周利杰，劉 輝，高 波,郝瑞林，石 巖

(1.河北水利電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001；2.河北省工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001；3.滄州市工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心，河北省滄州市重慶路1號(hào) 061001)

大型機(jī)械設(shè)備具有生產(chǎn)效率高、裝載能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、工作環(huán)境惡劣、維修難度大的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于煤礦開(kāi)采、工程建設(shè)、物資運(yùn)輸、石油化工、水電等領(lǐng)域。這些大型機(jī)械設(shè)備由于長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷工作在惡劣環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生各種形式的故障，導(dǎo)致生產(chǎn)受阻[1]。因此，在大型機(jī)械設(shè)備的使用過(guò)程中要進(jìn)行定期檢查和維修。在檢修和維修過(guò)程中，拆裝螺栓是最基本的作業(yè)內(nèi)容。大型機(jī)械設(shè)備由于體積大、載重大、工況惡劣，螺栓往往數(shù)量較多，位置分散，沒(méi)有較穩(wěn)定的作業(yè)支撐。例如，采煤機(jī)搖臂維修過(guò)程中需要拆卸螺栓48個(gè)，維修高度達(dá)6m以上[2]；國(guó)內(nèi)常用的載重自卸車(chē)高度約為3.5m，混凝土攪拌車(chē)的高度約為4m[3]；SCHOPE公司的地下裝載機(jī)高度約2.8m[4]，約有二百個(gè)連接螺栓[5]；重型礦石運(yùn)輸車(chē)輪轂螺栓高度約2米，螺栓數(shù)量超過(guò)30個(gè)；重載鐵路車(chē)輛車(chē)鉤緩沖裝置需定期檢修更換，主要依靠人工手持風(fēng)動(dòng)沖擊扳手進(jìn)行拆裝[6]。當(dāng)這些大型機(jī)械設(shè)備需要檢修或者維修時(shí)，拆裝螺栓將是一項(xiàng)非常棘手的工作。維修人員不僅需要攜帶工具攀爬到較高的作業(yè)點(diǎn)，而且需要拆裝數(shù)量較多的高扭矩螺栓。這種維修方式勞動(dòng)強(qiáng)度高，影響了機(jī)械設(shè)備的維修效率，阻礙了生產(chǎn)，并具有一定的危險(xiǎn)性。因此設(shè)計(jì)一種輔助螺栓拆裝設(shè)備來(lái)減輕維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提供可靠維修支撐，提高維修效率是非常有必要的。本文設(shè)計(jì)了一種適用于大型機(jī)械設(shè)備螺栓拆裝的輔助機(jī)械臂，該裝備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、適應(yīng)性強(qiáng)，可有效提升維修效率，減輕維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度，并為維修作業(yè)提供可靠支撐。

1 螺栓拆裝輔助機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)及工作方式

1.1 螺栓拆裝輔助機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)介紹

本文設(shè)計(jì)的輔助機(jī)械臂主要由助力機(jī)械臂、液壓升降平臺(tái)、電驅(qū)動(dòng)模塊和支撐裝置組成，如圖1所示。助力機(jī)械臂集成氣彈簧實(shí)現(xiàn)助力功能，可在一定范圍內(nèi)補(bǔ)償螺栓拆裝工具的自重。在實(shí)際使用過(guò)程中，助力機(jī)械臂負(fù)責(zé)螺栓拆裝扳手的搬運(yùn)和輔助夾持，維修人員只是負(fù)責(zé)螺栓拆裝扳手的定位和控制。因此，維修人員施力較小，能夠有效減少維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。機(jī)械臂作業(yè)范圍大，使用靈活。助力機(jī)械臂采用兩段臂的設(shè)計(jì)思想，并且可以繞基座360度旋轉(zhuǎn)，可以在升降平臺(tái)固定的情況下，實(shí)現(xiàn)水平和垂直移動(dòng)。機(jī)械臂集成了液壓升降平臺(tái)和電驅(qū)動(dòng)模塊。液壓升降平臺(tái)采用剪叉式升降機(jī)構(gòu)，在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的高低位置調(diào)整，以滿足不同位置螺栓的拆裝需求。電驅(qū)動(dòng)模塊包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、剎車(chē)裝置、蓄電池、控制器、操作面板等組成。在移動(dòng)該裝備時(shí)采用電驅(qū)動(dòng)的方式，可減輕維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高維修效率。剎車(chē)裝置采用可靠的氣缸剎車(chē)裝置，剎車(chē)穩(wěn)定可靠。支撐裝置分布在裝備兩側(cè)，可為輔助機(jī)械手的高空作業(yè)提供可靠支撐，防止失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生，提高維修作業(yè)的安全性。螺栓拆裝輔助機(jī)械臂的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

