龍門式鋁棒機械手夾取裝置可靠性分析及改進

□ 吳 云 □ 高洪澤 □ 張大維

遼寧忠旺機械設備制造有限公司 遼寧遼陽 111013

1 研究背景

在鋁擠壓機生產線中,鋁棒機械手是一種將料框中的鋁棒運送到鋁棒加熱爐儲料臺的起重吊裝設備。目前常見的鋁棒機械手結構形式有單梁桁架式、雙梁桁架式、龍門式等,可以根據設備布局、生產工況、產品特性等來選擇最為適合的結構形式。

在龍門式機械手的相關研究方面,孫明明[1]研究了稀土生產線高溫爐熔融成品提取裝備,謝嘉亮等[2]分析了龍門式機械手在最不利工況下的靜動態特性,并對結構尺寸進行了優化,劉起宇[3]對吸盤夾取式末端執行機構進行了穩定性分析。

筆者的研究對象龍門式鋁棒機械手是一種使用氣動頂尖夾取鋁棒兩側端面的新型設備。為了使鋁擠壓機生產線能夠長期穩定運行,確保產能,對龍門式鋁棒機械手夾取裝置的可靠性進行了研究,并進行改進,具有重要的現實意義和廣泛的應用前景。

2 龍門式鋁棒機械手概述

2.1 結構

龍門式鋁棒機械手結構如圖1所示,主要由車體、夾取裝置、地軌、料框、料框座等組成。夾取裝置結構如圖2所示。

圖1 龍門式鋁棒機械手結構

圖2 夾取裝置結構

2.2 工作過程

(1) 將裝滿鋁棒的料框吊裝到料框座上,由牽引減速電機、牽引鏈傳動機構驅動車體,移動到料框的待夾取鋁棒位置。

(2) 由起升減速電機、起升鏈傳動機構驅動夾取裝置下降到指定夾棒高度,兩側氣缸同時伸出,使兩側頂尖夾緊鋁棒。之后夾取裝置及鋁棒被起升鏈傳動機構提升至最高位置。

(3) 車體移動,運送鋁棒至上料臺釋放鋁棒位置的上方。

(4) 夾取裝置下降到指定釋放鋁棒高度,兩側氣缸同時縮回,使兩側頂尖松開鋁棒。之后夾取裝置被提升至最高位置,鋁棒自由掉落至上料臺。

重復以上動作,完成整框鋁棒的上料操作后,車體?？吭谏狭吓_位置,等待更換另一個裝滿鋁棒的料框。

3 夾取裝置可靠性分析

3.1 電機性能校驗

起升減速電機的功率或制動轉矩不足,會導致夾取裝置無法提升鋁棒,或者出現溜車現象,所以需要對起升減速電機進行過載和制動轉矩校驗[4]。

起升減速電機過載校驗表達式如下:

F0=πD2p/4

(1)

式中:F0為普通雙作用氣缸在工作壓力下的理論推力,值為2 010.6 N;D為氣缸缸徑,值為80 mm;p為氣缸工作壓力,值為0.4 MPa。

Pm=2F0(μd+2fK)Cf/D1

(2)

式中:Pm為摩擦阻力,值為48.3 N;μ為導向輪軸承摩擦阻力因數,值為0.015;d為導向輪軸徑,值為30 mm;fK為導向輪沿軌道的滾動摩擦力臂,值為0.25 mm;Cf為考慮牽引拖鏈等的附加摩擦阻力因數,值為1.2;D1為導向輪直徑,值為95 mm。

PQ=Pm+PG

(3)

式中:PQ為額定起升載荷,值為3 779.5 N;PG為提升部分的重力,值為3 731.2 N。

(4)

式中:PN為電動機額定功率,值為4 kW;Pd為電動機計算過載功率,值為1.32 kW;H為計算因數,值為2.2;m為電動機數量,值為1;λm為相對應額定功率時的電動機最大轉矩倍數,值為2.3;vq為起升速度,值為0.311 m/s;η為起升機構總傳動效率,值為0.849。

由式(4)可知,起升電動機的功率可以滿足使用要求。

對于起升機構,不宜采用無控制的物體自由下降方式。對此,采用減速制動,原理為將懸掛在空中的正在向下運動的物體減速到停機,或者減速到一個較低的下降速度時實施停機制動。

電磁盤式制動器由一組彈簧施加作用力,并在給制動線圈施加電壓后釋放。一旦出現電壓故障,電動機將自動制動,這是一個重要的安全功能。設計原理采用失電制動,符合基本的安全要求。制動時,摩擦片通過銜鐵被彈簧壓向電動機后蓋,產生制動力矩。放松制動時,定子線圈通直流電,使銜鐵壓縮彈簧,從而在摩擦片與電動機后蓋間產生氣隙,制動解除。由此,夾取裝置的減速制動功能可以由起升減速電機內置的電磁盤式制動器來實現。

電動機制動軸上的制動轉矩校驗表達式為:

(5)

式中:MZN為電動機制動軸上的額定制動轉矩,值為60 N·m;MZ為電動機制動軸上的計算制動轉矩,值為9.93 N·m;KZ為制動安全因數,值為1.5;D2為鏈輪分度圓直徑,值為202.66 mm;i為從電動機制動軸到鏈輪軸的總傳動比,值為49.128。

