胎胚输送机械手轻量化改造应用

王发，刘世显，陶海

(合肥万力轮胎有限公司，安徽 合肥 231137)

新中国成立初期，受到前苏联重工业的影响，我国也大力发展钢铁经济，但当时材料及工艺也是刚刚起步相对落后，因此设备零部件设计以钢构为主，过高的安全系数导致设备自身笨重且性能较差；随着我国工业发展，新材料新工艺取得很多进步和突破，各行各业也都逐渐推广应用了新材料和新工艺，例如输送线铝型材、塑钢窗、高分子轴承、自润滑轴承等等，原有的钢结构设备在对比之下就有了能耗高、故障率高、维护成本高等缺点。

我国在经济上实现了逐年稳步增长，但也是付出了巨大的资源和环境破坏的代价，不利于可持续发展。同时，经济全球化及全球变暖的“双刃剑”也促使我们解放思想落实科学发展观、构建社会主义和谐社会。因此，调整经济结构、转变增长方式势在必行，各个企业要想方设法节约发展、清洁生产，实现节能降耗，以应对全球气候的迫切需要，实现碳达峰碳中和的战略目标。

1 轻量化技术

轻量化最早起源于赛车运动，最初的目标主要是降低赛车的重量，可以实现更好的操控性，发动机转换出更多动力用以提升加速度，其制动性能也显著提升；后来随着节能降耗理念深入逐步推广到普通汽车，降低重量后在输出功率提高、噪音和油耗降低、废气排放减少等多方面都有显著提升，备受国内外各个车企的欢迎，因此汽车轻量化技术发展迅速。

时至今日，轻量化技术已经发展成一个系统工程，主要是指轻量化结构设计、轻量化材料、轻量化制造工艺等集成应用，降低重量的同时实现性能和成本等综合因素优化，其主要发展方向也是从设计（轻量化结构设计薄壁化、中空化、复合化等）、材料（高强度钢、镁铝合金、钛合金和复合材料及陶瓷等应用）、工艺（热压成型、液压成型、粉末冶金等）等着手，其发展程度也各不相同，主要取决于轻量化对象，本文讲述的就是胎胚输送机械手关键钢构件的轻量化改造探索及推广应用情况，为节能降耗行动的实施提供一个参考依据。

2 胎胚输送机械手

2.1 胎胚输送机械手简述

传统轮胎工厂在胎胚成型后胎胚放置在胎胚托盘或胎胚转运车上通过叉车或电瓶拖车或者人工推送至硫化机台，再人工方式搬运至硫化机存胎器上，特别是生产重量很大的全钢轮胎时，体力劳动强度很大、生产效率低、胎胚易污染且存在搬错胎的问题。在智能绿色工厂建设宗旨下，我司在胎胚输送率先采用输送线、胎胚立体库及胎胚输送机械手等，实现了胎胚自动化输送。

如图1，胎胚输送机械手主要用于从输送线取胎位抓取胎胚，经空中轨道输送，能够将胎胚送到当前生产线15台硫化机中任意一台硫化机存胎位上，由于硫化机是双模硫化机，因此胎胚输送机械手采用双工位设置，每次抓取两个胎坯提高了胎胚输送效率。胎胚输送机械手含有4个自由度，分别是水平行走X轴、垂直升降Y轴、前后伸缩Z轴、扩张收缩T轴，其中轨道利用车间现有建筑立柱作为主要支撑，通过X轴减速电机带走主动轮水平行走跨距移动，利用Y轴伺服电机带动同步带实现上下升降，Z轴伺服电机实现从取胎位到存胎位的水平移动，T轴负责扩张和收缩完成胎胚的抓放动作。

胎胚输送机械手主要有行走装置、升降装置、伸缩装置、抓手装置等组成，主要采用钢构件，整机重量高达2 635 kg。

胎胚输送机械手电气部分采用滑触线供电，安装于X轴导轨上，集电臂、光通讯和激光测距以及电控箱安装在机械手行走装置上，其中电控箱内置散热空调以保证在硫化的高温环境下整个电控系统运行的稳定性。电源通过滑触线进入集电臂后接入行走装置，电控系统以无线通讯方式与上位机交互控制整个胎胚输送机械手的运行。

