1.5。

由圖4可知,頂尖板的最大應(yīng)力產(chǎn)生在導(dǎo)向桿安裝孔上,這里是頂尖板結(jié)構(gòu)的薄弱部位,但是最大應(yīng)力45.461 MPa并沒有超過材料的許用應(yīng)力,表明頂尖板不會因?yàn)橐淮渭虞d而出現(xiàn)斷裂或不允許的殘余變形,并且有較大的安全裕量,可以滿足頻繁加載的疲勞工況要求[11]。

由圖5可知,頂尖板的最大變形產(chǎn)生在頂尖安裝底面上,最大位移不超過0.02 mm,可以滿足頂尖夾取鋁棒兩側(cè)端面的安裝要求。

4 氣動系統(tǒng)改進(jìn)

在正常情況下,電磁閥及氣缸正常工作,氣缸活塞桿伸縮自如。一旦外部氣源突然失壓或氣路出現(xiàn)爆氣管現(xiàn)象,空氣誘導(dǎo)止回閥會立即動作,封死氣路,防止氣腔壓縮空氣外泄,此時(shí)氣缸仍然有力,從而起到安全保護(hù)作用[12]。由此,為了防止鋁棒突然墜落,在電磁閥和氣缸無桿腔之間的氣路中增加空氣誘導(dǎo)止回閥。改進(jìn)后的氣動系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后氣動系統(tǒng)原理

5 故障解決措施

對夾取裝置可能存在的故障現(xiàn)象進(jìn)行歸納總結(jié),并提出相應(yīng)的解決措施[13],見表1。

表1 夾取裝置故障解決措施

6 實(shí)際應(yīng)用

龍門式鋁棒機(jī)械手在27.5 MN鋁擠壓機(jī)生產(chǎn)線上的現(xiàn)場應(yīng)用情況如圖7所示。兩側(cè)頂尖夾取鋁棒,現(xiàn)場試車30 min仍牢固可靠,頂尖板沒有出現(xiàn)損壞和抖動震顫現(xiàn)象。即使切斷氣源供應(yīng),夾取裝置也能保證鋁棒不發(fā)生墜落,避免安全事故的發(fā)生,取得了預(yù)期的改進(jìn)效果。

圖7 龍門式鋁棒機(jī)械手現(xiàn)場應(yīng)用

7 結(jié)束語

改進(jìn)后的龍門式鋁棒機(jī)械手已經(jīng)應(yīng)用于27.5 MN鋁擠壓機(jī)生產(chǎn)線和SUT-310R鋁合金鑄棒超聲波探傷機(jī)的自動上下料裝置,市場前景廣闊。安裝使用后,設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、無異常。夾取裝置因?yàn)闆]有使用液壓動力源,可以避免液壓油污染,并且造價(jià)更低,在保證安全的同時(shí),提高了設(shè)備自動化水平和生產(chǎn)效率。