王静 常小兰
西安宇星石油机械新技术开发有限公司 陕西 西安 710032
摘要：大型机械设备具有生产效率高、装载能力强、工作稳定可靠、工作环境恶劣、维修难度大的特点，主要应用于煤矿开采、工程建设、物资运输、石油化工、水电等领域。当这些大型机械设备需要检修或者维修时，拆装螺栓将是一项非常棘手的工作。维修人员不仅需要携带工具攀爬到较高的作业点，而且需要拆装数量较多的高扭矩螺栓。这种维修方式劳动强度高，影响了机械设备的维修效率，阻碍了生产，并具有一定的危险性。因此设计一种辅助螺栓拆装设备来减轻维修人员劳动强度，提供可靠维修支撑，提高维修效率是非常有必要的。鉴于此，本文对大型机构设备螺栓拆装辅助机械臂设计进行了探索。
关键词：大型机构设备；螺栓拆装辅助机械臂；设计
本文设计的辅助机械臂主要由助力机械臂、液压升降平台、电驱动模块和支撑装置组成。助力机械臂集成气弹簧实现助力功能，可在一定范围内补偿螺栓拆装工具的自重。机械臂作业范围大，使用灵活。助力机械臂采用两段臂的设计思想，并且可以绕基座360度旋转，可以在升降平台固定的情况下，实现水平和垂直移动。机械臂集成了液压升降平台和电驱动模块。液压升降平台采用剪叉式升降机构，在液压缸的驱动下，可以实现平台的高低位置调整，以满足不同位置螺栓的拆装需求。电驱动模块包括驱动电机、刹车装置、蓄电池、控制器、操作面板等组成。在移动该装备时采用电驱动的方式，可减轻维修人员的劳动强度，提高维修效率。刹车装置采用可靠的气缸刹车装置，刹车稳定可靠。支撑装置分布在装备两侧，可为辅助机械手的高空作业提供可靠支撑，防止失稳现象的发生，提高维修作业的安全性。
1助力机械臂设计
1. 1助力机械臂作业空间
助力机械臂采用两段臂的设计结构，在每段臂的连接处以及第一段臂和底座的连接处均采用360度旋转设计。这种设计结构可以提高助力机械臂的柔性，满足各种工况的作业需求。在拆装大型机械设备螺栓时，螺栓的分布分散，要求维修设备具有较大作业空间。本文所设计的助力机械臂在固定底座的情况下作业半径最大可达2m，满足一般大型机械设备的维修需求。
1. 2助力机械臂腕部结构设计
大型机械设备螺栓的位置分散，角度不一。就要求助力机械臂的腕部具有非常高的柔性，能够适应各种位置和角度的螺栓拆装。本文跟实际需要，设计出了具有高柔性的腕部结构，该结构在X轴具有140°的活动范围，在Y轴和Z轴具有360°的活动范围。
1. 3螺栓拆装工具的重力补偿及气弹簧选型计算
大型机械设备螺栓的数量较多，部分螺栓位置较高。在维修作业过程中，维修人员长时间手持沉重的拆卸工具会非常劳累，阻碍了维修效率。因此需要机械臂实现拆装工具的重力补偿，从而减轻维修人员的劳动强度，提高维修效率。本装备采用气弹簧作为助力机械臂的重力补偿元件。气弹簧是一种可以实现支撑、缓冲、高度调节的部件，广泛应用于机械设备中。本装备采用自由式气弹簧，该类型气弹簧主要起支撑作用，只有最短、最长两个工作位置，在行程中需要维修人员施加辅助力固定机械臂。所施加的辅助力远小于维修工具的重力，从而实现维修工具的重力补偿，减轻维修人员的负担，提高维修效率。气弹簧在整个工作行程内力值变化较小，在最短和最长两个工作位置的推力相差不大，运动平稳，因此为方便计算，可以将气弹簧的输出力近似为恒力。本文将机械臂的长臂、气弹簧、长臂座作为研究对象，进行受力分析。
