胎胚輸送機(jī)械手輕量化改造應(yīng)用

王發(fā)，劉世顯，陶海

(合肥萬力輪胎有限公司，安徽 合肥 231137)

新中國成立初期，受到前蘇聯(lián)重工業(yè)的影響，我國也大力發(fā)展鋼鐵經(jīng)濟(jì)，但當(dāng)時材料及工藝也是剛剛起步相對落后，因此設(shè)備零部件設(shè)計以鋼構(gòu)為主，過高的安全系數(shù)導(dǎo)致設(shè)備自身笨重且性能較差；隨著我國工業(yè)發(fā)展，新材料新工藝取得很多進(jìn)步和突破，各行各業(yè)也都逐漸推廣應(yīng)用了新材料和新工藝，例如輸送線鋁型材、塑鋼窗、高分子軸承、自潤滑軸承等等，原有的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)備在對比之下就有了能耗高、故障率高、維護(hù)成本高等缺點。

我國在經(jīng)濟(jì)上實現(xiàn)了逐年穩(wěn)步增長，但也是付出了巨大的資源和環(huán)境破壞的代價，不利于可持續(xù)發(fā)展。同時，經(jīng)濟(jì)全球化及全球變暖的“雙刃劍”也促使我們解放思想落實科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會主義和諧社會。因此，調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變增長方式勢在必行，各個企業(yè)要想方設(shè)法節(jié)約發(fā)展、清潔生產(chǎn)，實現(xiàn)節(jié)能降耗，以應(yīng)對全球氣候的迫切需要，實現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。

1 輕量化技術(shù)

輕量化最早起源于賽車運動，最初的目標(biāo)主要是降低賽車的重量，可以實現(xiàn)更好的操控性，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)換出更多動力用以提升加速度，其制動性能也顯著提升；后來隨著節(jié)能降耗理念深入逐步推廣到普通汽車，降低重量后在輸出功率提高、噪音和油耗降低、廢氣排放減少等多方面都有顯著提升，備受國內(nèi)外各個車企的歡迎，因此汽車輕量化技術(shù)發(fā)展迅速。

時至今日，輕量化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成一個系統(tǒng)工程，主要是指輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計、輕量化材料、輕量化制造工藝等集成應(yīng)用，降低重量的同時實現(xiàn)性能和成本等綜合因素優(yōu)化，其主要發(fā)展方向也是從設(shè)計（輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計薄壁化、中空化、復(fù)合化等）、材料（高強度鋼、鎂鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料及陶瓷等應(yīng)用）、工藝（熱壓成型、液壓成型、粉末冶金等）等著手，其發(fā)展程度也各不相同，主要取決于輕量化對象，本文講述的就是胎胚輸送機(jī)械手關(guān)鍵鋼構(gòu)件的輕量化改造探索及推廣應(yīng)用情況，為節(jié)能降耗行動的實施提供一個參考依據(jù)。

2 胎胚輸送機(jī)械手

2.1 胎胚輸送機(jī)械手簡述

傳統(tǒng)輪胎工廠在胎胚成型后胎胚放置在胎胚托盤或胎胚轉(zhuǎn)運車上通過叉車或電瓶拖車或者人工推送至硫化機(jī)臺，再人工方式搬運至硫化機(jī)存胎器上，特別是生產(chǎn)重量很大的全鋼輪胎時，體力勞動強度很大、生產(chǎn)效率低、胎胚易污染且存在搬錯胎的問題。在智能綠色工廠建設(shè)宗旨下，我司在胎胚輸送率先采用輸送線、胎胚立體庫及胎胚輸送機(jī)械手等，實現(xiàn)了胎胚自動化輸送。

