阴极铜垛自动装车系统专用吊具设计

冯 敏 王勇刚 应 峰 刘望保 黄 维

株洲优瑞科有色装备有限公司技术部 株洲 412000

0 引言

2020年5月《2020年政府工作报告》中特别指出：要推动国家制造产业链的升级，要推动国家新兴产业的发展，大幅提高科技创新的支撑能力，拓展5G技术在各个行业的应用等。国家出台了一系列配套政策推动高端智能再制造的切实落地，在这些政策背景下，有色冶炼行业的技术升级，现代立体仓储技术的运用，使生产实现自动化、智能化、无人化得到大力发展。

国内外物流行业的飞速发展，企业在货物的运输卸料装车作业中对效率的追求日益迫切[1]，国外在自动装车卸料系统研发方面走在世界前列。近年来，国内各大设备厂商在货物自动装车系统的研发上做了很多尝试，水泥、粮食等行业都取得了很好的效果。国内外自动装车卸料采用的设备各有不同，有胶带输送机、链条输送机，也有桁架抓手或机器人，还有采用智能起重机等不同方式，应用效果各有不同。

本文主要阐述国内有色冶炼行业阴极铜自动化立体仓库建设中的全自动卸料装车系统所需专用吊具的研发，采用智能起重机搭配专用吊具实现自动卸料装车的作业流程。

1 设计方案与力学分析

阴极铜剥片机组生产出来的铜为合页铜片，单片质量为160～180 kg，长宽均约1 050 mm，根据贸易称重规则，每垛阴极铜总质量控制在2.5 t，误差±50 kg，所以，每垛阴极铜含有13～16片合页铜，1垛阴极铜的高度大约为300～500 mm，在装车前阴极铜垛均已用钢带打好包。

吊具的应用范围很广，结构种类繁多[2]，根据生产节拍要求以及自动起重机的工作频率，要求吊具一次抓取2垛阴极铜，车辆的宽度在2.5 m以内，考虑同时放下2垛铜后，车辆的宽度空间已显局促，装车后2铜垛间的间隙大约为200 mm，留给吊具设计的结构空间仅有100 mm。另外，还要求吊具结构简单、安全、可靠，综合考虑以上各种因素，吊具采用连杆夹钳式结构，吊具夹钳受力分析如图1所示。

图1 吊具夹钳受力分析

根据力矩平衡原理，夹钳夹取铜垛时绕铰点O的力矩须平衡，则有

式中：T为夹钳夹取铜垛所需的0.5倍提升力，α为连杆拉力与T的夹角，Ff为铜垛与夹钳间的摩擦力，Fn为夹钳加紧时铜垛所受正压力，A为Fn绕铰点O的扭矩力臂，L为T传递给连杆的拉力绕铰点O的扭矩力臂。

单根连杆传递给夹钳的夹紧力须能夹取铜垛不掉落，则需满足

式中：G为铜垛质量，K为夹钳与铜垛间的夹紧系数。

将式（2）、式（3）代入（1）式，得

简化式（4），求得夹紧系数K为

根据上式计算，调整式中A、B、L、α的值，得到满足要求的K值，大于1.2即可[3]。得到夹钳结构尺寸如图2所示。

图2 吊具夹钳结构尺寸

夹钳夹取铜垛夹臂处在最大的开度时，夹臂结构与铜垛的间距留有50 mm，从动连杆长为350 mm，传递连杆与从动连杆的铰点间距为250 mm。

2 结构设计

根据上面的方案计算和分析，运用Solidworks软件对吊具结构进行三维建模，得到吊具的结构如图3所示，确认了整体结构设计的合理性。

从图3可以看出，吊具通过上安装架和下安装架装在起重机的小车架上，卷扬机上缠绕的钢丝绳通过与吊具滑轮相连控制吊具的升降。导向架设计有两级导向结构以适应铜垛装车高度要求。小车架安装在吊梁上，吊梁的底部安装了回转支撑，实现了吊具夹钳旋转功能。回转支撑安装了轴编码器，精确控制吊具的旋转角度，适应铜垛装车时的放置方向要求以及车辆停放偏斜的工况。回转支撑的底部连接中间梁，连杆组通过销轴安装在中间梁上，连杆组下方连接吊具的夹钳，夹钳的2侧设计有安全钩机构，防治铜垛掉落造成事故。夹钳、安全钩的开合均靠气缸来驱动。夹钳由1对夹臂组成，共有2对夹钳，能满足同时抓取2垛阴极铜的要求。

图3 吊具结构

3 关键部件吊梁强度校核

吊梁作为吊具设计的关键结构部件，起到承载吊具大部分质量的作用，其具体结构如图4所示。

图4 吊梁结构

为了确保吊梁结构设计的可靠性、合理性，对吊梁进行有限元静力分析计算[4]。吊梁材质采用Q235，其弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3×105，屈服强度为235 MPa，密度为7.856×103kgm-3。吊梁结构设计总长为1 760 mm，总宽度为812 mm，垂直高度为578 mm，总质量为472 kg。

应用Solidworks Simulation建立吊梁的有限元模型[5]。根据吊梁的结构特点，为了提高有限元分析的效率和准确性，压缩了不影响分析的各类小孔结构，有效防止了在分析时产生错误应力突变造成的计算结果错误。利用软件设置选择了合适的标准混合网格，生成高品质网格，网格划分后的有限元模型如图5所示。网格节总数为128 019个，单元总数为65 989个。

图5 吊梁有限元模型

对吊梁结构间采用全局接触，为了模拟出真实的受力状况，对4个安装滑轮销轴孔施加了固定约束，底部安装回转支撑的安装面施加负载力75 000 N，方向为垂直向下。选择解算器对模型进行运算求解，得到吊梁的应力图和位移图，分别如图6和图7所示。从图中可以看出，最大应力值为69.9 MPa，最大位移值为0.271 mm，受力较均匀，结构简单合理，约有3倍的安全系数值，属于Q235材料的合理承受范围，考虑到吊具的高安全可靠性，此安全系数满足设计要求。

图6 应力图

图7 位移图

4 结论

本文创新性地设计了一款阴极铜垛自动装车系统专用吊具，通过力学分析与计算并利用Solidworks软件对吊具进行了三维建模，确定吊具结构整体设计的合理性；采用Solidworks Simulation有限元分析模块对关键部件吊梁进行了静力学仿真计算，确认结构设计的合理性、可靠性。该吊具很好地解决了在有限空间内抓取2垛阴极铜装车作业的问题，且带旋转功能，适应车辆停放偏斜的装车工况。在有色冶炼等行业自动卸料装车方面有较好的推广应用价值。