水泥罐內壁機械清理器的設計

劉碧云

（廣東省機械技師學院，廣東 廣州510450）

我國是水泥生產大國，在大型水泥生產企業的生產過程中，水泥庫以其占地小、儲量大、存放可靠、使用期長等特點得以被廣泛采用，如圖1 所示。但受入庫時水泥粉所含水分、空氣中的水分、庫內外溫差及天氣等的影響，水泥庫內壁表面會不可避免地粘結一層硬度不同、薄厚不一的水泥垢。隨著時間推移，水泥垢會越來越厚。有的水泥垢自行脫落后混在水泥粉中，造成下料器堵死，有的甚至在水泥庫中的漏斗上結拱起蓬，使水泥粉無法順利泄出，導致斷料停工停產。為此，企業不得不安排專人進行臨時疏堵或炸拱，甚至定時清庫。而清理作業會使大量水泥粉泄露，浪費極大，而且清理耗時長，對生產效率影響很大。此外，因水泥庫巨大，作業環境惡劣，清理作業危險性大，有極大安全隱患。目前國內水泥庫清理一般采取人工方式，即腰部固定了纜繩的作業人員從庫頂的入孔進入庫中，手持清理工具對庫壁上的水泥垢進行清理。根據對水泥生產企業調查發現，這種作業方式存在以下特點：一是因作業人員需穿戴防護衣、鋼盔和呼吸濾清器等勞保用品，且身體懸掛在半空，導致行動不便，清理不徹底，甚至還會加劇水泥垢再次積聚；二是粉塵濃度高，作業環境惡劣，使作業者患上塵肺的幾率大大增加，且常因粉塵導致視線過差而使作業者之間誤傷，甚至發生上方大塊水泥垢坍塌砸中甚至活埋下方作業者的情況，安全隱患大；三是由于受作業者的工作方式限制，作業效率低，且因該作業為高危作業，人工費用高。因此，水泥庫內壁除垢一直是水泥行業的一大難題。針對以上問題，在借鑒了國內外近年來使用的機械抽打法、爆破法、聲波振擊法、空氣炮法等諸多水泥庫內壁除垢方法后，本文嘗試設計一個能實現對水泥庫內壁自動化除垢的機械清理器。

1 水泥庫機械清理器的工作原理

圖1 水泥庫實物圖

圖2 水泥庫內壁機械清理器的結構圖

圖3 水泥庫內壁機械清理器的裝配圖

圖4 手動定位調整機構結構圖

如圖2 所示，水泥庫內壁機械清理器由手動調整機構、定位臂、定位臂俯仰機構、工作臂、工作臂回轉及俯仰機構等組成。其中，在手動定位調整機構中，由手柄帶動絲杠轉動，實現滑塊沿著絲杠上下移動，最終帶動連桿轉動，使連桿完成00到900的折疊轉動，最終帶動機械臂的其余部分到達作業位置；在定位臂俯仰機構中，由氣缸帶動滑塊上下移動，帶動連桿轉動，使得定位比完成00到900的折疊轉動；而定位臂也是由曲柄滑塊機構組成，以氣缸帶動滑塊上下移動，帶動連桿轉動展開，使得機械臂固定于水泥庫內壁上；在工作臂回轉機構和俯仰機構中，電機通過帶傳動完成絲杠轉動，帶動滑塊移動，使工作臂（連桿）完成00到900的折疊轉動，電機通過齒輪傳動帶動實現工作臂的回轉；兩個工作臂末端分別安裝清理器，通過氣缸實現工作臂伸縮，從而使清理器接觸或離開內壁。

2 水泥庫機械清理器整體結構設計

根據水泥庫內壁水泥垢清理作業流程，清理作業時，需先將機械清理器運送到水泥庫頂端，并從水泥庫頂端入口處放置入水泥庫中，由于考慮防潮等因素，水泥庫入口尺寸一般都較小，因此，在保證功能的基礎上，機械清理器必須盡量使設計結構緊湊。在設計過程中，按照原理圖，先利用繪圖軟件進行整體裝配圖設計，接著根據裝配圖對零件圖進行設計，再運用三維建模方式進行零件建模、裝配，從而發現平面設計中存在的如運動范圍不足、零件相互干涉或結構設計不合理等的問題，進而改進原有設計，最終確定水泥庫內壁水泥垢機械清理器裝配示意圖如圖3 所示。

2.1 手動定位調整機構

手動調整機構具體如圖4 所示，其功能主要通過曲柄滑塊機構得以實現：以手動方式轉動手柄，通過齒輪傳動和螺旋傳動，實現滑塊在豎直方向沿著絲杠上下移動，即利用曲柄滑塊機構完成機械臂的定位和調整，根據再設計確定手動定位調整機構中曲柄滑塊機構安裝形式，通過合理優化設計曲柄滑塊機構各個鉸鏈的位置和各個連接桿的長度，能夠使得手動定位調整機構驅動力小并且結構緊湊。

2.2 其他關鍵結構

2.2.1 定位臂俯仰機構。定位臂俯仰機構主要由滑塊、連桿和定位臂組成曲柄滑塊機構，由氣缸帶動滑塊沿著豎直方向移動，滑塊帶動連桿運動，連桿帶動定位臂轉動，從而使定位臂完成俯仰動作。2.2.2 工作臂回轉及俯仰機構。工作臂回轉及俯仰機構仍是利用由滑塊、連桿和工作臂組成的曲柄連桿機構實現功能，其中電機通過螺旋傳動帶動滑塊沿著豎直方向上下移動，并將運動通過連桿傳遞給工作臂，使工作臂完成轉動，實現工作臂的俯仰動作。

3 水泥庫機械清理器技術特點及應用

3.1 與傳統的水泥垢清理技術相比，使用機械自動化的機械清理器進行水泥庫內壁清理，自身運動相對靈活，對工作環境要求不高，因此能夠相對快速、有效地進行水泥垢清理，具有清理效率高、清理效果好、作業安全性好、作業成本低等特點。

3.2 該設計目前已在廣東粵秀水泥公司、廣東飛鹿水泥公司等企業進行了試用推廣，效果良好。公司反饋水泥庫內壁水泥垢清理效率大大提高，同時，清理能耗降低，且完全消除了工作環境對作業人員的人身危害，所產生的經濟效益和社會效益都非常顯著。

4 機械臂設計改進思考

從經濟效益和社會效益來看，該設計都有十分好的應用推廣價值。根據國內外最新技術進展情況，該設計還可以在兩方面進行改進：

4.1 在清理水泥垢過程中，清理器端會使整個設備產生一定震動，為保證設備正常運行，需要控制清理器端的工作頻率，使其不與設備產生共振。因此，可通過對機械清理器進行模態分析，計算其固有頻率。

4.2 根據目前高壓水射流技術的發展情況，其清理器端可以采用高壓水射流技術，則可變清理為強力清洗，效率、效果會更好。因此，可進行二次開發，將整套高壓水射流清洗槍設備與可自動化作業的機械清理器整合，使機械清理器的工作臂帶動高壓水噴槍進行清理。如果在以上兩方面能持續深入研究，則水泥庫內壁水泥垢機械清理器樣機的研究將會更適用于實際情況，有望進一步提高水泥庫內壁水泥垢清理的作業效率，降低清理能耗，為大中型水泥生產企業乃至類似行業帶來更大經濟效益。