蔡云， 范虎軍， 趙傳奇

(1.永城職業(yè)學(xué)院，河南 永城476600；2.神火集團(tuán)新莊礦, 河南 永城476600)

0 引 言

碼垛作業(yè)在廠礦企業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位[1-5], 其中炮泥在煤礦開(kāi)采進(jìn)行炮采工作面時(shí)被大量使用。某大型煤礦企業(yè)采用傳統(tǒng)炮泥機(jī)生產(chǎn)，人工切斷、裝箱，作業(yè)時(shí)需頻繁彎腰和重復(fù)勞作，不但勞動(dòng)強(qiáng)度高，而且效率低，且排列不整齊[6]，裝箱率低，整個(gè)過(guò)程至少需要3名工人，迫切要求實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)，如果采用工業(yè)機(jī)器人不但成本高，而且對(duì)于炮泥這種易變形的圓柱形小件，也不易實(shí)現(xiàn)。為了提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，根據(jù)設(shè)備的生產(chǎn)要求設(shè)計(jì)了自動(dòng)碼垛工藝路線，確定了機(jī)構(gòu)尺寸及相對(duì)位置關(guān)系，設(shè)備能以較快的速度進(jìn)行碼垛，完成碼垛工序，整個(gè)炮泥的生產(chǎn)、碼垛的運(yùn)行只需要1個(gè)人就能實(shí)現(xiàn)，從而大大減少了工人的數(shù)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[7-8]。

1 碼垛設(shè)備工作過(guò)程和總體結(jié)構(gòu)

在實(shí)際生產(chǎn)中，許多碼垛機(jī)械手采用的是氣動(dòng)技術(shù)和PLC控制技術(shù)[9-10]，該設(shè)計(jì)也是如此，炮泥運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，觸發(fā)傳感器，傳感器將信號(hào)傳遞到主控制器上，主控制器發(fā)出信號(hào)，控制執(zhí)行裝置動(dòng)作，從而完成碼垛任務(wù)[11-12]。炮泥自動(dòng)碼垛設(shè)備可自動(dòng)完成炮泥切斷、撥入傳送帶、滾靠擋板、推進(jìn)箱體、箱體下降等工序。圖1為設(shè)備總裝圖，主要包括切撥裝置、主體裝置、箱體升降裝置3大部分，由過(guò)渡口、傳送帶、推板、箱體及間歇切撥機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)等組成。其主要工作流程為：炮泥機(jī)擠出炮泥泥坯，炮泥坯達(dá)到需要的尺寸，光電檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)到信號(hào)，切撥機(jī)構(gòu)間歇回轉(zhuǎn)，切斷炮泥并將其撥入過(guò)渡口落入傳送帶，電動(dòng)機(jī)通過(guò)滾筒驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)，托輥支撐傳送帶，炮泥被輸送帶傳送至箱體旁邊的適當(dāng)位置，傳感器檢測(cè)到信號(hào)，傳遞信號(hào)到主控器，主控器控制側(cè)推氣缸，活塞桿推動(dòng)側(cè)板，將多個(gè)炮泥同時(shí)推送至箱體內(nèi)合適位置，設(shè)置這些炮泥數(shù)量剛好布滿箱體一層，通過(guò)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、氣缸等裝置，使盛放炮泥的箱體下移一個(gè)炮泥直徑的高度，如此反復(fù)，裝滿一箱，計(jì)數(shù)報(bào)警器提醒工人換箱，氣缸升至最高點(diǎn)，重復(fù)裝箱，實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作。碼垛速度由裝料速度、炮泥機(jī)設(shè)置等確定，可根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)。

圖1 炮泥碼垛裝置總體裝配圖

2 主要組成裝置的工作原理

2.1 主體構(gòu)架運(yùn)行分析

主體構(gòu)架包括傳動(dòng)裝置和側(cè)推裝置。如圖1所示，傳動(dòng)裝置主要由主體框架、滾筒、承載托輥組、回程托輥組、傳送帶、擋板等零件組成。在傳動(dòng)裝置的前側(cè)安裝有前滾筒，在后側(cè)安裝有后滾筒，前后滾筒之間裝有托輥。炮泥由過(guò)渡口落到稍傾斜的傳送帶上，滾靠在擋板上，經(jīng)傳送帶送至預(yù)定位置，傳感器檢測(cè)到信號(hào)，將信號(hào)傳遞到主控制器上，主控裝置發(fā)出信號(hào)，控制氣缸動(dòng)作，在氣壓的作用下，活塞向側(cè)推板下施加一推力，側(cè)推板快速將炮泥推到指定箱體合適的位置。

2.2 炮泥箱升降裝置工作原理

炮泥箱升降裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由直線導(dǎo)軌、滑塊、炮泥箱底座、氣缸、氣缸支撐板等零部件組成。炮泥箱限位板起限定箱子位置作用，保證每次箱體都放置在準(zhǔn)確位置，側(cè)推裝置將炮泥推進(jìn)箱，氣缸行程固定。工作時(shí)傳感器檢測(cè)到需要推進(jìn)炮泥的信號(hào)，將信號(hào)傳遞到主控制器上，主控裝置發(fā)出命令，控制側(cè)推板氣缸動(dòng)作，隨后側(cè)推板返回原位置，推箱氣缸3帶動(dòng)箱體下降一個(gè)炮泥直徑尺寸的高度，到達(dá)合適位置。重復(fù)動(dòng)作，當(dāng)箱體內(nèi)儲(chǔ)量達(dá)到一定數(shù)量和高度后，計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)警，更換箱體。