如圖1，胎胚輸送機(jī)械手主要用于從輸送線取胎位抓取胎胚，經(jīng)空中軌道輸送，能夠?qū)⑻ヅ咚偷疆?dāng)前生產(chǎn)線15臺硫化機(jī)中任意一臺硫化機(jī)存胎位上，由于硫化機(jī)是雙模硫化機(jī)，因此胎胚輸送機(jī)械手采用雙工位設(shè)置，每次抓取兩個胎坯提高了胎胚輸送效率。胎胚輸送機(jī)械手含有4個自由度，分別是水平行走X軸、垂直升降Y軸、前后伸縮Z軸、擴(kuò)張收縮T軸，其中軌道利用車間現(xiàn)有建筑立柱作為主要支撐，通過X軸減速電機(jī)帶走主動輪水平行走跨距移動，利用Y軸伺服電機(jī)帶動同步帶實現(xiàn)上下升降，Z軸伺服電機(jī)實現(xiàn)從取胎位到存胎位的水平移動，T軸負(fù)責(zé)擴(kuò)張和收縮完成胎胚的抓放動作。

胎胚輸送機(jī)械手主要有行走裝置、升降裝置、伸縮裝置、抓手裝置等組成，主要采用鋼構(gòu)件，整機(jī)重量高達(dá)2 635 kg。

胎胚輸送機(jī)械手電氣部分采用滑觸線供電，安裝于X軸導(dǎo)軌上，集電臂、光通訊和激光測距以及電控箱安裝在機(jī)械手行走裝置上，其中電控箱內(nèi)置散熱空調(diào)以保證在硫化的高溫環(huán)境下整個電控系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。電源通過滑觸線進(jìn)入集電臂后接入行走裝置，電控系統(tǒng)以無線通訊方式與上位機(jī)交互控制整個胎胚輸送機(jī)械手的運行。

2.2 運行現(xiàn)狀

胎胚輸送機(jī)械手自投入使用以來運行時間超過4年時間，故障率一直居高不下，已嚴(yán)重制約產(chǎn)量的提升，經(jīng)分析主要原因如下：

（1）胎胚輸送機(jī)械手框架原廠家設(shè)計時采用全碳鋼制作，導(dǎo)致整機(jī)重量過大，高達(dá)2 635 kg，其中僅升降機(jī)機(jī)構(gòu)達(dá)998 kg，屬于懸臂結(jié)構(gòu)形式，運行中單側(cè)受力較大，行走裝置承載過大使得行走導(dǎo)向輪處于超負(fù)荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

（2）行走輪及導(dǎo)向輪等采用鐵芯聚氨酯包膠，因硫化車間溫度高于室溫，特別是夏季高溫天氣，摩擦熱量難以及時散去，24 h不間斷運行導(dǎo)致整個行走導(dǎo)向輪易老化和磨損。

（3）因機(jī)械手過重出現(xiàn)同步帶故障頻繁，導(dǎo)輪安裝板出現(xiàn)焊縫爆裂后變形，加劇輪子損壞及存在嚴(yán)重的安全隱患。

（4）行走導(dǎo)向輪是5＂的鐵芯聚氨酯輪子，質(zhì)量上佳的包膠工藝的輪子在2 m/s的速度下承重約500 kg，很難達(dá)到設(shè)計時承重650 kg的要求，涉及包膠工藝穩(wěn)定性及備件成本問題，也是故障頻繁發(fā)生的一個原因。

由于胎胚輸送機(jī)械手從動輪頻繁故障，帶來了一下不利影響：

（1）更換導(dǎo)輪高空作業(yè)風(fēng)險及夏季高溫作業(yè)風(fēng)險增加。

（2）因機(jī)械手重量過大，導(dǎo)輪頻繁損壞增加備件費用（約180個/年），約3萬元/年（含軸承等配件費用）；升降同步帶及滑塊等損壞增加備件費用約4萬元/年，共計7萬元/年。

（3）機(jī)械手從動輪故障頻繁（月均9.23 h/臺/、7.63次/臺），待料約2 399條/月，影響生產(chǎn)銷售，特別是急需的確保規(guī)格生產(chǎn)難以保證。

（4）升降機(jī)構(gòu)一級和二級之間使用同步帶，因重量過大，也出現(xiàn)頻繁損壞，存在斷裂掉落風(fēng)險，已出現(xiàn)至少3次同步帶及壓板固定失效，機(jī)械手墜落，已增加機(jī)械限位，但在大重量沖擊下有脫焊風(fēng)險，存在嚴(yán)重安全隱患。

