錨索防開散壓環(huán)裝置研究

＊王軍 崔闖闖* 楊東東 李東奇 齊敦磊 盛汝東

（1.崇信新鵬機(jī)械制造有限公司 甘肅 744200 2.江蘇徐礦能源股份有限公司物資供銷分公司 江蘇 221000）

礦用錨索用于煤礦井巷圍巖加固的裝置，由鋼絞線、錨具和其他附件組成[1]。錨索支護(hù)的原理與錨桿支護(hù)基本相同，是作為巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)的手段，主要是懸吊作用原理[2]。平?jīng)鲂掳裁簶I(yè)井下地質(zhì)條件復(fù)雜，屬于軟巖結(jié)構(gòu)，巷道易變形。由于井下掘進(jìn)過程中壓力大、頂板破碎，錨桿在反復(fù)力作用下，會發(fā)生整體斷裂情況，錨索在這種情況下會出現(xiàn)單根鋼絲斷裂，仍能夠有效保證井下支護(hù)安全。錨索的長度比錨桿大的多,所形成的錨固平衡拱比錨桿錨固平衡拱的承載力要大很多，完全能錨固到穩(wěn)定的巖層中，有效控制巷道頂板離層、跨落[3]。新安煤業(yè)支護(hù)方式為“錨固劑+錨索+菱形網(wǎng)+鋼帶梁+托盤+錨索鎖具”，錨索作為井下支護(hù)的主要材料，每年約需12萬根錨索。

目前，錨索的生產(chǎn)工藝一般要經(jīng)過定尺、切割、搬運(yùn)等工序加工而成。為了避免在運(yùn)輸或者安裝過程中造成錨索鋼絞線開散問題，在出廠前進(jìn)行壓環(huán)工藝。為實(shí)現(xiàn)錨索加工的高效、穩(wěn)定、安全，特研制了錨索防開散壓環(huán)裝置。錨索防開散壓環(huán)裝置由振動盤輸料機(jī)構(gòu)、直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、料槽機(jī)構(gòu)、壓環(huán)機(jī)構(gòu)等部件組成，實(shí)現(xiàn)錨索輸送、定尺、壓環(huán)、剪切、下料自動一體化運(yùn)行。

1.錨索防開散壓環(huán)工藝過程

錨索防開散壓環(huán)工藝為：先啟動振動盤，將壓環(huán)經(jīng)輸送管準(zhǔn)確地輸送到等待區(qū)內(nèi)，當(dāng)料不足傳感器檢測到信號，延遲20s，振動盤停止工作，當(dāng)料不足傳感器檢測不到信號保持3s后，啟動振動盤。當(dāng)料不足傳感器檢測到信號正確后，驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過絲桿帶動滑動塊將機(jī)械手機(jī)構(gòu)移動至輸送管等待區(qū)上方后，伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。機(jī)械手機(jī)構(gòu)的升降氣缸下降，夾抓氣缸動作，夾抓氣缸上的弧形壓緊爪夾住壓環(huán)，升降氣缸上升，旋轉(zhuǎn)擺臺順時針90°旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，移動至與壓環(huán)機(jī)構(gòu)點(diǎn)1電磁鐵為一條平行線時，停止轉(zhuǎn)動，伸縮氣缸伸出，升降氣缸下降，夾抓氣缸動作，松開壓環(huán)，點(diǎn)1電磁鐵吸合，依次將壓環(huán)從輸送管等待區(qū)放至壓環(huán)機(jī)構(gòu)點(diǎn)2電磁鐵、點(diǎn)3電磁鐵、點(diǎn)4電磁鐵后，升降氣缸上升。把放線盤（現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，圖中未畫出）上的錨索引出穿過異型機(jī)構(gòu)，進(jìn)入輸送機(jī)構(gòu)內(nèi)，驅(qū)動輸送機(jī)構(gòu)的輸送電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使錨索輸送，旋轉(zhuǎn)編碼器將實(shí)際輸送值反饋至控制器。錨索依此穿過點(diǎn)4電磁鐵、點(diǎn)3電磁鐵、點(diǎn)2電磁鐵、點(diǎn)1電磁鐵上的壓環(huán)后，輸送到指定位置之后輸送電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，點(diǎn)1電磁鐵不吸合，壓緊液壓缸伸出動作，將壓環(huán)緊緊壓在錨索上，壓緊液壓缸縮回。輸送機(jī)構(gòu)的輸送電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再次到達(dá)指定位置后停止運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，移動至與點(diǎn)2電磁鐵為一條平行線時，停止移動，點(diǎn)2電磁鐵不吸合，升降氣缸下降，夾抓氣缸動作，夾緊壓環(huán)，驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，將壓環(huán)移動至與點(diǎn)1電磁鐵為一條平行線時，驅(qū)動伺服電機(jī)停止，壓緊液壓缸伸出動作，將壓環(huán)緊緊壓在錨索上，壓緊液壓缸縮回。依此類推將點(diǎn)3電磁鐵、點(diǎn)4電磁鐵處的壓環(huán)移動至點(diǎn)1電磁鐵處，輸送機(jī)構(gòu)的輸送電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，分別到達(dá)指定位置后再停止運(yùn)轉(zhuǎn)，壓環(huán)全部完成擠壓后，機(jī)械手機(jī)構(gòu)的升降氣缸上升，旋轉(zhuǎn)擺臺逆時針90°旋轉(zhuǎn)，伸縮氣缸縮回，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，將機(jī)械手機(jī)構(gòu)移動至輸送管等待區(qū)上方后，停止運(yùn)轉(zhuǎn)。輸送機(jī)構(gòu)的切割機(jī)（切割機(jī)在壓緊液壓缸相鄰的盒體內(nèi)，盒體擋著切割機(jī)，故圖1未顯示出切割機(jī)）啟動，切割錨索，切割完成后，翻料氣缸動作使翻板相對于擋板旋轉(zhuǎn)，錨索滑落在物料架上。依此往復(fù)即可完成錨索自動輸送、自動定尺、自動壓環(huán)、自動剪切、自動下料操作。

