龙门式铝棒机械手夹取装置可靠性分析及改进

□ 吴 云 □ 高洪泽 □ 张大维

辽宁忠旺机械设备制造有限公司 辽宁辽阳 111013

1 研究背景

在铝挤压机生产线中,铝棒机械手是一种将料框中的铝棒运送到铝棒加热炉储料台的起重吊装设备。目前常见的铝棒机械手结构形式有单梁桁架式、双梁桁架式、龙门式等,可以根据设备布局、生产工况、产品特性等来选择最为适合的结构形式。

在龙门式机械手的相关研究方面,孙明明[1]研究了稀土生产线高温炉熔融成品提取装备,谢嘉亮等[2]分析了龙门式机械手在最不利工况下的静动态特性,并对结构尺寸进行了优化,刘起宇[3]对吸盘夹取式末端执行机构进行了稳定性分析。

笔者的研究对象龙门式铝棒机械手是一种使用气动顶尖夹取铝棒两侧端面的新型设备。为了使铝挤压机生产线能够长期稳定运行,确保产能,对龙门式铝棒机械手夹取装置的可靠性进行了研究,并进行改进,具有重要的现实意义和广泛的应用前景。

2 龙门式铝棒机械手概述

2.1 结构

龙门式铝棒机械手结构如图1所示,主要由车体、夹取装置、地轨、料框、料框座等组成。夹取装置结构如图2所示。

图1 龙门式铝棒机械手结构

图2 夹取装置结构

2.2 工作过程

(1) 将装满铝棒的料框吊装到料框座上,由牵引减速电机、牵引链传动机构驱动车体,移动到料框的待夹取铝棒位置。

(2) 由起升减速电机、起升链传动机构驱动夹取装置下降到指定夹棒高度,两侧气缸同时伸出,使两侧顶尖夹紧铝棒。之后夹取装置及铝棒被起升链传动机构提升至最高位置。

(3) 车体移动,运送铝棒至上料台释放铝棒位置的上方。

(4) 夹取装置下降到指定释放铝棒高度,两侧气缸同时缩回,使两侧顶尖松开铝棒。之后夹取装置被提升至最高位置,铝棒自由掉落至上料台。

重复以上动作,完成整框铝棒的上料操作后,车体停靠在上料台位置,等待更换另一个装满铝棒的料框。

3 夹取装置可靠性分析

3.1 电机性能校验

起升减速电机的功率或制动转矩不足,会导致夹取装置无法提升铝棒,或者出现溜车现象,所以需要对起升减速电机进行过载和制动转矩校验[4]。

起升减速电机过载校验表达式如下:

F0=πD2p/4

(1)

式中:F0为普通双作用气缸在工作压力下的理论推力,值为2 010.6 N;D为气缸缸径,值为80 mm;p为气缸工作压力,值为0.4 MPa。

Pm=2F0(μd+2fK)Cf/D1

(2)

式中:Pm为摩擦阻力,值为48.3 N;μ为导向轮轴承摩擦阻力因数,值为0.015;d为导向轮轴径,值为30 mm;fK为导向轮沿轨道的滚动摩擦力臂,值为0.25 mm;Cf为考虑牵引拖链等的附加摩擦阻力因数,值为1.2;D1为导向轮直径,值为95 mm。

PQ=Pm+PG

(3)

式中:PQ为额定起升载荷,值为3 779.5 N;PG为提升部分的重力,值为3 731.2 N。

(4)

式中:PN为电动机额定功率,值为4 kW;Pd为电动机计算过载功率,值为1.32 kW;H为计算因数,值为2.2;m为电动机数量,值为1;λm为相对应额定功率时的电动机最大转矩倍数,值为2.3;vq为起升速度,值为0.311 m/s;η为起升机构总传动效率,值为0.849。

由式(4)可知,起升电动机的功率可以满足使用要求。

对于起升机构,不宜采用无控制的物体自由下降方式。对此,采用减速制动,原理为将悬挂在空中的正在向下运动的物体减速到停机,或者减速到一个较低的下降速度时实施停机制动。

电磁盘式制动器由一组弹簧施加作用力,并在给制动线圈施加电压后释放。一旦出现电压故障,电动机将自动制动,这是一个重要的安全功能。设计原理采用失电制动,符合基本的安全要求。制动时,摩擦片通过衔铁被弹簧压向电动机后盖,产生制动力矩。放松制动时,定子线圈通直流电,使衔铁压缩弹簧,从而在摩擦片与电动机后盖间产生气隙,制动解除。由此,夹取装置的减速制动功能可以由起升减速电机内置的电磁盘式制动器来实现。

电动机制动轴上的制动转矩校验表达式为:

(5)

式中:MZN为电动机制动轴上的额定制动转矩,值为60 N·m;MZ为电动机制动轴上的计算制动转矩,值为9.93 N·m;KZ为制动安全因数,值为1.5;D2为链轮分度圆直径,值为202.66 mm;i为从电动机制动轴到链轮轴的总传动比,值为49.128。

