炮泥码垛设备的设计与研究

蔡云， 范虎军， 赵传奇

(1.永城职业学院，河南 永城476600；2.神火集团新庄矿, 河南 永城476600)

0 引 言

码垛作业在厂矿企业生产中占有重要的地位[1-5], 其中炮泥在煤矿开采进行炮采工作面时被大量使用。某大型煤矿企业采用传统炮泥机生产，人工切断、装箱，作业时需频繁弯腰和重复劳作，不但劳动强度高，而且效率低，且排列不整齐[6]，装箱率低，整个过程至少需要3名工人，迫切要求实现机械化和自动化生产，如果采用工业机器人不但成本高，而且对于炮泥这种易变形的圆柱形小件，也不易实现。为了提高生产效率，降低生产成本，根据设备的生产要求设计了自动码垛工艺路线，确定了机构尺寸及相对位置关系，设备能以较快的速度进行码垛，完成码垛工序，整个炮泥的生产、码垛的运行只需要1个人就能实现，从而大大减少了工人的数量，降低了工人的劳动强度，具有显著的经济和实际应用价值[7-8]。

1 码垛设备工作过程和总体结构

在实际生产中，许多码垛机械手采用的是气动技术和PLC控制技术[9-10]，该设计也是如此，炮泥运动到预定位置时，触发传感器，传感器将信号传递到主控制器上，主控制器发出信号，控制执行装置动作，从而完成码垛任务[11-12]。炮泥自动码垛设备可自动完成炮泥切断、拨入传送带、滚靠挡板、推进箱体、箱体下降等工序。图1为设备总装图，主要包括切拨装置、主体装置、箱体升降装置3大部分，由过渡口、传送带、推板、箱体及间歇切拨机构、电控系统等组成。其主要工作流程为：炮泥机挤出炮泥泥坯，炮泥坯达到需要的尺寸，光电检测机构检测到信号，切拨机构间歇回转，切断炮泥并将其拨入过渡口落入传送带，电动机通过滚筒驱动传送带运转，托辊支撑传送带，炮泥被输送带传送至箱体旁边的适当位置，传感器检测到信号，传递信号到主控器，主控器控制侧推气缸，活塞杆推动侧板，将多个炮泥同时推送至箱体内合适位置，设置这些炮泥数量刚好布满箱体一层，通过导轨机构、气缸等装置，使盛放炮泥的箱体下移一个炮泥直径的高度，如此反复，装满一箱，计数报警器提醒工人换箱，气缸升至最高点，重复装箱，实现各机构之间的协调动作。码垛速度由装料速度、炮泥机设置等确定，可根据生产需要调节。

图1 炮泥码垛装置总体装配图

2 主要组成装置的工作原理

2.1 主体构架运行分析

主体构架包括传动装置和侧推装置。如图1所示，传动装置主要由主体框架、滚筒、承载托辊组、回程托辊组、传送带、挡板等零件组成。在传动装置的前侧安装有前滚筒，在后侧安装有后滚筒，前后滚筒之间装有托辊。炮泥由过渡口落到稍倾斜的传送带上，滚靠在挡板上，经传送带送至预定位置，传感器检测到信号，将信号传递到主控制器上，主控装置发出信号，控制气缸动作，在气压的作用下，活塞向侧推板下施加一推力，侧推板快速将炮泥推到指定箱体合适的位置。

2.2 炮泥箱升降装置工作原理

炮泥箱升降装置结构如图2所示，主要由直线导轨、滑块、炮泥箱底座、气缸、气缸支撑板等零部件组成。炮泥箱限位板起限定箱子位置作用，保证每次箱体都放置在准确位置，侧推装置将炮泥推进箱，气缸行程固定。工作时传感器检测到需要推进炮泥的信号，将信号传递到主控制器上，主控装置发出命令，控制侧推板气缸动作，随后侧推板返回原位置，推箱气缸3带动箱体下降一个炮泥直径尺寸的高度，到达合适位置。重复动作，当箱体内储量达到一定数量和高度后，计数器进行预警，更换箱体。