2.2 运行现状

胎胚输送机械手自投入使用以来运行时间超过4年时间，故障率一直居高不下，已严重制约产量的提升，经分析主要原因如下：

（1）胎胚输送机械手框架原厂家设计时采用全碳钢制作，导致整机重量过大，高达2 635 kg，其中仅升降机机构达998 kg，属于悬臂结构形式，运行中单侧受力较大，行走装置承载过大使得行走导向轮处于超负荷运转状态。

（2）行走轮及导向轮等采用铁芯聚氨酯包胶，因硫化车间温度高于室温，特别是夏季高温天气，摩擦热量难以及时散去，24 h不间断运行导致整个行走导向轮易老化和磨损。

（3）因机械手过重出现同步带故障频繁，导轮安装板出现焊缝爆裂后变形，加剧轮子损坏及存在严重的安全隐患。

（4）行走导向轮是5＂的铁芯聚氨酯轮子，质量上佳的包胶工艺的轮子在2 m/s的速度下承重约500 kg，很难达到设计时承重650 kg的要求，涉及包胶工艺稳定性及备件成本问题，也是故障频繁发生的一个原因。

由于胎胚输送机械手从动轮频繁故障，带来了一下不利影响：

（1）更换导轮高空作业风险及夏季高温作业风险增加。

（2）因机械手重量过大，导轮频繁损坏增加备件费用（约180个/年），约3万元/年（含轴承等配件费用）；升降同步带及滑块等损坏增加备件费用约4万元/年，共计7万元/年。

（3）机械手从动轮故障频繁（月均9.23 h/台/、7.63次/台），待料约2 399条/月，影响生产销售，特别是急需的确保规格生产难以保证。

（4）升降机构一级和二级之间使用同步带，因重量过大，也出现频繁损坏，存在断裂掉落风险，已出现至少3次同步带及压板固定失效，机械手坠落，已增加机械限位，但在大重量冲击下有脱焊风险，存在严重安全隐患。

（5）因机械手升降装置重量过大，所有的机械手上侧导轮安装板都出现焊缝爆裂，已进行补焊处理及加固，但仍然时有发生，存在严重安全隐患。

（6）各个减速电机及伺服电机在无效负载下运行，能耗也一直居高不下，增加企业运行成本。

（7）从动轮故障时掉落聚氨酯碎屑有掉落到胎胚表面风险，后工序X光检查出异物杂志造成返修，触及质量红线。

鉴于以上，经评估后硫化机械手开展了轻量化试点改造。

3 轻量化改造技术方案

3.1 轻量化改造方向

具体怎么改，主要从以下三点着手：

（1）由于是旧设备轻量化改造，涉及设备兼容性、稳定性等，在没有设计厂家精准设计校核的情况下宜采用原设备的尺寸更换新材料的方式替换，保证生产的连续性运行。

（2）考虑到是首次尝试，整体更换成本较高，选择设备主体结构进行局部轻量化改造。

（3）从可控成本及继续推广方面，选择采用与钢材性能接近、应用场景最多的轻质金属材料：铝合金；

胎胚输送机械手主体部分主要分为行走装置、升降装置、伸缩装置、抓手装置等四个部分，从以下三个方面评价改造方向：

（1）结构复杂程度：按复杂到简单排序依次为行走装置（组焊件较多）、抓手装置（圆弧件等不规则件较多）、伸缩装置（加工件组装而成）、升降装置，其中升降装置是两级倍速机构，由一级伸缩框架、限位座、二级升降机构、牵引带座、导轨等组成，一级伸缩架通过皮带将二级伸缩架带动，二级伸缩架下降速度是一级伸缩架的2倍，框架和伸缩机构由钢板折弯后冲压加强孔形成，结构简单，易于改造后的铝合金加工成型。