圖1 錨索防開散壓環(huán)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.錨索防開散壓環(huán)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

錨索防開散壓環(huán)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)振動盤輸料機(jī)構(gòu)

振動盤輸料機(jī)構(gòu)由振動盤、輸送管等部件構(gòu)成[4]。振動盤出口連接輸送管，振動盤將壓環(huán)有序整齊一致排列后輸出到輸送管，輸送管前段為壓環(huán)等待區(qū)，在輸送管前端設(shè)有料不足傳感器，料不足傳感器用于檢測壓環(huán)是否在預(yù)設(shè)位置。

(2)直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)

直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)由滑動塊、絲桿、固定臺、伺服電機(jī)、聯(lián)軸器等部件構(gòu)成。直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)在輸送管旁側(cè)，固定臺連接伺服電機(jī)、聯(lián)軸器，伺服電機(jī)連接聯(lián)軸器，聯(lián)軸器連接絲桿，絲桿兩端通過軸承固定在固定臺上部，固定臺上部還連接有兩根滑桿，滑桿、絲桿連接滑動塊，絲桿與滑動塊螺紋連接，滑桿與滑動塊滑動連接，滑動塊做直線往復(fù)運(yùn)動，滑動塊側(cè)壁連接有機(jī)械手機(jī)構(gòu)。伺服電機(jī)是一種線性或旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，為閉環(huán)位置控制應(yīng)用提供快速精確的位置控制[5]。伺服電機(jī)由伺服驅(qū)動器驅(qū)動，通過絲桿帶動滑動塊沿直線滑桿往復(fù)運(yùn)動，從而帶動機(jī)械手機(jī)構(gòu)做往復(fù)直線運(yùn)動。

(3)機(jī)械手機(jī)構(gòu)

機(jī)械手機(jī)構(gòu)由伸縮氣缸、旋轉(zhuǎn)擺臺、升降氣缸、夾抓氣缸等部件構(gòu)成。伸縮氣缸與滑動塊連接，伸縮氣缸氣動方向?yàn)闄M向，伸縮氣缸推桿頂部固定連接板，伸縮氣缸用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)擺臺、升降氣缸、夾抓氣缸伸出或縮回。旋轉(zhuǎn)擺臺通過連接板與伸縮氣缸相連接，旋轉(zhuǎn)擺臺之下是固定的升降氣缸，旋轉(zhuǎn)擺臺用于驅(qū)動升降氣缸、夾抓氣缸順時針或者逆時針90°旋轉(zhuǎn)。升降氣缸推桿頂部固定連接板，升降氣缸用于驅(qū)動夾抓氣缸上升或下降。夾抓氣缸通過連接板與升降氣缸相連接。弧形壓緊爪用于在指定位置抓取或者放下壓環(huán)。機(jī)械手機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)升降、伸縮、加緊松開、旋轉(zhuǎn)等功能，整體結(jié)構(gòu)安裝在滑動塊上。直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)與機(jī)械手機(jī)構(gòu)結(jié)合能實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸方向的運(yùn)動，驅(qū)動機(jī)械手機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)定位到指定位置抓取壓環(huán)，把抓到的壓環(huán)放置到指定的位置。