由式(5)可知,起升电动机的制动转矩可以满足使用要求。

3.2 顶尖夹紧力校验

两侧顶尖在气缸的作用下夹紧铝棒,一侧顶尖的受力分析如图3所示。力Q可以分解为轴向力R和垂直于顶尖斜面的力P[5]。

图3 顶尖受力分析

顶尖夹紧力校核表达式如下:

Q=0.5G

(6)

式中:Q为顶尖所受外力的合力,值为671.05 N;G为铝棒重力,值为1 342.1 N。

β=arctanf

(7)

式中:β为顶尖结构摩擦角,值为16.70°;f为摩擦副摩擦因数,值为0.3。

R=Qtan(α/2-β)

(8)

式中:R为顶尖所受轴向力,值为221.9 N;α为顶尖锥顶角,值为70°。

F=0.7F0

(9)

式中:F为普通双作用气缸的实际推力,值为1 407.4 N。

对比式(8)、式(9)计算结果可知,F大于R,并且有较大的安全裕量,所以顶尖夹紧力可以满足使用要求。

3.3 链条静强度校验

在不高于0.6 m/s的低速重载链传动中,链条的静强度是主要影响因素。若仍以典型承载能力图进行计算,则结果不经济,因为承载能力图上的安全因数远比静强度安全因数大[6]。

夹取装置一侧链条的静强度校核表达式如下:

Ft=0.5×1 000PN/vq

(10)

式中:Ft为有效圆周力,值为6 430.87 N。

(11)

式中:Fc为离心力引起的拉力,值为0.25 N;q为链条单位长度质量,值为2.6 kg/m。

(12)

式中:n为静强度安全因数,值为8.65;Q1为链条极限拉伸载荷,值为55 600 N;f1为工况因数,值为1.0;Ff为悬垂拉力,值为0;np为许用安全因数,值为4～8。

由式(12)可知,链条可以满足使用要求。

3.4 顶尖板静强度校验

夹紧板的强度、刚度性能也会直接影响夹取装置的可靠性。对此,使用SolidWorks软件建立顶尖板三维实体模型,将其导入ANSYS Workbench软件进行静态结构分析。

顶尖板材料为45号钢,在ANSYS Workbench软件中定义材料的密度为7 850 kg/m3,弹性模量为200 GPa,泊松比0.3。45号钢经调质后的屈服强度为355 MPa,抗拉强度为640 MPa[7]。

对顶尖板模型采用六面体网格进行划分,单元尺寸为2 mm。划分后,节点数为1 161 863,单元数为299 594,单元质量为0.88,满足有限元分析的精度要求[8-9]。

为了限制模型的刚体位移,在顶尖板模型的导向杆安装孔面上应用Fixed Support命令[10]。

为了模拟顶尖板所受的最大外力,在顶尖板模型的顶尖安装底面上施加Force命令,大小为2 010.6 N。

对顶尖板模型运行Solve命令,得到等效应力云图、总变形云图,分别如图4、图5所示。

图4 顶尖板等效应力云图

图5 顶尖板总变形云图

塑性材料的许用应力表达式为:

[σ]=σs/n1

(13)

式中:[σ]为材料许用应力,值为236.7 MPa;σs为

材料屈服强度,值为355 MPa;n1为安全因数,值为1.5。

由图4可知,顶尖板的最大应力产生在导向杆安装孔上,这里是顶尖板结构的薄弱部位,但是最大应力45.461 MPa并没有超过材料的许用应力,表明顶尖板不会因为一次加载而出现断裂或不允许的残余变形,并且有较大的安全裕量,可以满足频繁加载的疲劳工况要求[11]。

由图5可知,顶尖板的最大变形产生在顶尖安装底面上,最大位移不超过0.02 mm,可以满足顶尖夹取铝棒两侧端面的安装要求。

4 气动系统改进

在正常情况下,电磁阀及气缸正常工作,气缸活塞杆伸缩自如。一旦外部气源突然失压或气路出现爆气管现象,空气诱导止回阀会立即动作,封死气路,防止气腔压缩空气外泄,此时气缸仍然有力,从而起到安全保护作用[12]。由此,为了防止铝棒突然坠落,在电磁阀和气缸无杆腔之间的气路中增加空气诱导止回阀。改进后的气动系统原理如图6所示。

图6 改进后气动系统原理

5 故障解决措施

对夹取装置可能存在的故障现象进行归纳总结,并提出相应的解决措施[13],见表1。

表1 夹取装置故障解决措施

6 实际应用

龙门式铝棒机械手在27.5 MN铝挤压机生产线上的现场应用情况如图7所示。两侧顶尖夹取铝棒,现场试车30 min仍牢固可靠,顶尖板没有出现损坏和抖动震颤现象。即使切断气源供应,夹取装置也能保证铝棒不发生坠落,避免安全事故的发生,取得了预期的改进效果。

图7 龙门式铝棒机械手现场应用

7 结束语

改进后的龙门式铝棒机械手已经应用于27.5 MN铝挤压机生产线和SUT-310R铝合金铸棒超声波探伤机的自动上下料装置,市场前景广阔。安装使用后,设备运行平稳、无异常。夹取装置因为没有使用液压动力源,可以避免液压油污染,并且造价更低,在保证安全的同时,提高了设备自动化水平和生产效率。