一種新型煤矸分揀機械系統的設計

張 勇

（深圳市時維智能裝備有限公司，廣東深圳 518133）

0 引言

目前，越來越多的煤礦設備應用于煤礦自動化開采。其中，煤矸分選工藝自動化已成為重要課題方向。目前的撿矸石工序在大部分煤礦或洗煤廠是靠人工來完成。人工揀矸石車間粉塵大、噪聲大、體力勞動強，嚴重影響職工身心健康。在揀矸石崗位使用煤矸分揀機械系統可以大幅避免人員傷亡，改善職工的工作環境，降低職業病的發生率，保護廣大煤礦職工的身體健康。機器人智能化生產和在線故障診斷，還可進一步降低人工等成本投入[1]。

國家煤礦安全監察局在2019 年1 號公告《煤礦機器人重點研發目錄》中共指出5 類38 種未來研發和推廣的煤礦機器人。其中，第21種是“選矸機器人”，即“研發運輸過程中矸石及其他非煤雜物智能分揀機器人，具備目標破碎、自動識別、精確定位、快速分揀、分類投放等功能，實現煤矸高效分離”。本文所研發的針對大塊煤矸石分揀的機械系統，不但適用于煤礦行業，也可應用于物流、汽車、木材、環保垃圾回收等行業的分揀裝置。

1 機械系統與運動控制

應用對象為三維空間里智能抓取輸送皮帶線上質量約50 kg 的煤矸石，顆粒寬度220～400 mm。當PLC 控制器發出抓取信號時，作為三軸驅動動力源的大功率伺服電機開始運轉，同步帶傳動使得橫向Y 軸長距離移動到指定位置，然后垂直Z軸在直線軸承導軌往下移動至指定位置，X軸移動用于在抓取物件時進行被抓物件跟隨，避免沖擊。抓取裝置具有旋轉功能，根據被抓物件形狀，調整旋轉角度。抓取后的矸石，被機械系統帶至規定溜槽位置后釋放，然后進行下一個抓取循環。整個煤矸分揀機械系統如圖1所示。

圖1 機械系統

視覺識別圖像標定好矸石坐標信號后傳送給控制器PLC，控制器PLC根據運動邏輯分配抓手機械系統進行相應抓取。Y軸伺服電機5開始給減速機輸入動力，動力傳輸至傳動比恒定的同步帶11[2]，同步帶11帶動Z軸組件2和抓手控制裝置8、抓片組9 移動到程序指定的Y 軸位置。Y 軸位置確定后，等待皮帶線上的矸石，此時旋轉組件7可以根據圖像信號提前旋轉相應角度，方便后序抓取與理想位置偏離一定角度的矸石。待旋轉組件7旋轉一定角度后，進行角度位置鎖死。此時，矸石即將進入抓手的范圍，Z軸伺服電機4開始給減速機輸入動力，動力傳輸給齒條3，齒條3 帶動Z 軸組件2 下移約450 mm，此時被抓矸石已經進入抓片組9 的夾取范圍。抓手控制裝置8 進行夾爪動作，此時X 軸伺服電機6 給減速機輸入動力，帶動關聯部件在X 軸導軌12（直線軸承導軌）上移動[3]，進行速度跟隨，使得抓片組9 與矸石相對靜止開始合爪，避免了矸石對抓片的沖擊。矸石被抓片組9 抓取后，Z軸組件2上升到初始位置，然后Y軸伺服電機帶動Z軸組件2 前往溜槽位置，到達指定位置后，抓片組9 在連桿運動原理上進行抓片張開，此時矸石被釋放進溜槽位置。然后整個機械系統回到初始位置，等待控制器PLC 的下一個動作循環信號。

2 重要設計參數

2.1 Y軸電機和減速機計算

Y 軸運行距離最大跨度1.5 m，從初始位置運行到最遠距離時間需在1.5 s 內，需要對整個Y 軸的機械傳動進行分析，選擇合適的伺服電機和減速機，盡量選擇滿足負載率的伺服電機和減速機。電機的作用對象參數如表1所示，電機的運動速度與位置如表2所示。

表1 Y軸電機作用對象參數

表2 Y軸電機速度與位置

本文選用某1.3 kW 中慣量電機，額定轉速1 500 r/min，額定扭矩8.28 N·m。按照表1和表2的參數輸入仿真，結果顯示：電機負載的實效轉矩為41%（小于80%合格），運行轉矩為19.3%（小于80%合格），最大轉矩為41.4%（少于80%合格）。慣量比為5.7（小于8合格）[4]。此款中慣量伺服電機性能允許偶爾超出額定轉速至2 500 r/min。因負載率低于伺服電機允許值，故選用此伺服電機和減速比為5 的雙軸輸出減速機。