（5）因機(jī)械手升降裝置重量過大，所有的機(jī)械手上側(cè)導(dǎo)輪安裝板都出現(xiàn)焊縫爆裂，已進(jìn)行補焊處理及加固，但仍然時有發(fā)生，存在嚴(yán)重安全隱患。

（6）各個減速電機(jī)及伺服電機(jī)在無效負(fù)載下運行，能耗也一直居高不下，增加企業(yè)運行成本。

（7）從動輪故障時掉落聚氨酯碎屑有掉落到胎胚表面風(fēng)險，后工序X光檢查出異物雜志造成返修，觸及質(zhì)量紅線。

鑒于以上，經(jīng)評估后硫化機(jī)械手開展了輕量化試點改造。

3 輕量化改造技術(shù)方案

3.1 輕量化改造方向

具體怎么改，主要從以下三點著手：

（1）由于是舊設(shè)備輕量化改造，涉及設(shè)備兼容性、穩(wěn)定性等，在沒有設(shè)計廠家精準(zhǔn)設(shè)計校核的情況下宜采用原設(shè)備的尺寸更換新材料的方式替換，保證生產(chǎn)的連續(xù)性運行。

（2）考慮到是首次嘗試，整體更換成本較高，選擇設(shè)備主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部輕量化改造。

（3）從可控成本及繼續(xù)推廣方面，選擇采用與鋼材性能接近、應(yīng)用場景最多的輕質(zhì)金屬材料：鋁合金；

胎胚輸送機(jī)械手主體部分主要分為行走裝置、升降裝置、伸縮裝置、抓手裝置等四個部分，從以下三個方面評價改造方向：

（1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度：按復(fù)雜到簡單排序依次為行走裝置（組焊件較多）、抓手裝置（圓弧件等不規(guī)則件較多）、伸縮裝置（加工件組裝而成）、升降裝置，其中升降裝置是兩級倍速機(jī)構(gòu)，由一級伸縮框架、限位座、二級升降機(jī)構(gòu)、牽引帶座、導(dǎo)軌等組成，一級伸縮架通過皮帶將二級伸縮架帶動，二級伸縮架下降速度是一級伸縮架的2倍，框架和伸縮機(jī)構(gòu)由鋼板折彎后沖壓加強孔形成，結(jié)構(gòu)簡單，易于改造后的鋁合金加工成型。

（2）更換材料后減重程度：胎胚輸送機(jī)械手總重達(dá)2 635 kg，分布依次為行走裝置973 kg、升降裝置998 kg、伸縮裝置422 kg、抓手裝置241 kg，更換鋁合金材料后升降裝置預(yù)計可減重520 kg，因此選擇改造升降裝置。

（3）零部件組成：行走裝置中含有的減速電機(jī)、電缸、主動輪及導(dǎo)輪、電控箱等是不能輕量化改造，升降裝置中除導(dǎo)軌和同步帶外其余均可輕量化改造，伸縮裝置和抓手裝置電氣件較多且已經(jīng)有部分零部件是鋁合金材質(zhì)，改造空間有限。

綜上，選定升降機(jī)構(gòu)作為此次輕量化改造試點。升降裝置示意圖如圖2所示。

3.2 改造可行性分析

整個升降機(jī)構(gòu)去除導(dǎo)軌、伺服電機(jī)、同步帶及滑塊等標(biāo)準(zhǔn)件，改造零部件主要是一級伸縮框架、限位座、二級升降機(jī)構(gòu)、牽引帶座等，輕量化優(yōu)化之后主要從以下三個方面進(jìn)行分析：

（1）重量大幅度減輕：原一級伸縮框架及二級升降機(jī)構(gòu)材質(zhì)均為Q235碳素鋼，材料密度為7.85 t/m3，重量分別為212 kg/182 kg。改造材料為5052H34鋁合金，材料密度為2.72 t/m3，重量分別為73 kg/61 kg，一套機(jī)械手輕量化總計減重520 kg，改造后整個升降機(jī)構(gòu)重量為476 kg，僅為改造前的47.75%。

