袋裝水泥自動(dòng)雙向分流轉(zhuǎn)向溜槽設(shè)計(jì)與仿真分析

王觀民，張宏洲，周曉光，朱萌，程明峰

1 引言

傳統(tǒng)的袋裝水泥裝車大多采用半自動(dòng)化方式，依賴人工進(jìn)行最后的碼垛裝車。這種方式在裝車過程中容易產(chǎn)生大量的粉塵，對(duì)工人的身體健康有危害，其工作效率也較低。

目前國(guó)際上專業(yè)的裝車方式是利用袋裝水泥自動(dòng)裝車機(jī)器人進(jìn)行裝車，這種方式裝車最快速度可達(dá)3 000 包/h[1]，按每包水泥重50kg 計(jì)，裝車能力為150t/h，工作效率較高。袋裝水泥自動(dòng)裝車機(jī)器人工作中采用兩個(gè)抓手交替裝車，需要將主皮帶機(jī)輸送過來的袋裝水泥按要求分別分流給兩個(gè)抓手。為了滿足此要求，我們配套設(shè)計(jì)了一種袋裝水泥自動(dòng)雙向分流轉(zhuǎn)向溜槽裝置，實(shí)現(xiàn)了袋裝水泥裝車全自動(dòng)化，同時(shí)也滿足了3 000包/h水泥的裝車速度。

2 袋裝水泥自動(dòng)雙向分流轉(zhuǎn)向溜槽裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

袋裝水泥自動(dòng)雙向分流轉(zhuǎn)向溜槽裝置的作用主要是完成袋裝水泥的快速分流。在該設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要是根據(jù)水泥生產(chǎn)工況和裝載要求，重點(diǎn)考慮其實(shí)用性和可靠性。設(shè)備各部分的設(shè)計(jì)及元器件的選用等都遵循實(shí)用性和可靠性原則，確保裝置的正常工作，同時(shí)也保證其具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性[2]。

袋裝水泥自動(dòng)雙向分流轉(zhuǎn)向溜槽裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。該裝置是在線式袋裝水泥自動(dòng)裝車機(jī)器人的起始部件，信號(hào)連接于機(jī)器人總控制器，與袋裝水泥輸送主皮帶機(jī)轉(zhuǎn)彎溜子的設(shè)置相對(duì)應(yīng)。

皮帶機(jī)來料接口板與袋裝水泥輸送主皮帶機(jī)上轉(zhuǎn)彎溜子出料端對(duì)接設(shè)置，固定溜槽向下傾斜設(shè)置在皮帶機(jī)來料接口板外側(cè)，接料隨動(dòng)滾軸設(shè)置在皮帶機(jī)來料接口板和固定溜槽連接處。

導(dǎo)向護(hù)板包括固定護(hù)板和弧形護(hù)板，固定護(hù)板設(shè)置在皮帶機(jī)來料接口板一側(cè)，弧形護(hù)板設(shè)置在與固定護(hù)板相對(duì)一側(cè)的固定溜槽側(cè)邊上。左轉(zhuǎn)向溜槽和右轉(zhuǎn)向溜槽分別傾斜設(shè)置在固定溜槽末端左、右兩側(cè)，左轉(zhuǎn)向溜槽和右轉(zhuǎn)向溜槽中部均設(shè)置有凸起的弧形過渡結(jié)構(gòu)。左擺動(dòng)溜槽和右擺動(dòng)溜槽均通過中間隨動(dòng)滾軸分別與左轉(zhuǎn)向溜槽和右轉(zhuǎn)向溜槽連接，扭簧分別設(shè)置在連接處兩側(cè)的下方，在左擺動(dòng)溜槽和右擺動(dòng)溜槽旋轉(zhuǎn)下放中起緩沖作用。出料隨動(dòng)滾軸分別設(shè)置在左擺動(dòng)溜槽末端和右擺動(dòng)溜槽末端。

分流擺動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置在固定溜槽末端中部，位于左轉(zhuǎn)向溜槽、右轉(zhuǎn)向溜槽之間。分流擺動(dòng)機(jī)構(gòu)包括擺動(dòng)板、隨動(dòng)滾圈、輸出軸、固定法蘭、減速器和伺服電機(jī)。擺動(dòng)板前端為自由端，是與固定溜槽傾斜角度相匹配的板件，擺動(dòng)板位于固定溜槽上方，擺動(dòng)板后端設(shè)置在輸出軸上端。輸出軸垂直設(shè)置在固定溜槽末端的中部，隨動(dòng)滾圈設(shè)置在擺動(dòng)板下側(cè)的輸出軸上，固定法蘭、減速器和伺服電機(jī)依次連接設(shè)置在輸出軸下端。減速器和伺服電機(jī)通過輸出軸驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)板左右擺動(dòng)。