（2）更换材料后减重程度：胎胚输送机械手总重达2 635 kg，分布依次为行走装置973 kg、升降装置998 kg、伸缩装置422 kg、抓手装置241 kg，更换铝合金材料后升降装置预计可减重520 kg，因此选择改造升降装置。

（3）零部件组成：行走装置中含有的减速电机、电缸、主动轮及导轮、电控箱等是不能轻量化改造，升降装置中除导轨和同步带外其余均可轻量化改造，伸缩装置和抓手装置电气件较多且已经有部分零部件是铝合金材质，改造空间有限。

综上，选定升降机构作为此次轻量化改造试点。升降装置示意图如图2所示。

3.2 改造可行性分析

整个升降机构去除导轨、伺服电机、同步带及滑块等标准件，改造零部件主要是一级伸缩框架、限位座、二级升降机构、牵引带座等，轻量化优化之后主要从以下三个方面进行分析：

（1）重量大幅度减轻：原一级伸缩框架及二级升降机构材质均为Q235碳素钢，材料密度为7.85 t/m³，重量分别为212 kg/182 kg。改造材料为5052H34铝合金，材料密度为2.72 t/m³，重量分别为73 kg/61 kg，一套机械手轻量化总计减重520 kg，改造后整个升降机构重量为476 kg，仅为改造前的47.75%。

（2）材料与强度方面：原材料为Q235碳素钢，屈服强度235 MPa，抗拉强度为370 MPa，焊缝强度能达到机体的100%。改造后为5052H34镁铝合金，屈服强度180 MPa，抗拉强度最高可达280 MPa，焊缝强度能达到机体的95%。改造后强度减弱，屈服强度减弱不到10%，抗拉强度减弱幅度比较小，焊缝强度同基体强度。

（3）工艺分析：原始材料为Q235碳素钢，易于焊接，在钢的体系里，强度较低，但塑性较好。改造后材料为5052H34镁铝合金，在铝合金家族中使用最普遍，强度适中，延展性极佳。改造后强度减弱，但塑性增强，延展性增强。

结论：改造后，整个升降机构的强度存在一定程度的减弱，但是尚在起重设备结构件安全系数最小值范围内，同时整体重量大幅度降低，经过减重后，有效使执行机构减轻负载，大大提高了行走机构、导向机构的使用寿命；经过减重，减少了人员更换配件的频率和时间，从而提高了生产效率。因此，此次的轻量化改在是可行的，可以试点改造后观察再推广实施。

3.3 试点机台改造

为保证正常生产，试点机台更换安排在停产检修时间，经过三天更换及调试，空负荷试车无异常，复产后带负荷试车运行满足相关运行性能参数，胎胚抓取输送正常，可以投入生产。

经过一年的运行观测，试点的胎胚输送机械手未出现损坏和变形状况，从动轮及升降装置等故障由改造前月均9.23 h/台/、7.63次/台降至月均0.83 h/台/、0.38次/台（见图3），远低于其他线，轻量化改造效果良好，见图3。

4 总结推广

4.1 改造后收益

（1）节省导轮、滑块以及同步带等备件约7万元/年。

（2）减少处理故障时的高空作业及夏季高温作业风险。

（3）解决因同步带及焊缝爆裂等超负荷运行产生的机械手掉落安全隐患。

（4）降低机械手故障时间，提高生产效率约2 399条/月。

（5）整机重量由原来的2 635 kg降低至2 115 kg，行走的减速电机和升降的伺服电机综合能耗降低，节能降耗明显。

4.2 推广实施

经过试点胎胚输送机械手运行一年评估，轻量化改造效果在故障率、维护成本、能耗及安全生产等各方面都有着明显的降低，具有改造可操作性，经过推广立项及改造实施，现已完成其余胎胚输送机械手的轻量化改造。

5 结语

在碳达峰、碳中和时间节点之前，原有生产中的设备进行节能降耗改造中轻量化改造是一个十分重要的课题，但轻量化改造要保证生产的可持续性、性能的稳定性、使用的可靠性的前提下进行，如果不能实现设计方面精准校核，应以局部试点改造评估后推广，稳步扎实推进节能降耗行动。