全自動(dòng)剝鋅機(jī)陰極板對(duì)接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

□ 寧媛松 □ 李恒通 □ 石 峰 □ 廖波蘭 □ 付薛潔

1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司 北京 1001602.煙臺(tái)南山學(xué)院 工學(xué)院 山東煙臺(tái) 265713

1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)前我國(guó)絕大多數(shù)濕法煉鋅企業(yè)都采用中小極板電解工藝,剝鋅采用人工剝鋅。人工剝鋅效率低,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,全自動(dòng)剝鋅機(jī)由此應(yīng)運(yùn)而生。目前，國(guó)內(nèi)外各品牌的全自動(dòng)剝鋅機(jī)都能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)剝鋅,但剝鋅效率各有不同。大部分設(shè)備理論剝鋅效率均能夠滿足使用要求,但在實(shí)際生產(chǎn)中剝鋅效率卻很難保證。盡管單體設(shè)備的工作效率高,但是卻因?qū)酉到y(tǒng)的限制造成投料延遲,致使設(shè)備等待或空載運(yùn)行,嚴(yán)重影響剝鋅機(jī)的整體工作時(shí)間。

現(xiàn)有對(duì)接系統(tǒng)需要人工輔助,擺正吊具姿態(tài),由天車帶動(dòng)陰極板豎直放入送板鏈條。對(duì)接結(jié)束后,需要人工檢查陰極板是否擺放整齊,這樣不僅對(duì)接速度受到影響,而且工人勞動(dòng)強(qiáng)度也大大提高。一旦工人疏忽,放斜的陰極板進(jìn)入下一工序前會(huì)發(fā)生掉落,造成陰極板損壞,甚至造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p傷。此外，對(duì)于雙板自動(dòng)剝鋅機(jī),現(xiàn)有的雙排送板結(jié)構(gòu)若采用雙吊起槽雙吊放板,則在對(duì)接時(shí)不能實(shí)現(xiàn)一次快速放板,需要兩個(gè)人分兩次配合放板。這是因?yàn)橄噜弮闪须娊獠鄣拈g隔距離小于左右兩排輸送鏈之間的最小間隔,雙槽起吊后不僅很難快速將陰極板對(duì)正放入,而且增加了掉板的風(fēng)險(xiǎn),造成安全隱患。

2 對(duì)接系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

新設(shè)計(jì)的全自動(dòng)剝鋅機(jī)陰極板對(duì)接系統(tǒng)包含運(yùn)板小車、接板鏈條、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、位置檢測(cè)開關(guān)等,如圖1所示。

對(duì)接系統(tǒng)執(zhí)行部分包含運(yùn)板小車、接板鏈條兩部分,如圖2所示。為保證接板鏈條連續(xù)工作,并且能夠快速平穩(wěn)地完成對(duì)接工作,設(shè)計(jì)運(yùn)板小車作為天車與接板鏈條的中轉(zhuǎn)。

對(duì)接系統(tǒng)工作流程為天車吊裝就位等待，運(yùn)板小車后退，運(yùn)板小車單側(cè)放板支架伸出，天車吊裝陰極板落位，運(yùn)板小車單側(cè)放板支架收回，運(yùn)板小車舉升架舉升，運(yùn)板小車前進(jìn)，運(yùn)板小車到位后等待，接板鏈條停止，運(yùn)板小車舉升架下降，陰極板落位于接板鏈條上，運(yùn)板小車待命進(jìn)入下一流程。

▲圖1 全自動(dòng)剝鋅機(jī)對(duì)接系統(tǒng)組成▲圖2 對(duì)接系統(tǒng)執(zhí)行部分

3 運(yùn)板小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 行走機(jī)構(gòu)

運(yùn)板小車行程較長(zhǎng),因此不宜采用液壓油缸推進(jìn)。根據(jù)使用工況,應(yīng)用軌道輪組,通過(guò)電機(jī)減速機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)小車主體沿固定軌道運(yùn)動(dòng)。其中,軌道輪組分為主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組,兩種輪組各包含一個(gè)軌道輪和一個(gè)平輪。由軌道輪組保證運(yùn)板小車運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生脫軌，軌道輪組外側(cè)分別設(shè)置具有防傾覆功能的輔助輪組。電機(jī)減速機(jī)通過(guò)剛性聯(lián)軸器和萬(wàn)向聯(lián)軸器傳遞動(dòng)力至主動(dòng)輪組,通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器控制軸向錯(cuò)位誤差,穩(wěn)定傳遞動(dòng)力。行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