圖1 袋裝水泥自動(dòng)雙向分流轉(zhuǎn)向溜槽裝置結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)包括光電傳感器和控制器。光電傳感器分別設(shè)置在固定溜槽前端兩側(cè)，檢測(cè)袋裝水泥輸送主皮帶機(jī)轉(zhuǎn)彎溜子的來料信號(hào)，將來料信號(hào)發(fā)送至控制器。控制器控制RV減速器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)板快速左右擺動(dòng)。

工作過程中，袋裝水泥在輸送主皮帶機(jī)上經(jīng)電動(dòng)轉(zhuǎn)彎溜子轉(zhuǎn)彎后，進(jìn)入皮帶機(jī)來料接口板；光電傳感器檢測(cè)袋裝水泥輸送主皮帶機(jī)轉(zhuǎn)彎溜子的來料信號(hào)，并將來料信號(hào)發(fā)送至控制器；控制器根據(jù)裝車工藝要求控制RV減速器和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)板快速向左或向右擺動(dòng)。袋裝水泥在固定護(hù)板導(dǎo)向下，沿固定護(hù)板靠自身重力下滑并調(diào)整方向，弧形護(hù)板起到輔助保護(hù)作用，然后經(jīng)過接料隨動(dòng)滾軸向下溜到固定溜槽，有一定斜度的固定溜槽能使袋裝水泥加速下滑并隨擺動(dòng)板下側(cè)的隨動(dòng)滾圈進(jìn)入相應(yīng)的左轉(zhuǎn)向溜槽或右轉(zhuǎn)向溜槽。由于左轉(zhuǎn)向溜槽和右轉(zhuǎn)向溜槽中部有凸起的弧形過渡結(jié)構(gòu)，能使袋裝水泥轉(zhuǎn)彎更加順暢地經(jīng)過中間隨動(dòng)滾軸。分流擺動(dòng)機(jī)構(gòu)見圖2。

左擺動(dòng)溜槽和右擺動(dòng)溜槽可以根據(jù)在線式袋裝水泥自動(dòng)裝車機(jī)器人的裝車斜輥道高度，圍繞中間隨動(dòng)滾軸進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，調(diào)整袋裝水泥出口的高度位置。扭簧在左擺動(dòng)溜槽和右擺動(dòng)溜槽旋轉(zhuǎn)下放中起緩沖作用。袋裝水泥進(jìn)入相應(yīng)的左擺動(dòng)溜槽或右擺動(dòng)溜槽后，經(jīng)出料隨動(dòng)滾軸，可在出口穩(wěn)定下滑到指定位置。

3 袋裝水泥運(yùn)動(dòng)仿真分析

采用離散元軟件Edem 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，如圖3 所示，將袋裝水泥設(shè)定成直徑為90mm 小顆粒模型，在袋裝水泥模型內(nèi)部生成80個(gè)目標(biāo)小顆粒。仿真相關(guān)參數(shù)如表1。

圖2 分流擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖3 袋裝水泥粘結(jié)顆粒運(yùn)動(dòng)仿真分析

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

袋裝水泥右轉(zhuǎn)向見圖4，從圖4可以看出，袋裝水泥進(jìn)入固定溜槽后，由于存在傾斜角度能依靠重力加速下滑，在碰到擺動(dòng)板開始轉(zhuǎn)向的同時(shí)，前段進(jìn)入右轉(zhuǎn)向溜槽，右轉(zhuǎn)向溜槽中部凸起的弧形過渡結(jié)構(gòu)使得袋裝水泥轉(zhuǎn)彎更加順暢地經(jīng)過中間隨動(dòng)滾軸；袋裝水泥在向下滑落的同時(shí)繼續(xù)轉(zhuǎn)向到90°，最后從右擺動(dòng)溜槽快速滑出。袋裝水泥左轉(zhuǎn)向示意圖見圖5，由圖5可以看出，擺動(dòng)板快速擺到另一側(cè)后，袋裝水泥向左轉(zhuǎn)向90°并快速滑出。向左轉(zhuǎn)向的過程與向右轉(zhuǎn)向的過程類似，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

圖4 袋裝水泥右轉(zhuǎn)向

圖5 袋裝水泥左轉(zhuǎn)向

4 結(jié)語

袋裝水泥自動(dòng)雙向分流轉(zhuǎn)向溜槽裝置可使左右分流集中于一體，入口前端只需配置一個(gè)皮帶式電動(dòng)轉(zhuǎn)彎溜子，即可快速將主皮帶機(jī)輸送來的袋裝水泥按要求分流給在線式袋裝水泥自動(dòng)裝車機(jī)器人的兩個(gè)抓手。采用仿真軟件Edem對(duì)袋裝水泥在自動(dòng)雙向分流轉(zhuǎn)向溜槽裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。袋裝水泥自動(dòng)雙向分流轉(zhuǎn)向溜槽裝置已成功應(yīng)用于袋裝水泥自動(dòng)裝車機(jī)器人，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，可滿足裝水泥3 000包/h的裝車速度。