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用，尤其對解決煤礦企業(yè)中存在的生產(chǎn)環(huán)境復雜、占用人員多、勞動強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，嚴重還會造成洗煤設備的損害。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。智能分選機械抓手主要應對促進煤礦企業(yè)牢固樹立新發(fā)展理念，深入實施創(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)的重點方向，本文研制了針對大塊煤矸石抓手的機構設計，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)的分揀裝置應用。

1 設計原理與抓手動作

針對提出的應用對象為抓取質(zhì)量35～60 kg、尺寸寬度220～400 mm 的煤矸石。采用雙標準氣缸作為各自單獨動力部分，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。活動塊與標準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 壓力的壓縮空氣進入標準氣缸的無桿腔，壓縮空氣快速推動氣缸內(nèi)的活塞桿快速伸出。活動塊在標準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)動連桿通過關節(jié)軸將傳動力分給中連桿。此時活動塊開始沿著導柱穩(wěn)定地向下運動，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，壓縮氣體進入標準氣缸的有桿腔內(nèi)，而無桿腔氣流直接與大氣接通，從而使得標準氣缸的伸出桿向上回縮。此時通過力的反方向，在連桿運動原理上，抓片將張開，從而完成夾取物的釋放。因為氣缸的快速運動，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

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，需要考慮到負載率，氣缸的夾緊工況下負載率取值0.8，可以選桿徑80 的氣缸，0.06 MPa壓力下能達到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。實際上，抓片結(jié)構的彎曲設計和比較寬的夾緊接觸面會使得摩擦因數(shù)大于0.2，設計的裝置具備良好的抓取性能。

至于氣缸的行程確認則使用三維設計軟件進行運動模擬，確認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，此機構的中間還有一定的高度余量，提升了機構的應用能力。

3 重要零件設計

3.1 抓片

抓片是抓手裝置的關鍵零件，其設計和制造都要十分合理和嚴格。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，抗拉強度能達到950 MPa[2]，屈服強度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)定良好的材料力學性能，不需要機加供應商做過多的表面處理。而其他合金鋼材需要制造商進行嚴格良好的工藝把控才能獲得好的力學性能，容易造成機加零件的性能不穩(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)構即要與氣缸活塞桿螺紋端良好地連接，還要沿著導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行時效T6工藝獲得力學性能如下：抗拉強度310 MPa，屈服強度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)構如圖2所示。

3.3 防護塊

圖2 活動塊

當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，這個位置稱為機構的死點位置，也就是機構中從動件與連桿共線的位置稱為機構的死點位置[3]。抓取裝置也有死點位置，需要避免死點的出現(xiàn)，否則對機構傳動很不利，造成活動塊卡死，氣缸無法推動，整個執(zhí)行機構無法夾取。

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

圖3 防護塊

4 抓手的創(chuàng)新設計

采用標準氣缸，大物件抓取力足夠，抓取動作可靠，獨立的雙氣缸運動對抓取不規(guī)則矸石適應性強；高強度的鈦合金爪片具有很強的屈服和耐磨性能；副抓片增加了夾緊面，有效提高了抓取穩(wěn)定性；防護塊的設計，避免連桿運動死點，使機構抗撞擊性能優(yōu)越。

5 結(jié)束語

本文采用機械抓取裝置，實現(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現(xiàn)智能自動化的重要環(huán)節(jié)；提出了新型機械抓手機構設計；利用了連桿運動原理，根據(jù)結(jié)構力學計算來確認各零部件的選型參數(shù)和材料強度。通過三維設計軟件模擬張開角度進行驗證。經(jīng)過加工與制造，該產(chǎn)品在應用現(xiàn)場的實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。