水泥罐内壁机械清理器的设计

刘碧云

（广东省机械技师学院，广东 广州510450）

我国是水泥生产大国，在大型水泥生产企业的生产过程中，水泥库以其占地小、储量大、存放可靠、使用期长等特点得以被广泛采用，如图1 所示。但受入库时水泥粉所含水分、空气中的水分、库内外温差及天气等的影响，水泥库内壁表面会不可避免地粘结一层硬度不同、薄厚不一的水泥垢。随着时间推移，水泥垢会越来越厚。有的水泥垢自行脱落后混在水泥粉中，造成下料器堵死，有的甚至在水泥库中的漏斗上结拱起蓬，使水泥粉无法顺利泄出，导致断料停工停产。为此，企业不得不安排专人进行临时疏堵或炸拱，甚至定时清库。而清理作业会使大量水泥粉泄露，浪费极大，而且清理耗时长，对生产效率影响很大。此外，因水泥库巨大，作业环境恶劣，清理作业危险性大，有极大安全隐患。目前国内水泥库清理一般采取人工方式，即腰部固定了缆绳的作业人员从库顶的入孔进入库中，手持清理工具对库壁上的水泥垢进行清理。根据对水泥生产企业调查发现，这种作业方式存在以下特点：一是因作业人员需穿戴防护衣、钢盔和呼吸滤清器等劳保用品，且身体悬挂在半空，导致行动不便，清理不彻底，甚至还会加剧水泥垢再次积聚；二是粉尘浓度高，作业环境恶劣，使作业者患上尘肺的几率大大增加，且常因粉尘导致视线过差而使作业者之间误伤，甚至发生上方大块水泥垢坍塌砸中甚至活埋下方作业者的情况，安全隐患大；三是由于受作业者的工作方式限制，作业效率低，且因该作业为高危作业，人工费用高。因此，水泥库内壁除垢一直是水泥行业的一大难题。针对以上问题，在借鉴了国内外近年来使用的机械抽打法、爆破法、声波振击法、空气炮法等诸多水泥库内壁除垢方法后，本文尝试设计一个能实现对水泥库内壁自动化除垢的机械清理器。

1 水泥库机械清理器的工作原理

图1 水泥库实物图

图2 水泥库内壁机械清理器的结构图

图3 水泥库内壁机械清理器的装配图

图4 手动定位调整机构结构图

如图2 所示，水泥库内壁机械清理器由手动调整机构、定位臂、定位臂俯仰机构、工作臂、工作臂回转及俯仰机构等组成。其中，在手动定位调整机构中，由手柄带动丝杠转动，实现滑块沿着丝杠上下移动，最终带动连杆转动，使连杆完成00到900的折叠转动，最终带动机械臂的其余部分到达作业位置；在定位臂俯仰机构中，由气缸带动滑块上下移动，带动连杆转动，使得定位比完成00到900的折叠转动；而定位臂也是由曲柄滑块机构组成，以气缸带动滑块上下移动，带动连杆转动展开，使得机械臂固定于水泥库内壁上；在工作臂回转机构和俯仰机构中，电机通过带传动完成丝杠转动，带动滑块移动，使工作臂（连杆）完成00到900的折叠转动，电机通过齿轮传动带动实现工作臂的回转；两个工作臂末端分别安装清理器，通过气缸实现工作臂伸缩，从而使清理器接触或离开内壁。

2 水泥库机械清理器整体结构设计

根据水泥库内壁水泥垢清理作业流程，清理作业时，需先将机械清理器运送到水泥库顶端，并从水泥库顶端入口处放置入水泥库中，由于考虑防潮等因素，水泥库入口尺寸一般都较小，因此，在保证功能的基础上，机械清理器必须尽量使设计结构紧凑。在设计过程中，按照原理图，先利用绘图软件进行整体装配图设计，接着根据装配图对零件图进行设计，再运用三维建模方式进行零件建模、装配，从而发现平面设计中存在的如运动范围不足、零件相互干涉或结构设计不合理等的问题，进而改进原有设计，最终确定水泥库内壁水泥垢机械清理器装配示意图如图3 所示。

2.1 手动定位调整机构

手动调整机构具体如图4 所示，其功能主要通过曲柄滑块机构得以实现：以手动方式转动手柄，通过齿轮传动和螺旋传动，实现滑块在竖直方向沿着丝杠上下移动，即利用曲柄滑块机构完成机械臂的定位和调整，根据再设计确定手动定位调整机构中曲柄滑块机构安装形式，通过合理优化设计曲柄滑块机构各个铰链的位置和各个连接杆的长度，能够使得手动定位调整机构驱动力小并且结构紧凑。

2.2 其他关键结构

2.2.1 定位臂俯仰机构。定位臂俯仰机构主要由滑块、连杆和定位臂组成曲柄滑块机构，由气缸带动滑块沿着竖直方向移动，滑块带动连杆运动，连杆带动定位臂转动，从而使定位臂完成俯仰动作。2.2.2 工作臂回转及俯仰机构。工作臂回转及俯仰机构仍是利用由滑块、连杆和工作臂组成的曲柄连杆机构实现功能，其中电机通过螺旋传动带动滑块沿着竖直方向上下移动，并将运动通过连杆传递给工作臂，使工作臂完成转动，实现工作臂的俯仰动作。

3 水泥库机械清理器技术特点及应用

3.1 与传统的水泥垢清理技术相比，使用机械自动化的机械清理器进行水泥库内壁清理，自身运动相对灵活，对工作环境要求不高，因此能够相对快速、有效地进行水泥垢清理，具有清理效率高、清理效果好、作业安全性好、作业成本低等特点。

3.2 该设计目前已在广东粤秀水泥公司、广东飞鹿水泥公司等企业进行了试用推广，效果良好。公司反馈水泥库内壁水泥垢清理效率大大提高，同时，清理能耗降低，且完全消除了工作环境对作业人员的人身危害，所产生的经济效益和社会效益都非常显著。

4 机械臂设计改进思考

从经济效益和社会效益来看，该设计都有十分好的应用推广价值。根据国内外最新技术进展情况，该设计还可以在两方面进行改进：

4.1 在清理水泥垢过程中，清理器端会使整个设备产生一定震动，为保证设备正常运行，需要控制清理器端的工作频率，使其不与设备产生共振。因此，可通过对机械清理器进行模态分析，计算其固有频率。

4.2 根据目前高压水射流技术的发展情况，其清理器端可以采用高压水射流技术，则可变清理为强力清洗，效率、效果会更好。因此，可进行二次开发，将整套高压水射流清洗枪设备与可自动化作业的机械清理器整合，使机械清理器的工作臂带动高压水喷枪进行清理。如果在以上两方面能持续深入研究，则水泥库内壁水泥垢机械清理器样机的研究将会更适用于实际情况，有望进一步提高水泥库内壁水泥垢清理的作业效率，降低清理能耗，为大中型水泥生产企业乃至类似行业带来更大经济效益。