2.2 Z軸電機和減速機計算

Z軸運行距離最大跨度0.49 m從初始位置運行到最遠距離時間需在1.1 s 內，需要對整個Z 軸的機械傳動進行分析，選擇合適的伺服電機和減速機，盡量選擇滿足負載率的伺服電機和減速機。電機的作用對象參數如表3所示，電機的運動速度與位置如表4所示。

表3 Z軸電機作用對象參數

表4 Z軸電機速度與位置

本文選用某1.3 kW 中慣量電機，額定轉速1 500 r/min，額定扭矩8.28 N·m。按照表3和表4的參數輸入仿真，結果顯示：電機負載的實效轉矩為74.5%（小于80%合格），運行轉矩為90%（允許范圍內），最大轉矩為43%（小于80%合格）。慣量比為2.8（小于10合格）[5]。因負載率低于伺服電機允許值，故選用此伺服電機和減速比為9的減速機。

3 重要受力分析

3.1 齒輪齒條強度

本文設計的Z 軸組件與抓取裝置質量約90 kg，按抓取50 kg 矸石計算，齒輪帶動的總質量為140 kg。齒輪強度分析，選用安全系數1.28，齒輪的作用對象質量約180 kg，加速度為2.6 m/s2，抓取矸石克服重力向上，得到T1=85 050 N·mm，齒輪設計系數YF=Yfa×Ysa=2.62×1.59=4.165[6]，齒寬系數為0.53，齒輪傳動比u=1，暫定齒數Z1=25，模數m=3，齒根彎曲系數K=1.3。許用應力σ=650 MPa（齒輪材料為調質淬火鋼），許用應力安全系數為1.2，[σF]=650/1.2=541.6 MPa。進行彎曲疲勞強度計算，如下所示：

將各參數值代入式（1）得：m≥2.72，故選取模數m=3。

3.2 抓片應力

抓片組的抓片是直接與煤矸石撞擊并執行抓取的執行件，由于應用工況比較惡劣，經常受到比較大的沖擊力，故需選擇高強度和高安全系數的材料。本文選取鈦合金材料，牌號為TC4。這種材料在常溫下，抗拉強度能達到861 MPa[7]，屈服強度達744.6 MPa，斷彈性模量113 GPa，泊松比為0.3。設定抓取質量為50 kg 矸石，摩擦因數為0.2，單邊抓片受力1 250 N 便可。因此，對抓片進行有限元靜力分析[8]，結果如圖2 所示。由圖2 可知，抓片受到應力最大為86.71 MPa，遠低于屈服強度744.6 MPa。安全系數最低為8.64。根據應用工況，參考特種裝備安全系數，最低達到6便可。而本設計的安全系數可達8以上，故能應用于所要求的工況。抓片的弧形設計，進一步提高了產品的抓取的牢固性和可靠性。

圖2 應力與安全系數

4 抓手的創新設計

三維空間聯動抓取物件。前、后X 軸通過大功率伺服電機和雙軸輸出減速機帶動同步帶，快速拉動整個垂直Z軸和Y軸移動進行跟隨，使得抓取機構跟隨被抓物件同步運動，在運動過程中平穩抓取移動物件。Z軸垂直方向，采用伺服大功率電機和減速機，輸出動力至齒條，帶動垂直軸上下快速、平穩運動。Z軸帶動抓手裝置實現抓取煤矸動作。抓手裝置帶有旋轉功能，根據識別信息進行角度偏轉，更有效地抓取異形物件。抓片采用鈦合金材料，具有很好的耐磨和抗撞擊能力。

5 結束語

本文采用三維空間機械抓取系統，實現對中大型煤矸石進行自動化分揀，通過評估現場工況，中、大塊煤矸石的三軸抓取機械系統是洗煤廠皮帶分選工藝實現智能化重要部分。本文提出了新型機械煤矸分揀機械系統設計，利用了空間三軸聯動跟蹤原理，根據機械運動學和動力學分析來確認各零部件的選型和設計，并通過三維設計軟件模擬仿真進行驗證。該產品在應用工況的實施情況，證明了該機械系統具有中大塊煤矸石的動態分揀功能，具有一定的安全性和可靠性。