一种新型煤矸分选抓手装置

张 勇

（深圳市时维智能装备有限公司，广东深圳 518133）

0 引言

随着中国煤矿开采及应用的不断发展与深化，煤矿企业的装备制造业发展速度也明显加快，煤矿开采工艺自动化得到广泛的重视与应用，尤其对解决煤矿企业中存在的生产环境复杂、占用人员多、劳动强度大以及安全性差等问题具有重要作用。煤矿生产系统中，煤矸分选是将原煤转精煤的一个重要环节，煤矸分选不当将直接影响下一步的洗煤工艺以及煤质，造成洗煤厂洗选成本增加，严重还会造成洗煤设备的损害。目前，煤矿手选皮带人工分选煤矸存在效率低、管理难、劳动强度大、用工难、职业病高发、人工成本高等不足。智能分选机械抓手主要应对促进煤矿企业牢固树立新发展理念，深入实施创新驱动发展战略，改善煤矿环境，对推动煤炭资源综合利用产业绿色、智能化发展具有重大意义。大块的煤矸分选抓取装置一直是研发的重点方向，本文研制了针对大块煤矸石抓手的机构设计，其不但适用于煤矿行业，也适用于物流、汽车、木材等行业的分拣装置应用。

1 设计原理与抓手动作

针对提出的应用对象为抓取质量35～60 kg、尺寸宽度220～400 mm 的煤矸石。采用双标准气缸作为各自单独动力部分，双气缸固定在抓手基板上，驱动连杆固定在抓手固定架上，而抓手固定架用防松螺母固定在抓手基板上。活动块与标准气缸伸出螺纹杆端连接，驱动连杆将活动块和中连杆相连。中连杆下面通过转轴与抓片连接，抓片之间采用尼龙垫块隔开，副垫块是扩大抓片与被抓取物的接触面，如图1所示。

图1 抓手装置

电磁阀组接到PLC控制器信号，在DC24伏电压下打开气流，约0.06 MPa 压力的压缩空气进入标准气缸的无杆腔，压缩空气快速推动气缸内的活塞杆快速伸出。活动块在标准气缸的活塞杆推动下形成一个向下的力分给驱动连杆，驱动连杆通过关节轴将传动力分给中连杆。此时活动块开始沿着导柱稳定地向下运动，其下行的距离由气缸的行程决定。与此同时，中连杆将通过转轴给抓片一个向内靠拢的夹紧力。当抓片触碰到物体时，抓片和物体将形成压力，由于抓片与物体存在摩擦因数，形成的压力会变成摩擦力，而该摩擦力足够将被夹取物体单独提升取走。同理，抓片将物体夹取到指定位置时，电磁阀组将接到PLC 控制的释放信号，改变压缩空气的流向，压缩气体进入标准气缸的有杆腔内，而无杆腔气流直接与大气接通，从而使得标准气缸的伸出杆向上回缩。此时通过力的反方向，在连杆运动原理上，抓片将张开，从而完成夹取物的释放。因为气缸的快速运动，抓片从张开状体到合拢的动作持续时间约100 ms，这个时间是可以接受的。

2 各重要参数确认

2.1 气缸选型

首先对抓片与矸石的静摩擦因数确定为0.2。确认了摩擦因数，计算单组被夹取物体与抓片的最大压力为30 10 0.2=1 500 N。根据力的合力与分解，得出活动块受到的最大向下压力为2 394 N。对于气缸的选型程序，需要考虑到负载率，气缸的夹紧工况下负载率取值0.8，可以选杆径80 的气缸，0.06 MPa压力下能达到3 000 N的压力[1]。3 000 N 0.8=2 400 N大于计算需要的2 394 N，这样满足两对抓片就能抓取60 kg的物体。实际上，抓片结构的弯曲设计和比较宽的夹紧接触面会使得摩擦因数大于0.2，设计的装置具备良好的抓取性能。

至于气缸的行程确认则使用三维设计软件进行运动模拟，确认好的气缸行程使得抓片的张开和合拢在420～200 mm范围便可。

2.2 抓片高度

通过对煤矿现场的各类矸石高度进行测量和数据分析，大的矸石集中在高100～170 mm，为了增加余量和通用性，选取抓片有效抓取高度为200 mm。另外，此机构的中间还有一定的高度余量，提升了机构的应用能力。

3 重要零件设计

3.1 抓片

抓片是抓手装置的关键零件，其设计和制造都要十分合理和严格。抓片在执行动作时会受到比较大的反作用力和冲击力。为了提高抓片的强度和硬度，减少一定的重量，选取了钛合金材料，牌号为TC4。这种材料在温度20 ℃情况下，抗拉强度能达到950 MPa[2]，屈服强度860 MPa，断后伸长率15%，冲击韧度40 J/cm-2，弹性模量113 GPa，泊松比0.31，具有良好的综合力学性能；在质量方面，TC4 合金密度为4 480 kg/m3，而一般合金钢为7 800 kg/m3，质量约是一般合金钢的57.4%。

钛合金本身具有稳定良好的材料力学性能，不需要机加供应商做过多的表面处理。而其他合金钢材需要制造商进行严格良好的工艺把控才能获得好的力学性能，容易造成机加零件的性能不稳定。选择钛合金能有效避免制造上的一些不可靠因素。

3.2 活动块

活动块的结构即要与气缸活塞杆螺纹端良好地连接，还要沿着导柱将力很好地分解给4 个驱动连杆。采用了6060 铝合金材料，通过固溶热处理后进行时效T6工艺获得力学性能如下：抗拉强度310 MPa，屈服强度270 MPa，泊松比0.33；质量密度为2 700 kg/m3，约是普通钢材的1/3重，保证了强度又减轻了质量。气缸活塞杆螺纹杆端与活动块采用间隙式的小压块传动力。活动块的结构如图2所示。

3.3 防护块

图2 活动块

当从动件上的传动角等于0 时，驱动力对从动件的有效回转力矩为0，这个位置称为机构的死点位置，也就是机构中从动件与连杆共线的位置称为机构的死点位置[3]。抓取装置也有死点位置，需要避免死点的出现，否则对机构传动很不利，造成活动块卡死，气缸无法推动，整个执行机构无法夹取。

为避免死点位置的出现，增加防护块和支撑杆，避免驱动连杆在受较大撞击力的情况下超过关节死点，防护块和支撑杆拥有机械限位和良好的对称力平衡作用，对整个机构的应用具有很大意义。防护块的内部结构具有一定的斜度（16.7h），与连杆运动的接触极限斜角一致，良好地增大接触面，提高了避免过死点的防护能力，如图3所示。

图3 防护块

4 抓手的创新设计

采用标准气缸，大物件抓取力足够，抓取动作可靠，独立的双气缸运动对抓取不规则矸石适应性强；高强度的钛合金爪片具有很强的屈服和耐磨性能；副抓片增加了夹紧面，有效提高了抓取稳定性；防护块的设计，避免连杆运动死点，使机构抗撞击性能优越。

5 结束语

本文采用机械抓取装置，实现对煤矸石自动化分选工艺。通过分析现场工况，指出大块矸石的抓取是洗煤厂皮带分选实现智能自动化的重要环节；提出了新型机械抓手机构设计；利用了连杆运动原理，根据结构力学计算来确认各零部件的选型参数和材料强度。通过三维设计软件模拟张开角度进行验证。经过加工与制造，该产品在应用现场的实践情况证明了本文方法具备大块煤矸石的抓取功能，具有一定的可靠性和安全性。