電解陰極片自動進料機的研發(fā)

羅凌艷， 賴 煒， 鄧遠久， 朱 莉

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司， 云南 曲靖 655000)

設(shè)備及自動化

電解陰極片自動進料機的研發(fā)

羅凌艷， 賴 煒， 鄧遠久， 朱 莉

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司， 云南 曲靖 655000)

鋅、鉛、銅等電解陰極片工頻爐熔鑄通常采用人工進料，不僅勞動強度大、效率低，而且其不均勻性嚴重影響工頻爐的使用壽命。研發(fā)了一種鋅電解陰極片自動進料機，該機不僅運行平穩(wěn)，推料準確，而且維修方便，改變了工頻爐的進料方式，實現(xiàn)了熔鑄設(shè)備加料自動化。

電解陰極片； 自動進料機； 工頻有芯感應(yīng)電爐； 舉升機構(gòu)； 推料機構(gòu)

0 引言

鋅、鉛、銅等有色金屬電解過程中產(chǎn)出的陰極片，需加入到熔鑄設(shè)備中熔化鑄錠成符合國家標準的產(chǎn)品再進行銷售。通常是用行車或叉車等將鋅、鉛、銅的電解陰極片垛從堆放場地運輸?shù)饺坭T設(shè)備加料口(熔鑄設(shè)備可為工頻感應(yīng)熔鑄爐和熔鑄鍋)，由人工將陰極片加入爐中進行熔化。生產(chǎn)過程中，每臺熔鑄設(shè)備的加料口必須設(shè)專人不間斷地加料，操作環(huán)鏡差，溫度高，灰塵大，勞動強度高，工作危險繁重。此外，人工加料還存在投料時間、投料數(shù)量不均衡等弊端，造成熔鑄設(shè)備內(nèi)溫度波動大，不僅影響設(shè)備的生產(chǎn)效率，還縮短其使用壽命。

針對上述問題，設(shè)計研制了與熔鑄設(shè)備配套的鋅電解陰極片自動進料機，可均衡自動地將鋅電解陰極片加入到熔鑄設(shè)備，有效地克服人工進料的缺陷，實現(xiàn)了均衡自動加料，提高了設(shè)備壽命和生產(chǎn)效率。

1 自動進料機的工作原理

自動進料機主要由機械部分、液壓控制部分和電氣控制部分組成，圖1為進料機結(jié)構(gòu)圖。

1-舉升油缸；2-推料油缸；3-鏈輪；4-導(dǎo)向桿；5-推板；6-滑動導(dǎo)槽；7-箱體；8-機架地腳；9-機架；10-舉升缸耳軸支座；11-鏈條；12-鏈輪軸

自動進料機的工作原理為：啟動進料機油泵電機，將推料裝置舉升復(fù)位至上限位置，推料退回至復(fù)位位置。吊車將堆垛的鋅電解陰極片吊至進料機前的電解陰極片堆垛支架上，推料油缸動作進給，驅(qū)動推板將設(shè)定厚度的電解陰極片層推入電爐進料口，推料油缸動作退回，推板復(fù)位，舉升油缸動作，驅(qū)動推料裝置下降一個電解陰極片推層厚度位移，推料裝置推料油缸動作，將第二層電解陰極片垛推入電爐進料口中，推料油缸動作退回，推板復(fù)位，舉升油缸動作，驅(qū)動推料裝置下降一個電解陰極片推層厚度位移，如此循環(huán)，直至將整垛鋅電解陰極片全部推入電爐爐池中。之后再吊入下一垛鋅電解陰極片。

該自動進料機的加料方式為多塊間歇推料，每次進料動作約15 s，其中推板推出7 s，退回6 s，升降油缸每次下降動作2 s。

2 參數(shù)計算

自動進料機必須解決以下問題：

(1)進料時間及進料量的控制；

(2)清理爐壁時自動進料機整機的靈活拆卸；

(3)舉升裝置和推板裝置的可靠移動；

(4)進料的方式；

(5)結(jié)構(gòu)緊湊，能夠安裝在有限的空間——可移動式進料平臺；

(6)設(shè)備的安裝不影響吊車操作人員的視線；

(7)能夠處理碼垛不規(guī)則的鋅電解陰極片。

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場和進料操作情況，決定該進料機采用傾斜式推片方式實現(xiàn)進料。