(4)輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)編碼器、輸送電機(jī)、異型機(jī)構(gòu)、切割機(jī)等部件構(gòu)成。光電式旋轉(zhuǎn)編碼器通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出[6]。旋轉(zhuǎn)編碼器將實(shí)際輸送值反饋至控制器，使壓環(huán)機(jī)構(gòu)按照固定尺寸進(jìn)行壓環(huán)，到達(dá)切割位置后，驅(qū)動氣割機(jī)進(jìn)行切割下料。輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)口側(cè)設(shè)有異型機(jī)構(gòu)，異型機(jī)構(gòu)是一口大、一口小的變徑管。異型機(jī)構(gòu)作用是控制好錨索輸送方向，以防止驅(qū)動時錨索線脫軌。切割機(jī)固定在底座，鄰近輸送機(jī)構(gòu)出口側(cè)，用來切割錨索。輸送機(jī)構(gòu)設(shè)在輸送管前方，輸送機(jī)構(gòu)用于輸送、定尺、切斷錨索。輸送機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輸送機(jī)構(gòu)示意圖

(5)壓環(huán)機(jī)構(gòu)

壓環(huán)機(jī)構(gòu)由點(diǎn)1電磁鐵、點(diǎn)2電磁鐵、點(diǎn)3電磁鐵、點(diǎn)4電磁鐵、斜塊、凹槽、壓緊液壓缸等部件構(gòu)成。凹槽開口朝上。點(diǎn)1電磁鐵、點(diǎn)2電磁鐵、點(diǎn)3電磁鐵、點(diǎn)4電磁鐵均安裝固定在凹槽內(nèi)，按照固定間距排列。斜塊固定在凹槽內(nèi)，且點(diǎn)1電磁鐵前方、點(diǎn)4電磁鐵后方各設(shè)一個斜塊。凹槽固定在輸送機(jī)構(gòu)上，防止錨索跑偏。斜塊主要用于支撐錨索在輸送中不與電磁鐵上的壓環(huán)相貼（如果相貼，夾抓氣缸夾著壓環(huán)移動時，會受到摩擦阻力，壓環(huán)移動會受阻），不相貼的設(shè)計(jì)使得壓環(huán)在被夾持移動時無阻力，避免壓環(huán)移動過程中伺服電機(jī)出現(xiàn)過載情況。點(diǎn)1電磁鐵、點(diǎn)2電磁鐵、點(diǎn)3電磁鐵、點(diǎn)4電磁鐵位置固定在凹槽上，主要用來吸住壓環(huán)，使錨索穿過壓環(huán)后輸送時，不使壓環(huán)隨意移動位置。壓緊液壓缸設(shè)在錨索兩側(cè)，壓緊液壓缸伸縮桿末端設(shè)有弧形壓緊爪，壓緊液壓缸伸縮方向?yàn)闄M向，兩側(cè)的弧形壓緊爪相對移動將壓環(huán)與錨索壓緊。

(6)料槽機(jī)構(gòu)

料槽機(jī)構(gòu)由物料架、翻料氣缸、擋板、翻板、合頁等部件構(gòu)成。料槽機(jī)構(gòu)設(shè)在輸送機(jī)構(gòu)之后，用于承接被剪斷的錨索。物料架是用來存放已固定有壓環(huán)的錨索，同時起到支撐固定作用。擋板固定在物料架上，用來限制錨索活動范圍。擋板通過合頁鉸接翻板，翻料氣缸固定在物料架上，翻料氣缸的推桿頂部連接翻板，通過翻料氣缸使翻板相對于擋板旋轉(zhuǎn)，錨索從翻板滾落。進(jìn)一步的將物料架下部設(shè)置為L形結(jié)構(gòu)，用于阻擋錨索，使錨索聚集。

3.控制與反饋系統(tǒng)

控制與反饋系統(tǒng)由一臺西門子S7-200 SMART PLC、電磁閥、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器、傳感器等構(gòu)成。西門子S7-200 Smart系列PLC控制器作為西門子PLC控制系統(tǒng)中的經(jīng)典產(chǎn)品，其在小型控制系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛[7]。PLC控制流程如圖3所示。

圖3 PLC控制流程圖

4.結(jié)語

錨索防開散壓環(huán)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)錨索的自送輸送、自定定尺、自動壓環(huán)、自動剪切、自動下料等功能，減輕職工的勞動強(qiáng)度，降低安全風(fēng)險，提高生產(chǎn)效率，保障錨索在運(yùn)輸過程中不因外部力量導(dǎo)致開散問題。