通過(guò)計(jì)算,運(yùn)板小車設(shè)備總質(zhì)量T1為2 600 kg。運(yùn)板小車設(shè)計(jì)最多可接收整槽陰極板共計(jì)78塊,每塊陰極板質(zhì)量約為30 kg,則負(fù)載總質(zhì)量T2約為2 340 kg，總質(zhì)量T為4 940 kg。

根據(jù)自動(dòng)剝鋅機(jī)運(yùn)行要求,運(yùn)板小車的運(yùn)行功率P為:

P=Tgμv

(1)

▲圖3 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

式中:g為重力加速度,g=9.8 m/s2;v為運(yùn)板小車速度,v=0～0.5 m/s;μ為金屬滾輪與金屬導(dǎo)軌之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù),μ=0.07。

由式(1)計(jì)算得運(yùn)板小車運(yùn)行功率P為1.7 kW，因此電機(jī)功率選擇為2.2 kW。

主動(dòng)輪組直徑為160 mm,運(yùn)板小車運(yùn)行速度v為0.5 m/s時(shí),主動(dòng)輪組轉(zhuǎn)速為59.68 r/min。

電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，則計(jì)算減速機(jī)速比為25.13?？紤]電機(jī)減速機(jī)的安全因數(shù),電機(jī)減速機(jī)功率選擇3 kW,速比選擇28.4。

運(yùn)板小車滿載后總體慣性較大,因此在獲得停止信號(hào)后,很難停止在準(zhǔn)確位置上。對(duì)此，電機(jī)應(yīng)配備抱閘系統(tǒng),當(dāng)停止信號(hào)發(fā)出后,及時(shí)抱閘,使運(yùn)板小車可以在預(yù)定位置停止。

3.2 放板支架間距調(diào)整機(jī)構(gòu)

運(yùn)板小車放板支架為兩側(cè)獨(dú)立布置,通過(guò)液壓油缸和導(dǎo)向桿與下部車架相連,通過(guò)上下舉升完成與天車及與接板鏈條的對(duì)接，如圖4所示。

運(yùn)板小車單側(cè)放板支架通過(guò)水平移動(dòng)油缸、水平移動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)單側(cè)推出和收回，如圖5所示。在與天車對(duì)接過(guò)程中，運(yùn)板小車單側(cè)放板支架推出,增大了放板支架間距。在天車大致就位后,不需要精確調(diào)整和穩(wěn)定陰極板姿態(tài),整吊陰極板即能夠完全滑入放板支架內(nèi)。隨后運(yùn)板小車單側(cè)放板支架收回,陰極板下落。完全放穩(wěn)后人工摘鉤,完成放板。

3.3 撓度校核

接板結(jié)構(gòu)單側(cè)放板支架推出后,單側(cè)支架構(gòu)成懸臂梁結(jié)構(gòu),以導(dǎo)向筒裝置作為懸臂一側(cè)支點(diǎn)。導(dǎo)向桿在一端下壓力的作用下會(huì)發(fā)生撓曲變形,如變形量過(guò)大,會(huì)造成導(dǎo)向裝置磨損,在推拉過(guò)程中發(fā)生卡阻現(xiàn)象,影響動(dòng)作時(shí)間。另一方面，推出后若發(fā)生較大彎曲變形,則一側(cè)放板支架無(wú)法完全收回,與運(yùn)板小車車架底盤發(fā)生干涉。

▲圖4 放板支架對(duì)接示意圖▲圖5 放板支架狀態(tài)

綜上以上分析，需要對(duì)這一懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行撓度校核,根據(jù)校核結(jié)果增大導(dǎo)向桿截面積,以減小彎曲變形量。

導(dǎo)向桿簡(jiǎn)化力學(xué)模型如圖6所示。

單側(cè)支架推出后,導(dǎo)向桿最大撓度yB為:

(2)

式中:W為集中載荷,W=3.2 kN;L為懸臂總長(zhǎng)度,L=629 mm;E為鋼材彈性模量,E=210 GPa;I為懸臂梁截面慣性矩。

▲圖6 導(dǎo)向桿簡(jiǎn)化力學(xué)模型

當(dāng)導(dǎo)向桿直徑為50 mm時(shí),懸臂梁截面慣性矩I為3.1×105mm4。由式(2)計(jì)算得到導(dǎo)向桿單側(cè)最大撓度為-4.1 mm,不滿足使用要求。