2.1 進料機推料行程參數(shù)確定

進料機推料行程的確定：一是依據(jù)電解陰極片長度方向尺寸；二是依據(jù)進料機推板將電解陰極片完全推入進料口的水平距離；三是考慮進料機安裝位置、尺寸大小。最終設(shè)計確定進料機推片行程參數(shù)為1 000 mm。

2.2 進料機舉升行程參數(shù)確定

進料機舉升行程由鋅電解陰極片堆垛高度決定。本設(shè)計鋅電解陰極片堆垛高度為800～1 000 mm。因此進料機舉升行程設(shè)計為1 000 mm。

2.3 進料機推力計算

進料機每次需要推動的最多陰極片數(shù)量為35片，重量為m=35×25=875 kg(按鋅電解采用1.6 m2的大極板，每塊鋅片尺寸為1 100 mm×790 mm×(6～8) mm，單塊重量約17～25 kg計算)。由于普遍采用的工頻爐的進料口寬度為300 mm，故鋅片不能超過35片，否則會堵塞卡住進料口。

進料機推力分解示意圖如圖2所示，根據(jù)鋅電解陰極片間的磨擦系數(shù)μ、重力加速度g、進料加速度a及鋅電解陰極片堆垛傾斜度(鋅電解陰極片堆垛支架傾斜度設(shè)計為5°)，可計算出進料機推板需要的最大推力F。

圖2 進料機推力分解示意圖

(1)

因此，進料機推板推力必須達到3 073.21 N才能保證進料機正常工作。

2.4 進料機液壓系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)確定

進料機根據(jù)動作要求，有推板推料動作和推板裝置的舉升動作，其工作原理圖如圖3所示。

1-油泵；2-單向閥；3-溢流閥；4-分流閥；5-換向閥；6-液壓鎖；7-單向節(jié)流閥；8-舉升油缸；9-推料油缸

本系統(tǒng)中推料油缸和舉升油缸的工作壓力由一個油泵提供，推料油缸提供單塊鋅片的推力，舉升油缸主要用于推料油缸的提升。由于油缸的負載較小，查《機械設(shè)計手冊》初步選取油泵的工作壓力為5 MPa。

(1)推料機推料裝置最大推力：

F推max=(p1A1-p2A2)η

(2)

(2)進料機舉升裝置最大舉升力：

F舉max=(p1A1-p2A2)η

(3)

進料機液壓系統(tǒng)工作壓力還可通過溢流閥進行調(diào)整，以滿足進料機在不同工況時的要求。

3 進料機結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 機械部分

機械部分主要由機架、推料裝置和舉升裝置組成(見圖1)。

推料機構(gòu)由推料箱體、油缸、導(dǎo)向桿、推板等構(gòu)成，采用油缸驅(qū)動。推料油缸和推板導(dǎo)向桿置于推料箱體內(nèi)，推料油缸與推板采用銷軸柔性鉸接，導(dǎo)向桿與推板采用法蘭螺紋緊固聯(lián)接。

舉升機構(gòu)由舉升油缸，鏈輪和鏈條組成。因結(jié)構(gòu)限制，舉升機構(gòu)采用雙缸并聯(lián)舉升結(jié)構(gòu)，并采用油缸與鏈傳動的倍增機構(gòu)。舉升油缸的耳軸與機架支座鉸支聯(lián)接，以增加擺動柔性；鏈輪安裝于舉升油缸活塞桿端部，鏈條一端用螺栓與機架連接，另一端用螺栓與推料裝置箱體連接。舉升油缸、鏈輪、鏈條以及推料裝置箱體組成了一個鏈輪傳動倍增機構(gòu)。舉升油缸的活塞桿在液壓驅(qū)動下做上升或下降運動，活塞桿帶動鏈輪上升或下降相同的位移，鏈條帶動推料裝置在垂直方向上升或下降的位移量為舉升油缸活塞桿行程的兩倍，大大增加了機械結(jié)構(gòu)的緊湊性。

