石墨管电炉自动进舟装置的设计

2021-10-21潘登

四川有色金属 2021年3期

潘登

（自贡硬质合金有限责任公司，四川自贡 643011）

1 前言

在碳化钨生产中，需要将原料盛在舟皿中定时送入石墨管电炉加热碳化，石墨管电炉采用连续工作制运行，每间隔十分钟就要送一个舟皿进炉，单个舟皿装料后重30kg，目前这个工作依靠人工完成，劳动强度大，同时人工操作容易碰碎石墨材质的舟皿，操作不及时还会影响产品质量和产量，因此设计一个输送装置能自动定时输送舟皿进入石墨管电炉的炉管，该输送装置同时还需要满足以下要求：

①将输送链上的每个舟皿存放位置固定，以便于VGA搬运车自动将舟皿批量补充入输送链。

②舟皿是圆柱形，要求输送装置运行平稳，避免输送中碰碎石墨材质的舟皿，舟皿不能滚动倾倒出原料。

2 方案设计

本文按照要求制定了多个技术方案，设计者通过对结构的可靠性、可操作性、可维修性、制造工艺性、制造成本等方面的论证,确定技术方案为：输送装置采用PLC程序控制自动运行，采用双平行四边形机构实现步进输送传动，利用舟皿的圆柱形表面两条长素线和舟皿的一个端面定位在输送装置上，输送装置采用电机减速机驱动低速运转，定时步进输送一个舟皿到进舟工位，然后采用气缸将进舟工位上的舟皿自动推入石墨管电炉内。方案中用于舟皿步进输送传动的双平行四边形机构简图如图1所示：

图1 双平行四边形机构简图

图1中存在ABCD、EFGH两组四杆机构，连杆AB、CD、EF、GH长度相等，连杆BC、FG及机架AD、EH长度相等，且存在长度关系：AB＜BC，因此ABCD、EFGH两组四杆机构均为平行四边形机构，平行四边形机构ABCD、EFGH具有完全相同的机械运动特性，即曲柄AB、CD、EF、GH转向相同且具有相同的角速度，连杆BC、FG始终保持平移运动［1］。连杆FG、BC刚性连接在一起形成构件BCFG，将构件BCFG看做平行四边形机构ABCD的连杆，则构件EF、GH通过低副联接对构件BCFG形成了虚约束，提高了构件BCFG的稳定性［2］。构件BCFG上任意一点P的运动轨迹为一个圆，轨迹圆的半径等于曲柄长度AB［3］。如图1所示机构自由度数目为1，因此只需一个动力源驱动曲柄AB整个机构即可运转［4］，同时在曲柄AB、CD上复合一组链传动，防止从动曲柄和连杆在两个死点位置出现运动方向的不确定性［5］，曲柄AB、CD、EF、GH始终保持同向转动。

采用带电机减速机作为双平行四边形机构的动力源，用双平行四边形机构实现舟皿的径向水平步进传送，石墨管电炉需要以8个舟皿为一个批次运行，以8个舟皿满载重量为负载计算选型减速机，图1中的构件BCFG作为动梁托举输送舟皿，则每个舟皿和图1中的点P具有相同的运动轨迹，根据舟皿直径确定最小步进距离，依据最小步进距离设计曲轴和曲轴链轮（曲柄AB、CD、EF、GH），其中链轮传动功率与减速机功率相等，再根据8个舟皿摆放尺寸及减速机尺寸设计动梁（构件BCFG）及机架（AD、EH）。依据单个舟皿的重量及轴向传送距离选择滑台气缸作为轴向传送的动力源。整套装置采用CREO设计完成后经运动仿真检验可行，石墨管电炉自动进舟装置如图2所示。

