重型渣浆泵装配设备的设计与研制

朱景红，蒋新启，申兆亮

(山东省农业机械科学研究院，山东 济南 250100)

0 引言

渣浆泵是一种适用于输送含有固体颗粒浆液的泵，具有耐磨蚀性和耐腐蚀性[1]，它被广泛应用于矿山、电力、冶金、煤炭以及环保等行业，如冶金选矿厂矿浆输送、电厂灰渣输送、煤浆输送及重介质输送等[2]；在化工产业，也可输送一些含有结晶的腐蚀性浆体。

随着工业现代化的发展，渣浆泵生产企业不断加大泵的生产投入，扩大生产规模，泵体的型号逐渐增多，泵体重量也不断增大，以期满足渣浆泵的市场需求。但是目前渣浆泵生产企业配套的自动化装配设备并不健全，大大制约了渣浆泵的生产效率。

调研发现，目前企业针对渣浆泵的装配并没有专门的装配设备，依旧是在车间采用行车吊装[3]、辅助人工翻转等最原始的装配方法，工作效率低下。而且泵壳型号较多，其中最大泵体重量达1.7 t，最大直径接近1.5 m，采用人工吊装翻转安全性得不到保障，存在砸伤、压伤等安全隐患。所以应某企业要求，设计了一款重型渣浆泵装配设备。

1 渣浆泵泵体装配设备结构组成及工作原理

渣浆泵泵体装配设备主要由两部分组成，一部分是单立柱装配平台，另一部分是轨道小车，两者配合完成整个泵体的装配过程。泵体装配设备整体三维效果图见图1。

1-装配平台;2-渣浆泵;3-轨道小车 1-升降立柱;2-升降装置;3-回转驱动器;4-支撑臂;5-风炮支架;6-伸缩臂;7-夹持装置;8-连接法兰;9-连接孔板 1-小车定位装置；2-小车贴板；3-小车架；4-主动轮；5-驱动轮轴；6-轨道；7-驱动电机；8-从动轮

1.1 单立柱装配平台结构

单立柱装配平台整体结构主要由升降立柱1、立柱内部升降装置2、回转驱动器3、支撑臂4、风炮支架5、伸缩臂6、夹持装置7、连接法兰8以及连接孔板9等主要部件组成，如图2所示。

单立柱装配平台悬臂部分具有上下、左右、旋转以及泵壳自身水平面内360°旋转等功能。其中升降立柱右边整体悬臂部分可通过升降立柱内部升降装置实现上下运动；支撑臂以及伸缩臂及其连接的夹持装置和泵壳可通过回转驱动器带动实现空间旋转运动，为了防止电线缠绕，对旋转角度进行了限位，旋转角度设为0°～180°，实现泵壳正反翻转即可；伸缩臂可通过内部丝杠装置沿支撑臂做左右运动；泵壳夹持装置可通过电机驱动回转支撑实现水平面内360°旋转运动，满足泵壳装配所需的各动作要求。

1.2 轨道小车结构

轨道小车主要由小车定位装置1、小车贴板2、小车架3、主动轮4、驱动轮轴5、小车轨道6、驱动电机7及从动轮8等主要部件构成，具体结构如图3所示。

轨道小车可通过电机驱动小车主动轮轴，实现小车前进、后退功能，并且通过小车定位装置可实现后泵壳初定位功能，小车定位装置动力实现通过气缸来完成，定位装置加速了装配平台夹持装置和后泵壳的快速连接。

2 设备关键部件设计

2.1 升降装置结构设计

升降装置结构如图4所示，升降立柱内的升降装置通过电机2提供动力，电机正反转，带动丝杠3正反转，铜螺母及铜螺母支架5沿着丝杠做上下运动，滑动架8和铜螺母支架5通过U型卸扣6连接到一起，滑动架8做同样的上下运动，即沿着方钢导轨4上下移动，进而带动装配平台右边悬臂部分上下运动，以满足泵壳装配要求。升降装置结构的设计关键点如下：

1-减速机；2-电机；3-丝杠；4-方钢轨道；5-铜螺母支架；6-U型卸扣；7-轴承座套；8-滑动架 1-回转驱动总成；2-连接法兰；3-连接孔板 1-推拉杆；2-拉紧接头；3-销轴；4-连接杆；5-锁紧滑块；6-定位块；7-六角定位盘；8-夹具底座；9-气缸

(1)最终确定双丝杠的结构形式，一台电机提供动力源，两丝杠的减速机通过联轴器连接到一起实现同步联动，保证两丝杠运动同步，这样可保证提升架在上下运动过程中不至于发生偏斜，保障上下运动平稳。

(2)滑动架与铜螺母支架通过两个U型卸扣连接到一起，这相当于一种柔性连接形式，两者运动自由度没有完全约束到一起，只是上下运动实现同步。如果直接将丝杠铜螺母固定在滑动架上，当装配平台装上渣浆泵后，整个装配平台右边悬臂部分重量大于2 t，势必会导致滑动架产生形变，由于二者运动自由度完全一致，铜螺母及支架不可避免地会产生变形，铜螺母变形很容易将丝杠磨损报废而无法使用，设计的这种柔性连接结构使用效果较好。