圖1 大型機(jī)械設(shè)備螺栓拆裝輔助機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of bolt disassembly equipment for large machinery and equipment

表1 大型機(jī)械設(shè)備螺栓拆裝輔助機(jī)械臂設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of bolt disassembly equipment for large machinery and equipment

1.2 螺栓拆裝輔助機(jī)械臂工作方式介紹

在維修準(zhǔn)備過(guò)程中，維修人員操作控制器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將機(jī)械臂移動(dòng)到作業(yè)場(chǎng)所。隨后接通高壓氣源，并打開(kāi)機(jī)械臂底座的四個(gè)支持裝置，進(jìn)行可靠支撐。為保證機(jī)械臂位置固定，還需將行走模塊的剎車(chē)裝置打開(kāi)。隨后根據(jù)實(shí)際維修作業(yè)點(diǎn)的高度調(diào)節(jié)升降平臺(tái)高度。對(duì)于位置較低的作業(yè)點(diǎn)，維修人員可以站立在地面進(jìn)行維修作業(yè)。對(duì)于位置較高的作業(yè)點(diǎn)，維修人員可以站立在升降平臺(tái)上進(jìn)行維修作業(yè)。

2 助力機(jī)械臂設(shè)計(jì)

2.1 助力機(jī)械臂作業(yè)空間

助力機(jī)械臂采用兩段臂的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示。第一段臂長(zhǎng)550mm，第二段臂長(zhǎng)1200mm。在每段臂的連接處以及第一段臂和底座的連接處均采用360度旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以提高助力機(jī)械臂的柔性，滿足各種工況的作業(yè)需求。在拆裝大型機(jī)械設(shè)備螺栓時(shí)，螺栓的分布分散，要求維修設(shè)備具有較大作業(yè)空間。本文所設(shè)計(jì)的助力機(jī)械臂在固定底座的情況下作業(yè)半徑最大可達(dá)2m，滿足一般大型機(jī)械設(shè)備的維修需求，如圖3所示。

圖2 助力機(jī)械臂尺寸Fig.2 Dimension of power assisted mechanical arm

圖3 助力機(jī)械臂的作業(yè)空間Fig.3 Work space of power assisted mechanical arm

2.2 助力機(jī)械臂腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型機(jī)械設(shè)備螺栓的位置分散，角度不一。就要求助力機(jī)械臂的腕部具有非常高的柔性，能夠適應(yīng)各種位置和角度的螺栓拆裝。本文跟實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出了具有高柔性的腕部結(jié)構(gòu)，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)在X軸具有140°的活動(dòng)范圍，在Y軸和Z軸具有360°的活動(dòng)范圍。

圖4 助力機(jī)械臂的腕部結(jié)構(gòu)Fig.4 Wrist structure of power assisted mechanical arm