图2 石墨管电炉自动进舟装置

机架8上固定装配有减速机14和带座轴承11，从动轴12装配在两个带座轴承11上，减速机14两侧的输出轴上分别装有一个曲轴链轮13和曲轴10，从动轴12两端也对应装有一个曲轴链轮13和曲轴10，连杆9通过轴承与上述的曲轴链轮13和曲轴10上的偏心轴连接，动梁6采用螺杆固定将四个连杆9与之连接成一个刚性整体。

从图2所示装置的前侧来看机构联结组成了平行双曲柄机构，其中减速机14是平行双曲柄机构的动力源，两个尺寸和装配相位完全相同的曲轴10为平行双曲柄机构的双曲柄，两个连杆9和动梁6组成的刚体为平行双曲柄机构的连杆，机架8为平行双曲柄机构的固定机架，由平行双曲柄机构的运动特性可知：当减速机14带动曲轴10转动时，动梁6将做平移运动，动梁6上任一点的运动轨迹为圆，该圆的半径等于曲轴10的回转半径R。

如图2所示当曲轴10处于水平零相位时，动梁6上平面与机架8上平面处于同一水平面上，动梁6上平面上焊接有一排长圆管，机架8上平面焊接有两排短圆管，每个长圆管两端各一个短圆管同轴排列，每两个长圆管和四个短圆管为一组作为圆舟皿5的定位支撑，每组长短圆管之间的中心距为2R，图2所示机构中有九组（组数根据需求而定）圆管按这样的规律排列，使用时可以一次最多摆放八个圆舟皿5，最左面一组圆管用做推舟工位不摆放舟皿，机架8一侧焊接有挡板用于八个圆舟皿摆放时轴向定位。

装置工作时，PLC程序定时自动启动减速机14驱动双平行四边形机构开始运行，当曲轴10从水平零相位逆时针转动180°，动梁6将托举圆舟皿5沿着一个半径为R的半圆轨迹转动，圆舟皿5在水平横向的移动距离为2R，刚好从机架8的一组短圆管上移动到了下一组短圆管上。当曲轴10继续从180°逆时针转动到360°时，圆舟皿5停留保持在机架8的短圆管上，动梁6做空转运动复位，动梁检测开关7检测到动梁6已转动一圈回到初始位置时给PLC输入信号，通过PLC程序控制减速机14及平行双曲柄机构停止。当曲轴10每旋转一周，圆舟皿5在机架8上的位置水平移动一格（水平移动距离为2R），随着曲轴10的逆时针多次定时旋转，圆舟皿5可以从机架8的最右格步进到最左格的推舟工位。

从图2所示装置的后侧看有一组同样的平行双曲柄机构，其中减速机14是该平行双曲柄机构的动力源，两个尺寸和装配相位完全相同的曲轴链轮13为该平行双曲柄机构的两曲柄，两个连杆9和动梁6组成的刚体为该平行双曲柄机构的连杆，机架8为该平行双曲柄机构的固定机架，该平行双曲柄机构和前侧的平行双曲柄机构公用机架、动力源、连杆，仅增加了两个曲柄，其运动轨迹及运动特性与前侧平行双曲柄机构完全相同，这样的重复设计是为了提高动梁6的支撑稳定性，保证动梁6对多个圆舟皿5的承载能力。

为了消除平行双曲柄机构的从动曲柄在死点位置的运动方向不确定问题，两个曲轴链轮13之间用链条传动连结，并始终保持链条处在张紧状态，这样从动轴11就可以始终保持和减速机14输出轴同向转动。

在机架8的左端装配有滑台气缸1，滑台气缸1的滑块上装有支架3，支架3上装有推板4，当圆舟皿5被步进传送到机架8最左端的推舟工位时，舟皿检测开关2检测到推舟工位有圆舟皿5时给PLC输入信号，通过PLC程序控制滑台气缸1运行，滑台气缸1带动推板4往复运动，将圆舟皿5逐个沿着圆管组成的定位支撑轨道推进石墨管电炉的炉管，完成整个石墨管电炉的自动进舟过程。