由式(5)可知,起升電動機的制動轉矩可以滿足使用要求。

3.2 頂尖夾緊力校驗

兩側頂尖在氣缸的作用下夾緊鋁棒,一側頂尖的受力分析如圖3所示。力Q可以分解為軸向力R和垂直于頂尖斜面的力P[5]。

圖3 頂尖受力分析

頂尖夾緊力校核表達式如下:

Q=0.5G

(6)

式中:Q為頂尖所受外力的合力,值為671.05 N;G為鋁棒重力,值為1 342.1 N。

β=arctanf

(7)

式中:β為頂尖結構摩擦角,值為16.70°;f為摩擦副摩擦因數,值為0.3。

R=Qtan(α/2-β)

(8)

式中:R為頂尖所受軸向力,值為221.9 N;α為頂尖錐頂角,值為70°。

F=0.7F0

(9)

式中:F為普通雙作用氣缸的實際推力,值為1 407.4 N。

對比式(8)、式(9)計算結果可知,F大于R,并且有較大的安全裕量,所以頂尖夾緊力可以滿足使用要求。

3.3 鏈條靜強度校驗

在不高于0.6 m/s的低速重載鏈傳動中,鏈條的靜強度是主要影響因素。若仍以典型承載能力圖進行計算,則結果不經濟,因為承載能力圖上的安全因數遠比靜強度安全因數大[6]。

夾取裝置一側鏈條的靜強度校核表達式如下:

Ft=0.5×1 000PN/vq

(10)

式中:Ft為有效圓周力,值為6 430.87 N。

(11)

式中:Fc為離心力引起的拉力,值為0.25 N;q為鏈條單位長度質量,值為2.6 kg/m。

(12)

式中:n為靜強度安全因數,值為8.65;Q1為鏈條極限拉伸載荷,值為55 600 N;f1為工況因數,值為1.0;Ff為懸垂拉力,值為0;np為許用安全因數,值為4～8。

由式(12)可知,鏈條可以滿足使用要求。

3.4 頂尖板靜強度校驗

夾緊板的強度、剛度性能也會直接影響夾取裝置的可靠性。對此,使用SolidWorks軟件建立頂尖板三維實體模型,將其導入ANSYS Workbench軟件進行靜態結構分析。

頂尖板材料為45號鋼,在ANSYS Workbench軟件中定義材料的密度為7 850 kg/m3,彈性模量為200 GPa,泊松比0.3。45號鋼經調質后的屈服強度為355 MPa,抗拉強度為640 MPa[7]。

對頂尖板模型采用六面體網格進行劃分,單元尺寸為2 mm。劃分后,節點數為1 161 863,單元數為299 594,單元質量為0.88,滿足有限元分析的精度要求[8-9]。

為了限制模型的剛體位移,在頂尖板模型的導向桿安裝孔面上應用Fixed Support命令[10]。

為了模擬頂尖板所受的最大外力,在頂尖板模型的頂尖安裝底面上施加Force命令,大小為2 010.6 N。

對頂尖板模型運行Solve命令,得到等效應力云圖、總變形云圖,分別如圖4、圖5所示。

圖4 頂尖板等效應力云圖

圖5 頂尖板總變形云圖

塑性材料的許用應力表達式為:

[σ]=σs/n1

(13)

式中:[σ]為材料許用應力,值為236.7 MPa;σs為

材料屈服強度,值為355 MPa;n1為安全因數,值為1.5。

由圖4可知,頂尖板的最大應力產生在導向桿安裝孔上,這里是頂尖板結構的薄弱部位,但是最大應力45.461 MPa并沒有超過材料的許用應力,表明頂尖板不會因為一次加載而出現斷裂或不允許的殘余變形,并且有較大的安全裕量,可以滿足頻繁加載的疲勞工況要求[11]。

由圖5可知,頂尖板的最大變形產生在頂尖安裝底面上,最大位移不超過0.02 mm,可以滿足頂尖夾取鋁棒兩側端面的安裝要求。

4 氣動系統改進

在正常情況下,電磁閥及氣缸正常工作,氣缸活塞桿伸縮自如。一旦外部氣源突然失壓或氣路出現爆氣管現象,空氣誘導止回閥會立即動作,封死氣路,防止氣腔壓縮空氣外泄,此時氣缸仍然有力,從而起到安全保護作用[12]。由此,為了防止鋁棒突然墜落,在電磁閥和氣缸無桿腔之間的氣路中增加空氣誘導止回閥。改進后的氣動系統原理如圖6所示。

圖6 改進后氣動系統原理

5 故障解決措施

對夾取裝置可能存在的故障現象進行歸納總結,并提出相應的解決措施[13],見表1。

表1 夾取裝置故障解決措施

6 實際應用

龍門式鋁棒機械手在27.5 MN鋁擠壓機生產線上的現場應用情況如圖7所示。兩側頂尖夾取鋁棒,現場試車30 min仍牢固可靠,頂尖板沒有出現損壞和抖動震顫現象。即使切斷氣源供應,夾取裝置也能保證鋁棒不發生墜落,避免安全事故的發生,取得了預期的改進效果。

圖7 龍門式鋁棒機械手現場應用

7 結束語

改進后的龍門式鋁棒機械手已經應用于27.5 MN鋁擠壓機生產線和SUT-310R鋁合金鑄棒超聲波探傷機的自動上下料裝置,市場前景廣闊。安裝使用后,設備運行平穩、無異常。夾取裝置因為沒有使用液壓動力源,可以避免液壓油污染,并且造價更低,在保證安全的同時,提高了設備自動化水平和生產效率。