2.3 螺栓拆裝工具的重力補(bǔ)償及氣彈簧選型計(jì)算

大型機(jī)械設(shè)備螺栓的數(shù)量較多，部分螺栓位置較高。在維修作業(yè)過(guò)程中，維修人員長(zhǎng)時(shí)間手持沉重的拆卸工具會(huì)非常勞累，阻礙了維修效率。因此需要機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)拆裝工具的重力補(bǔ)償，從而減輕維修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高維修效率。本裝備采用氣彈簧作為助力機(jī)械臂的重力補(bǔ)償元件。氣彈簧是一種可以實(shí)現(xiàn)支撐、緩沖、高度調(diào)節(jié)的部件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備中。本裝備采用自由式氣彈簧，該類(lèi)型氣彈簧主要起支撐作用，只有最短、最長(zhǎng)兩個(gè)工作位置[7]，在行程中需要維修人員施加輔助力固定機(jī)械臂。所施加的輔助力遠(yuǎn)小于維修工具的重力，從而實(shí)現(xiàn)維修工具的重力補(bǔ)償，減輕維修人員的負(fù)擔(dān)，提高維修效率。氣彈簧在整個(gè)工作行程內(nèi)力值變化較小，在最短和最長(zhǎng)兩個(gè)工作位置的推力相差不大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)[8]，因此為方便計(jì)算，可以將氣彈簧的輸出力近似為恒力。本文將機(jī)械臂的長(zhǎng)臂、氣彈簧、長(zhǎng)臂座作為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，受力分析簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 助力機(jī)械臂的受力分析圖Fig.5 Stress analysis of power assisted mechanical arm

為了計(jì)算方便，忽略了長(zhǎng)臂的自重。由圖可知維修工具的重力為G，氣彈簧的輸出力為F，長(zhǎng)臂的長(zhǎng)度為l，氣彈簧相對(duì)于長(zhǎng)臂旋轉(zhuǎn)中心的力臂為l1，維修工具重力的力臂為l2，氣彈簧與長(zhǎng)臂連接點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心的距離為l3，氣彈簧旋轉(zhuǎn)中心與長(zhǎng)臂旋轉(zhuǎn)中心的距離為l4，氣彈簧的長(zhǎng)度為l5，氣彈簧與長(zhǎng)臂的夾角為α，長(zhǎng)臂與垂直方向的夾角為θ。根據(jù)力矩平衡，可得：

Fl1=Gl2

(1)

(2)

l1=l3sin(α)

(3)

l2=lsin(θ)

(4)

(5)

根據(jù)公式(1)～(5)可得：

(6)

由公式(6)可知，當(dāng)助力機(jī)械臂的長(zhǎng)臂向下旋轉(zhuǎn)時(shí)，角θ逐漸增大，若仍然要保證助力機(jī)械臂力矩平衡，那么所需維修工具的重力G也是逐漸增大的。由此可見(jiàn)，當(dāng)維修工具的重力不變的情況下，助力機(jī)械臂有停留在上極限位置(氣彈簧完全伸展的位置)的趨勢(shì)。因此，本文以助力機(jī)械臂的上極限位置計(jì)算氣彈簧的輸出力。常用的大型螺栓拆裝氣動(dòng)扳手重量約為10Kg，本裝備采用兩根氣彈簧設(shè)計(jì)，將相關(guān)參數(shù)帶入公式(6)，可得單根氣彈簧的輸出力F約為1200N。因此本裝備應(yīng)選用兩根承重不小于1200N的氣彈簧。

3 液壓升降平臺(tái)設(shè)計(jì)