为了计算方便，忽略了长臂的自重。设：维修工具的重力为G，气弹簧的输出力为F，长臂的长度为l，气弹簧相对于长臂旋转中心的力臂为l1，维修工具重力的力臂为l2，气弹簧与长臂连接点到旋转中心的距离为l3，气弹簧旋转中心与长臂旋转中心的距离为l4，气弹簧的长度为l5，气弹簧与长臂的夹角为α，长臂与垂直方向的夹角为θ。
根据力矩平衡，可得:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
根据公式(1)一(5)可得:
(6)
由公式(6)可知，当助力机械臂的长臂向下旋转时，角B逐渐增大，若仍然要保证助力机械臂力矩平衡，那么所需维修工具的重力G也是逐渐增大的。由此可见，当维修工具的重力不变的情况下，助力机械臂有停留在上极限位置(气弹簧完全伸展的位置)的趋势。因此，本文以助力机械臂的上极限位置计算气弹簧的输出力。常用的大型螺栓拆装气动扳手重量约为10 Kg，本装备采用两根气弹簧设计，将相关参数带入公式(6)，可得单根气弹簧的输出力F约为1 200 N。因此本装备应选用两根承重不小于1 200 N的气弹簧。
2液压升降平台设计
升降平台采用剪叉式结构，利用液压油缸驱动平台升降。剪叉式升降平台具有结构紧凑、可控性好、适合于高空作业的优点叫。大多数升降平台采用人力脚踩或者手摇的方式控制平台升降，效率较低。为了减轻维修人员劳动强度，提供维修效率，本装备采用电控液压的方式控制平台升降，维修人员可以通过上升和下降按钮方便快速的控制平台高度。
平台上升时先打开手动开关，然后按下控制面板的上升按钮。液压油在电动泵的驱动下由油箱经油滤流向液压缸，液压缸伸展驱动平台上升。到达预定高度后，按下控制面板停止按钮，电动泵停止工作，单向阀可以防止液压油回流，再关闭手动开关，防止液压系统泄压。当液压缸达到最大行程后，未关闭电动泵时液压系统的油压会急剧升高，容易损坏系统元件。因此本系统设计有安全阀，可有效防止系统油压过高造成的危害。平台下降时需打开手动开关，平台利用自重下降。本系统设计有快速下降和慢速下降两种下降方式，由控制面板按钮控制。快速下降时，液压油由液压缸经快速泄压电磁阀和油滤直接回流油箱。慢速下降时，液压油由液压缸经慢速泄压电磁阀、节流阀、油滤流回油箱。两种下降方式的设计不仅可以满足复杂的作业工况，而且提升了维修作业效率。
3电驱动模块设计
电驱动模块主要由驱动电机、刹车装置、蓄电池、控制器、操作面板等组成。驱动电机使用直流无刷电机，功率大，寿命高，适合于恶劣作业环境。刹车装置采用气动盘刹结构，工作稳定，刹车可靠。蓄电池使用48V铅酸电池组，稳定性高。控制器与控制面板相连，可以进行前进后退控制、速度调节刹车以及平台的上升下降。
4支撑装置结构设计
在高空进行维修作业时，要求装备必须能够提供稳定的支撑，因此本装备设计有支撑结构。该支撑结构收缩后可贴附于装备两侧，占地空间小，便于装备的灵活移动。支撑结构打开后可为装备提供稳定的维修支撑，安全性高。该装置设计有快速支撑收放机构，可根据场地高低实现支撑柱的快速收放。当按下锁体的突出按钮时可以解锁支撑柱，支撑柱就可以上下自由移动。当释放锁体的突出按钮时，在弹簧的推动下支撑柱上的凹槽与锁体上的凸起相互插入，实现支撑柱的锁止。
5结语
本文针对大型机械设备的维修特点设计了螺栓拆装辅助机械臂，该装备结构简单、操作方便、移动灵活、工作可靠、能够有效提升维修效率。适用于工程机械、矿山机械、大型车辆等大型机械设备的螺栓拆装作业。
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