2.3 切撥裝置結(jié)構(gòu)及運(yùn)行分析

切撥裝置安裝在主體架平臺(tái)與炮泥坯支撐臺(tái)之間的支撐架上（如圖1）。切撥裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，炮泥坯支撐臺(tái)左右兩側(cè)分別設(shè)有側(cè)擋板，兩片側(cè)擋板呈V形，形成可以放置泥條的槽。切撥裝置主要由4 把切斷刀、4個(gè)撥齒和傳動(dòng)軸組成。在傳動(dòng)軸周向上均布4 把切泥刀，4個(gè)撥齒沿周向均布，滯后撥齒45°，其截面為弧形撥桿狀。炮泥從炮泥機(jī)生產(chǎn)出來(lái)，到達(dá)炮泥坯支撐平臺(tái)，在炮泥坯支撐臺(tái)的前方設(shè)有光電檢測(cè)機(jī)構(gòu)，炮泥坯達(dá)到需要的尺寸，光電檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)到信號(hào)，傳輸給主控器，主控器控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使切撥軸轉(zhuǎn)動(dòng)1/4周，切泥刀的鋼絲條沿中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)將炮泥切斷，隨后撥齒將炮泥撥離炮泥支撐平臺(tái)，落入傳送帶。

圖2 炮泥箱升降裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 切撥裝置

3 主要技術(shù)參數(shù)分析

3.1 傳送帶尺寸及安裝位置

安息角對(duì)于膠帶輸送機(jī)的參數(shù)計(jì)算具有重要的意義[13]。炮泥從炮泥機(jī)出來(lái)，落入傳送帶，能沿皮帶的斜坡滾下，既能保證炮泥緊挨防滑擋板或已排列炮泥，又能讓炮泥不至于滾動(dòng)過(guò)快撞擊已經(jīng)排好的炮泥或擋板而損傷，因此令傳送帶傾斜角度稍大于安息角，炮泥下落到皮帶上平穩(wěn)下滾，從而保證炮泥能緊密有序排列。在膠帶輸送機(jī)中，輸送帶的傾角取決于被輸送的物料與輸送帶之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)[14]。炮泥在皮帶上是滾動(dòng)摩擦，炮泥在自重的作用下滾動(dòng)，根據(jù)中心動(dòng)力滾動(dòng)摩擦因數(shù)的計(jì)算公式[15]為

將黏土的彈性模量E=4.4 MPa，黏土的抗壓強(qiáng)度σbc=0.28 MPa, 代入式（1），計(jì)算滾動(dòng)摩擦因數(shù)fHG=0.0008。根據(jù)最大滾動(dòng)摩擦力偶矩公式Mmax=NfHG得，Mgsin θ×0.0185=mgcos θ×0.008，求出tan θ=0.043，θ≈2.47°，該設(shè)計(jì)設(shè)置皮帶實(shí)際傾斜角θ取為2.5°。

3.2 側(cè)推板、箱體底座尺寸

炮泥尺寸：直徑為φ37 mm，長(zhǎng)度為150 mm，考慮到單邊需要留出一定的余量，皮帶的寬度為160 mm，長(zhǎng)度為1900 mm。防止炮泥發(fā)生偏斜的固定在皮帶上的防滑擋塊寬為5 mm，高為5 mm，擋塊長(zhǎng)度取100 mm。為了保證平穩(wěn)的將炮泥推進(jìn)炮泥箱體中，采用兩個(gè)氣缸和兩個(gè)側(cè)推板每次推10根炮泥，所以推板高為30 mm，寬為180 mm。安裝時(shí)箱體末端距前端滾筒中心距為755 mm，箱體、推板和傳送帶之間需要留有小間隙，設(shè)置為2 mm，側(cè)推板行程取165 mm，加上慣性作用，炮泥會(huì)完全整齊地進(jìn)入箱體。

根據(jù)炮泥尺寸，箱體容長(zhǎng)為389 mm，容寬為160 mm，容高為380 mm，箱體厚為2 mm，考慮箱體的定位準(zhǔn)確性、裝取方便性，箱體底座長(zhǎng)為395 mm，寬為162 mm。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的炮泥碼垛設(shè)備是一種新穎、實(shí)用的新型碼垛專用設(shè)備，能夠完成易變形的小型圓柱件的拾取與裝箱問(wèn)題，省去了一根一根地拾取、擺放等繁重的體力勞動(dòng)，與炮泥機(jī)聯(lián)合使用完成炮泥生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化問(wèn)題，具有很好的市場(chǎng)前景。該炮泥碼垛設(shè)備具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì):1）由于各個(gè)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作都是通過(guò)自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，工人對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作即可完成任務(wù)，大大減少工人數(shù)量，降低生產(chǎn)成本和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；2）該裝置簡(jiǎn)單合理，同傳統(tǒng)的碼垛機(jī)械手相比,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作效率高；3）各個(gè)裝置的動(dòng)作基本都是通過(guò)氣動(dòng)裝置來(lái)完成，低碳環(huán)保。