（2）材料與強度方面：原材料為Q235碳素鋼，屈服強度235 MPa，抗拉強度為370 MPa，焊縫強度能達(dá)到機(jī)體的100%。改造后為5052H34鎂鋁合金，屈服強度180 MPa，抗拉強度最高可達(dá)280 MPa，焊縫強度能達(dá)到機(jī)體的95%。改造后強度減弱，屈服強度減弱不到10%，抗拉強度減弱幅度比較小，焊縫強度同基體強度。

（3）工藝分析：原始材料為Q235碳素鋼，易于焊接，在鋼的體系里，強度較低，但塑性較好。改造后材料為5052H34鎂鋁合金，在鋁合金家族中使用最普遍，強度適中，延展性極佳。改造后強度減弱，但塑性增強，延展性增強。

結(jié)論：改造后，整個升降機(jī)構(gòu)的強度存在一定程度的減弱，但是尚在起重設(shè)備結(jié)構(gòu)件安全系數(shù)最小值范圍內(nèi)，同時整體重量大幅度降低，經(jīng)過減重后，有效使執(zhí)行機(jī)構(gòu)減輕負(fù)載，大大提高了行走機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的使用壽命；經(jīng)過減重，減少了人員更換配件的頻率和時間，從而提高了生產(chǎn)效率。因此，此次的輕量化改在是可行的，可以試點改造后觀察再推廣實施。

3.3 試點機(jī)臺改造

為保證正常生產(chǎn)，試點機(jī)臺更換安排在停產(chǎn)檢修時間，經(jīng)過三天更換及調(diào)試，空負(fù)荷試車無異常，復(fù)產(chǎn)后帶負(fù)荷試車運行滿足相關(guān)運行性能參數(shù)，胎胚抓取輸送正常，可以投入生產(chǎn)。

經(jīng)過一年的運行觀測，試點的胎胚輸送機(jī)械手未出現(xiàn)損壞和變形狀況，從動輪及升降裝置等故障由改造前月均9.23 h/臺/、7.63次/臺降至月均0.83 h/臺/、0.38次/臺（見圖3），遠(yuǎn)低于其他線，輕量化改造效果良好，見圖3。

4 總結(jié)推廣

4.1 改造后收益

（1）節(jié)省導(dǎo)輪、滑塊以及同步帶等備件約7萬元/年。

（2）減少處理故障時的高空作業(yè)及夏季高溫作業(yè)風(fēng)險。

（3）解決因同步帶及焊縫爆裂等超負(fù)荷運行產(chǎn)生的機(jī)械手掉落安全隱患。

（4）降低機(jī)械手故障時間，提高生產(chǎn)效率約2 399條/月。

（5）整機(jī)重量由原來的2 635 kg降低至2 115 kg，行走的減速電機(jī)和升降的伺服電機(jī)綜合能耗降低，節(jié)能降耗明顯。

4.2 推廣實施

經(jīng)過試點胎胚輸送機(jī)械手運行一年評估，輕量化改造效果在故障率、維護(hù)成本、能耗及安全生產(chǎn)等各方面都有著明顯的降低，具有改造可操作性，經(jīng)過推廣立項及改造實施，現(xiàn)已完成其余胎胚輸送機(jī)械手的輕量化改造。

5 結(jié)語

在碳達(dá)峰、碳中和時間節(jié)點之前，原有生產(chǎn)中的設(shè)備進(jìn)行節(jié)能降耗改造中輕量化改造是一個十分重要的課題，但輕量化改造要保證生產(chǎn)的可持續(xù)性、性能的穩(wěn)定性、使用的可靠性的前提下進(jìn)行，如果不能實現(xiàn)設(shè)計方面精準(zhǔn)校核，應(yīng)以局部試點改造評估后推廣，穩(wěn)步扎實推進(jìn)節(jié)能降耗行動。