2.2 回转连接结构设计

根据渣浆泵装配要求，单立柱装配平台右边悬臂部分需做空间旋转运动实现泵壳的翻转，即中间回转连接结构左边是滑动架上下运动，右边是悬臂部分的旋转运动。我们采用如图5所示的回转连接结构，中间驱动部分选用WEA17回转驱动装置，该装置能承受较大的径向、轴向载荷以及较大的倾覆力矩，运行平稳，经计算选型符合所需设计要求。回转驱动装置采用连接孔板3通过螺栓与升降装置的滑动架连接到一起，可随滑动架一起上下运动。回转驱动器与支撑臂连接采用连接法兰，连接法兰与回转驱动装置通过螺栓连接到一起实现同步运动，连接法兰右边与支撑臂连到一起，进而带动支撑臂及其右边部分一起回转。

2.3 泵壳夹持装置设计

泵壳夹持装置是非常重要的部件，夹持装置可随装配平台悬臂部分上下运动，实现与泵壳的连接与分离，进而完成泵壳装配系列动作。夹持装置结构如图6所示，夹具底座8和伸缩臂上的回转支撑通过螺栓连接到一起，回转支撑旋转带动夹持装置及泵壳旋转，完成泵壳螺栓及顶丝的安装。

夹持装置与泵壳连接动作如下：夹持装置随装配设备单臂下降至泵壳定位工装板表面并停止，气缸9动作带动推拉杆1收回，拉紧接头2同步运动，连杆4则会沿着销轴3旋转，进而带动锁紧滑块5在定位块6及六角定位盘7形成的滑道内伸出，将泵壳夹紧，气缸9锁死，则实现了夹持装置和泵壳的连接。同理，夹持装置和泵体的分离，控制气缸9反向伸缩即可完成。

2.4 轨道小车定位装置设计

轨道小车定位装置的主要作用是实现渣浆泵后泵壳的初步定位，便于装配平台夹持装置和后泵壳的快速连接，具体结构如图7所示。

1-定位桩滑道；2-定位桩；3-拉杆；4-定位托盘；5-顶升气缸；6-定位轴；7-拉伸气缸

定位装置自动定位过程如下：渣浆泵后泵壳及其定位工装板连接好后放到轨道小车上，启动小车定位装置的顶升气缸5，推动定位托盘4上升，定位托盘4带动三根定位轴6同步运动，到达限定位置后顶升气缸5停止动作；然后拉伸气缸7控制定位桩2沿滑道向外拉伸，直至定位轴6和泵壳定位工装板(见图8)的三个角相切，并使拉伸气缸一直保持拉伸状态，泵壳中心定位完成。

图8 泵壳定位工装板

待小车携带泵壳运行至支撑臂夹持装置下方中心位置自动停止，定位装置需回位。首先控制三个拉伸气缸7撤回，待定位轴6进入到定位装置的定位托盘4处，拉伸气缸7停止运动；同时定位装置顶升气缸断电，定位托盘4及定位轴6在重力作用下和顶升气缸5慢慢撤回至初始位置。撤回的目的是为夹持装置和后泵壳的连接腾出空间。

3 自动化控制及装配流程

装配设备采用PLC为核心控制模块，同时整机配置了多种传感器，将各部件的运动状态反馈给PLC，然后配合上位机一起完成各控制动作；整机配有控制柜(有控制按钮)、触摸显示屏以及无线遥控器，均可对设备进行控制，操作人员可根据现场需要及操作便捷性自行选择使用。

泵体自动化装配过程主要分为后泵壳装夹过程和泵体脱离装配平台两大工序。后泵壳装夹流程见图9，后泵壳与装配平台连接好之后，通过平台系列动作到达指定工位，效果图见图10，然后等待泵体陶瓷蜗壳及前泵壳的组装过程。

图9 后泵壳装夹流程

图10 后泵壳到达指定工位效果图

待组装好之后，需要将装配好的泵体与装配平台脱离，最终将泵体置于轨道小车上，运送至小车初始位，泵体装配过程到此结束。泵体脱离装配平台流程见图11，泵体装配完毕效果如图12所示。

图11 泵体脱离装配平台流程

图12 泵体装配完毕效果图

4 结论及展望

(1)该设备是目前国内首台套渣浆泵自动化装配设备，设计过程中经过多次现场试验最终确定方案。渣浆泵装配设备采用单立柱形式，结构设计巧妙合理，经验证设备整体运行平稳可靠，已应用到企业实际生产当中；同时单立柱形式减小了占地面积，满足企业生产场地限制的要求。

(2)通过PLC实现了设备的自动化控制，装泵壳及卸泵壳装配过程实现了一键自动控制，大大提高了装配效率，代替了粗放的人工吊装装配，人员安全性得到保障。

(3)目前该设备泵壳夹持装置适用于企业产量较大的六种泵型，后续针对小泵型及更大泵型可进一步设计通用型的泵壳夹持装置，以满足企业需求。