2.3 切拨装置结构及运行分析

切拨装置安装在主体架平台与炮泥坯支撑台之间的支撑架上（如图1）。切拨装置结构如图3所示，炮泥坯支撑台左右两侧分别设有侧挡板，两片侧挡板呈V形，形成可以放置泥条的槽。切拨装置主要由4 把切断刀、4个拨齿和传动轴组成。在传动轴周向上均布4 把切泥刀，4个拨齿沿周向均布，滞后拨齿45°，其截面为弧形拨杆状。炮泥从炮泥机生产出来，到达炮泥坯支撑平台，在炮泥坯支撑台的前方设有光电检测机构，炮泥坯达到需要的尺寸，光电检测机构检测到信号，传输给主控器，主控器控制伺服电动机转动，使切拨轴转动1/4周，切泥刀的钢丝条沿中心轴转动将炮泥切断，随后拨齿将炮泥拨离炮泥支撑平台，落入传送带。

图2 炮泥箱升降装置结构图

图3 切拨装置

3 主要技术参数分析

3.1 传送带尺寸及安装位置

安息角对于胶带输送机的参数计算具有重要的意义[13]。炮泥从炮泥机出来，落入传送带，能沿皮带的斜坡滚下，既能保证炮泥紧挨防滑挡板或已排列炮泥，又能让炮泥不至于滚动过快撞击已经排好的炮泥或挡板而损伤，因此令传送带倾斜角度稍大于安息角，炮泥下落到皮带上平稳下滚，从而保证炮泥能紧密有序排列。在胶带输送机中，输送带的倾角取决于被输送的物料与输送带之间的滚动摩擦因数[14]。炮泥在皮带上是滚动摩擦，炮泥在自重的作用下滚动，根据中心动力滚动摩擦因数的计算公式[15]为

将黏土的弹性模量E=4.4 MPa，黏土的抗压强度σbc=0.28 MPa, 代入式（1），计算滚动摩擦因数fHG=0.0008。根据最大滚动摩擦力偶矩公式Mmax=NfHG得，Mgsin θ×0.0185=mgcos θ×0.008，求出tan θ=0.043，θ≈2.47°，该设计设置皮带实际倾斜角θ取为2.5°。

3.2 侧推板、箱体底座尺寸

炮泥尺寸：直径为φ37 mm，长度为150 mm，考虑到单边需要留出一定的余量，皮带的宽度为160 mm，长度为1900 mm。防止炮泥发生偏斜的固定在皮带上的防滑挡块宽为5 mm，高为5 mm，挡块长度取100 mm。为了保证平稳的将炮泥推进炮泥箱体中，采用两个气缸和两个侧推板每次推10根炮泥，所以推板高为30 mm，宽为180 mm。安装时箱体末端距前端滚筒中心距为755 mm，箱体、推板和传送带之间需要留有小间隙，设置为2 mm，侧推板行程取165 mm，加上惯性作用，炮泥会完全整齐地进入箱体。

根据炮泥尺寸，箱体容长为389 mm，容宽为160 mm，容高为380 mm，箱体厚为2 mm，考虑箱体的定位准确性、装取方便性，箱体底座长为395 mm，宽为162 mm。

4 结 论

本文设计的炮泥码垛设备是一种新颖、实用的新型码垛专用设备，能够完成易变形的小型圆柱件的拾取与装箱问题，省去了一根一根地拾取、摆放等繁重的体力劳动，与炮泥机联合使用完成炮泥生产机械化和自动化问题，具有很好的市场前景。该炮泥码垛设备具有以下特点和优势:1）由于各个机构的动作都是通过自动控制来实现，工人对设备进行操作即可完成任务，大大减少工人数量，降低生产成本和工人的劳动强度；2）该装置简单合理，同传统的码垛机械手相比,结构简单、成本低、工作效率高；3）各个装置的动作基本都是通过气动装置来完成，低碳环保。