陰極銅垛自動裝車系統專用吊具設計

馮 敏 王勇剛 應 峰 劉望保 黃 維

株洲優瑞科有色裝備有限公司技術部 株洲 412000

0 引言

2020年5月《2020年政府工作報告》中特別指出：要推動國家制造產業鏈的升級，要推動國家新興產業的發展，大幅提高科技創新的支撐能力，拓展5G技術在各個行業的應用等。國家出臺了一系列配套政策推動高端智能再制造的切實落地，在這些政策背景下，有色冶煉行業的技術升級，現代立體倉儲技術的運用，使生產實現自動化、智能化、無人化得到大力發展。

國內外物流行業的飛速發展，企業在貨物的運輸卸料裝車作業中對效率的追求日益迫切[1]，國外在自動裝車卸料系統研發方面走在世界前列。近年來，國內各大設備廠商在貨物自動裝車系統的研發上做了很多嘗試，水泥、糧食等行業都取得了很好的效果。國內外自動裝車卸料采用的設備各有不同，有膠帶輸送機、鏈條輸送機，也有桁架抓手或機器人，還有采用智能起重機等不同方式，應用效果各有不同。

本文主要闡述國內有色冶煉行業陰極銅自動化立體倉庫建設中的全自動卸料裝車系統所需專用吊具的研發，采用智能起重機搭配專用吊具實現自動卸料裝車的作業流程。

1 設計方案與力學分析

陰極銅剝片機組生產出來的銅為合頁銅片，單片質量為160～180 kg，長寬均約1 050 mm，根據貿易稱重規則，每垛陰極銅總質量控制在2.5 t，誤差±50 kg，所以，每垛陰極銅含有13～16片合頁銅，1垛陰極銅的高度大約為300～500 mm，在裝車前陰極銅垛均已用鋼帶打好包。

吊具的應用范圍很廣，結構種類繁多[2]，根據生產節拍要求以及自動起重機的工作頻率，要求吊具一次抓取2垛陰極銅，車輛的寬度在2.5 m以內，考慮同時放下2垛銅后，車輛的寬度空間已顯局促，裝車后2銅垛間的間隙大約為200 mm，留給吊具設計的結構空間僅有100 mm。另外，還要求吊具結構簡單、安全、可靠，綜合考慮以上各種因素，吊具采用連桿夾鉗式結構，吊具夾鉗受力分析如圖1所示。

圖1 吊具夾鉗受力分析

根據力矩平衡原理，夾鉗夾取銅垛時繞鉸點O的力矩須平衡，則有

式中：T為夾鉗夾取銅垛所需的0.5倍提升力，α為連桿拉力與T的夾角，Ff為銅垛與夾鉗間的摩擦力，Fn為夾鉗加緊時銅垛所受正壓力，A為Fn繞鉸點O的扭矩力臂，L為T傳遞給連桿的拉力繞鉸點O的扭矩力臂。

單根連桿傳遞給夾鉗的夾緊力須能夾取銅垛不掉落，則需滿足

式中：G為銅垛質量，K為夾鉗與銅垛間的夾緊系數。

將式（2）、式（3）代入（1）式，得

簡化式（4），求得夾緊系數K為

根據上式計算，調整式中A、B、L、α的值，得到滿足要求的K值，大于1.2即可[3]。得到夾鉗結構尺寸如圖2所示。

圖2 吊具夾鉗結構尺寸

夾鉗夾取銅垛夾臂處在最大的開度時，夾臂結構與銅垛的間距留有50 mm，從動連桿長為350 mm，傳遞連桿與從動連桿的鉸點間距為250 mm。

2 結構設計

根據上面的方案計算和分析，運用Solidworks軟件對吊具結構進行三維建模，得到吊具的結構如圖3所示，確認了整體結構設計的合理性。

從圖3可以看出，吊具通過上安裝架和下安裝架裝在起重機的小車架上，卷揚機上纏繞的鋼絲繩通過與吊具滑輪相連控制吊具的升降。導向架設計有兩級導向結構以適應銅垛裝車高度要求。小車架安裝在吊梁上，吊梁的底部安裝了回轉支撐，實現了吊具夾鉗旋轉功能。回轉支撐安裝了軸編碼器，精確控制吊具的旋轉角度，適應銅垛裝車時的放置方向要求以及車輛停放偏斜的工況。回轉支撐的底部連接中間梁，連桿組通過銷軸安裝在中間梁上，連桿組下方連接吊具的夾鉗，夾鉗的2側設計有安全鉤機構，防治銅垛掉落造成事故。夾鉗、安全鉤的開合均靠氣缸來驅動。夾鉗由1對夾臂組成，共有2對夾鉗，能滿足同時抓取2垛陰極銅的要求。

圖3 吊具結構

3 關鍵部件吊梁強度校核

吊梁作為吊具設計的關鍵結構部件，起到承載吊具大部分質量的作用，其具體結構如圖4所示。

圖4 吊梁結構

為了確保吊梁結構設計的可靠性、合理性，對吊梁進行有限元靜力分析計算[4]。吊梁材質采用Q235，其彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3×105，屈服強度為235 MPa，密度為7.856×103kgm-3。吊梁結構設計總長為1 760 mm，總寬度為812 mm，垂直高度為578 mm，總質量為472 kg。

應用Solidworks Simulation建立吊梁的有限元模型[5]。根據吊梁的結構特點，為了提高有限元分析的效率和準確性，壓縮了不影響分析的各類小孔結構，有效防止了在分析時產生錯誤應力突變造成的計算結果錯誤。利用軟件設置選擇了合適的標準混合網格，生成高品質網格，網格劃分后的有限元模型如圖5所示。網格節總數為128 019個，單元總數為65 989個。

圖5 吊梁有限元模型

對吊梁結構間采用全局接觸，為了模擬出真實的受力狀況，對4個安裝滑輪銷軸孔施加了固定約束，底部安裝回轉支撐的安裝面施加負載力75 000 N，方向為垂直向下。選擇解算器對模型進行運算求解，得到吊梁的應力圖和位移圖，分別如圖6和圖7所示。從圖中可以看出，最大應力值為69.9 MPa，最大位移值為0.271 mm，受力較均勻，結構簡單合理，約有3倍的安全系數值，屬于Q235材料的合理承受范圍，考慮到吊具的高安全可靠性，此安全系數滿足設計要求。

圖6 應力圖

圖7 位移圖

4 結論

本文創新性地設計了一款陰極銅垛自動裝車系統專用吊具，通過力學分析與計算并利用Solidworks軟件對吊具進行了三維建模，確定吊具結構整體設計的合理性；采用Solidworks Simulation有限元分析模塊對關鍵部件吊梁進行了靜力學仿真計算，確認結構設計的合理性、可靠性。該吊具很好地解決了在有限空間內抓取2垛陰極銅裝車作業的問題，且帶旋轉功能，適應車輛停放偏斜的裝車工況。在有色冶煉等行業自動卸料裝車方面有較好的推廣應用價值。