升降平臺(tái)采用剪叉式結(jié)構(gòu)，利用液壓油缸驅(qū)動(dòng)平臺(tái)升降。剪叉式升降平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可控性好、適合于高空作業(yè)的優(yōu)點(diǎn)[9]。大多數(shù)升降平臺(tái)采用人力腳踩或者手搖的方式控制平臺(tái)升降，效率較低。為了減輕維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提供維修效率，本裝備采用電控液壓的方式控制平臺(tái)升降，維修人員可以通過(guò)上升和下降按鈕方便快速的控制平臺(tái)高度。電控液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示。平臺(tái)上升時(shí)先打開(kāi)手動(dòng)開(kāi)關(guān)，然后按下控制面板的上升按鈕。液壓油在電動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下由油箱經(jīng)油濾流向液壓缸，液壓缸伸展驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上升。到達(dá)預(yù)定高度后，按下控制面板停止按鈕，電動(dòng)泵停止工作，單向閥可以防止液壓油回流，再關(guān)閉手動(dòng)開(kāi)關(guān)，防止液壓系統(tǒng)泄壓。當(dāng)液壓缸達(dá)到最大行程后，未關(guān)閉電動(dòng)泵時(shí)液壓系統(tǒng)的油壓會(huì)急劇升高，容易損壞系統(tǒng)元件。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有安全閥，可有效防止系統(tǒng)油壓過(guò)高造成的危害。平臺(tái)下降時(shí)需打開(kāi)手動(dòng)開(kāi)關(guān)，平臺(tái)利用自重下降。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有快速下降和慢速下降兩種下降方式，由控制面板按鈕控制?？焖傧陆禃r(shí)，液壓油由液壓缸經(jīng)快速泄壓電磁閥和油濾直接回流油箱。慢速下降時(shí)，液壓油由液壓缸經(jīng)慢速泄壓電磁閥、節(jié)流閥、油濾流回油箱。兩種下降方式的設(shè)計(jì)不僅可以滿足復(fù)雜的作業(yè)工況，而且提升了維修作業(yè)效率。

圖6 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.6 Systems diagram of hydraulic system

4 電驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電驅(qū)動(dòng)模塊主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、剎車(chē)裝置、蓄電池、控制器、操作面板等組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用直流無(wú)刷電機(jī)，功率大，壽命高，適合于惡劣作業(yè)環(huán)境。剎車(chē)裝置采用氣動(dòng)盤(pán)剎結(jié)構(gòu)，工作穩(wěn)定，剎車(chē)可靠。蓄電池使用48V鉛酸電池組，穩(wěn)定性高。控制器與控制面板相連，可以進(jìn)行前進(jìn)后退控制、速度調(diào)節(jié)剎車(chē)以及平臺(tái)的上升下降。電驅(qū)動(dòng)模塊的系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)圖如圖7、圖8所示。

5 支撐裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在高空進(jìn)行維修作業(yè)時(shí)，要求裝備必須能夠提供穩(wěn)定的支撐，因此本裝備設(shè)計(jì)有支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)收縮后可貼附于裝備兩側(cè)，占地空間小，便于裝備的靈活移動(dòng)。支撐結(jié)構(gòu)打開(kāi)后可為裝備提供穩(wěn)定的維修支撐，安全性高。該裝置設(shè)計(jì)有快速支撐收放機(jī)構(gòu)，可根據(jù)場(chǎng)地高低實(shí)現(xiàn)支撐柱的快速收放，該裝置結(jié)構(gòu)如圖9所示。當(dāng)按下鎖體的突出按鈕時(shí)可以解鎖支撐柱，支撐柱就可以上下自由移動(dòng)。當(dāng)釋放鎖體的突出按鈕時(shí)，在彈簧的推動(dòng)下支撐柱上的凹槽與鎖體上的凸起相互插入，實(shí)現(xiàn)支撐柱的鎖止。

圖7 電驅(qū)動(dòng)模塊原理圖Fig.7 Systems diagram of electrical powered module

圖8 電驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of electrical powered module

圖9 支撐裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diagram of supporting apparatus

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)大型機(jī)械設(shè)備的維修特點(diǎn)設(shè)計(jì)了螺栓拆裝輔助機(jī)械臂，該裝備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、移動(dòng)靈活、工作可靠、能夠有效提升維修效率。適用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械、大型車(chē)輛等大型機(jī)械設(shè)備的螺栓拆裝作業(yè)。