3.2 液壓控制部分

進料機液壓系統(tǒng)主要由油泵、溢流閥、電磁換向閥、液壓鎖、節(jié)流閥、油缸、分流閥等構(gòu)成(見圖3)。液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件是舉升油缸和推料油缸。舉升油缸驅(qū)動推料裝置做升降運動，通過鏈輪傳動倍增機構(gòu)間接驅(qū)動推料裝置在垂直方向發(fā)生位移，自動進料機將熔鑄爐加料口堆放的鋅電解陰極片自上而下、按設(shè)定的位移量逐次推料，推板每次的推料厚度為舉升油缸行程的兩倍。推料油缸由液壓驅(qū)動在水平方向做往復(fù)運動，以設(shè)定的運行速度及恒定的推力將鋅電解陰極片推入。液壓系統(tǒng)工作壓力通過溢流閥進行調(diào)整，舉升速度或推料速度由節(jié)流閥進行調(diào)整，雙向液壓鎖鎖緊任意舉升位置或推料位置，分流閥實現(xiàn)并聯(lián)舉升油缸的同步舉升動作。

3.3 電氣部分

進料機電氣控制系統(tǒng)采用西門子S7- 200系列PLC系統(tǒng)，通過控制盒上的“狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)”可方便、快捷地實現(xiàn)自動加料機自動、停止、手動三種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。進料機使用的S7- 200 PLC硬件由 CPU 222 CN DC/DC/DC中央處理單元、1塊EM223 CN 擴展單元和1塊EM 221 CN 擴展單元組成。其模塊示意圖如圖4所示。

圖4 PLC模塊示意圖

根據(jù)計算，選取進料機液壓系統(tǒng)油泵電機功率為2.2 kW，采用直接啟動的接線方式，用微型斷路器(空氣開關(guān))做過電流速斷保護，用熱繼電器做電機過載保護。為保證進料機操作人員及設(shè)備的安全，在進料機PLC控制系統(tǒng)中設(shè)計了電氣運轉(zhuǎn)限位和聯(lián)鎖。電氣限位有：推料油缸進、退限位；舉升油缸升、降限位。電氣聯(lián)鎖設(shè)置為：推料油缸到達退限位舉升油缸方能驅(qū)動。

4 實際應(yīng)用

投產(chǎn)后的自動進料機，經(jīng)調(diào)試后能按照設(shè)計的要求，在規(guī)定的時間內(nèi)完成多塊間歇式推料。目前該設(shè)備已應(yīng)用在生產(chǎn)線中，取代了人工加料的環(huán)節(jié)，并能根據(jù)生產(chǎn)的需求，設(shè)置進料的間隔時間，很好地與熔鑄設(shè)備進行配合，提高了熔鑄設(shè)備的生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

在研究相關(guān)機組運行特性的基礎(chǔ)上，經(jīng)過參數(shù)計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計，從滿足使用要求以及機身輕便、可移動等需求入手，研發(fā)出電解陰極片自動進料機。該自動進料機具有以下優(yōu)點：

(1)實現(xiàn)了熔鑄設(shè)備生產(chǎn)過程中的自動加料，減輕了員工的勞動強度。

(2)熔鑄設(shè)備的多塊間歇式均衡加料，有效提高了熔鑄設(shè)備的生產(chǎn)效率，延長了熔鑄設(shè)備的使用壽命。

(3)該機集機電液為一體，操作簡單，運行穩(wěn)定，維修成本低，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，便于安裝和拆卸，較好地滿足了熔鑄設(shè)備的加料要求。

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[2]西門子s7- 200編程手冊[R].

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[4]徐元昌.工業(yè)機器人[M].北京:中國輕工業(yè)出版社，1999.

[5]楊黎明,等.機械零件設(shè)計手冊[M].北京:國防工業(yè)出版社，1986.

[6]王東迪. ERP原理運用與實踐(第二版)[M].北京:人民郵電出版社，2004.

Developmentofautomaticfeedingmachineforelectrolyticcathode

LUO Ling-yan, LAI Wei, DENG Yuan-jiu, ZHU Li

The feeding of casting of main-frequency induction furnace for electrolytic cathode of zinc, lead, copper, etc. usually was finished by workers, however, this method’s labour intensity is strong, and efficiency is low, and its nonuniform seriously effect the service life of main-frequency induction furnace. An automatic feeding machine for zinc electrolytic cathode was developed. The machine has excellent performance, such as steady operation, accurate pusher, convenient maintenance, etc. which changes the feeding method of main-frequency induction furnace, realizes feeding automation of casting devices.

electrolytic cathode; automatic feeding machine; main-frequency cored induction furnace; lifting mechanism; pusher mechanism

羅凌艷(1977—)，女，四川綿竹人，工程師。

TF35； TF813

B