可見必須增大導(dǎo)向桿直徑。經(jīng)計(jì)算，導(dǎo)向桿直徑為70 mm時(shí),導(dǎo)向桿單側(cè)最大撓度為-1.1 mm,滿足使用要求。此外,通過(guò)在一側(cè)支架下部增加導(dǎo)向坡口，避免因一側(cè)支架導(dǎo)向桿發(fā)生撓曲而造成無(wú)法收回。

3.4 雙板快放機(jī)構(gòu)

對(duì)于雙吊起槽陰極板,吊具固定,兩排陰極板間距小于雙板剝鋅機(jī)接板鏈條布置的最小距離,因此原有雙板剝鋅機(jī)很難實(shí)現(xiàn)雙吊放板,均采用單吊分別放板,雙板利用率較低。

運(yùn)板小車并排對(duì)稱布置,通過(guò)單側(cè)放板支架推出、收回功能即可實(shí)現(xiàn)雙吊快速放板。運(yùn)板小車單側(cè)放板支架伸出如圖7所示，運(yùn)板小車運(yùn)行如圖8所示。運(yùn)板小車單側(cè)放板支架同時(shí)推出,間距減小,天車對(duì)正后,兩吊陰極板即可分別滑入兩臺(tái)運(yùn)板小車。陰極板落穩(wěn)后,單側(cè)放板支架收回,天車摘鉤,兩臺(tái)運(yùn)板小車分別與傳輸接板鏈條實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

▲圖7 單側(cè)放板支架伸出示意圖▲圖8 運(yùn)板小車運(yùn)行示意圖

4 接板鏈條傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陰極板接板鏈條通過(guò)電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。對(duì)于陰極板錯(cuò)位問(wèn)題,由接板鏈條端部機(jī)械開關(guān)控制調(diào)整,如圖10所示。一側(cè)陰極板導(dǎo)電梁檢測(cè)到位后,接板鏈條即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。另一側(cè)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),直至陰極板另一側(cè)導(dǎo)電梁碰觸機(jī)械開關(guān),接板鏈條停止,保證陰極板對(duì)正。此外，在接板鏈條端部增加機(jī)械擋塊作為末端保護(hù),當(dāng)機(jī)械開關(guān)失效時(shí),接板鏈條連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),機(jī)械擋塊可以擋住陰極板,防止陰極板發(fā)生掉落。

▲圖9 接板鏈條結(jié)構(gòu)▲圖10 接板鏈條端部機(jī)械開關(guān)

5 液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于對(duì)接系統(tǒng)滿負(fù)荷工作時(shí),需要承受并傳輸近2 000 kg的負(fù)載,因此為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作,對(duì)接系統(tǒng)除接板鏈條及行走部分采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)外,其余動(dòng)作均依靠液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。液壓系統(tǒng)主要包括泵站、雙作用往復(fù)式液壓缸、三位四通電磁換向閥、過(guò)濾器、液壓調(diào)速閥、單向閥、液壓鎖等。為保證兩側(cè)運(yùn)板小車放板支架能夠同步舉升,在閥組中加入分流集流閥，以保證兩側(cè)的同步性。此外，由于液壓缸均布置在行走機(jī)構(gòu)上,需要隨行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此液壓管道布置較長(zhǎng),且需要反復(fù)彎折,要求液壓管道在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,兼顧柔韌性。

對(duì)接系統(tǒng)采用控制器對(duì)接板鏈條及行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確定位控制,采用S7-400系列可編程序控制器實(shí)現(xiàn)所有過(guò)程的連鎖邏輯控制,采用電感式接近開關(guān)、機(jī)械開關(guān)對(duì)重要位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了全自動(dòng)剝鋅機(jī)陰極板對(duì)接系統(tǒng)，將運(yùn)板小車作為與天車對(duì)接的中轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)了在不影響接板鏈條工作的情況下與天車的對(duì)接和接板。通過(guò)運(yùn)板小車自帶的單側(cè)推拉功能,天車可在一人簡(jiǎn)單輔助的情況下完成快速放板。接板鏈條通過(guò)在端部設(shè)置的機(jī)械開關(guān)及末端保護(hù)機(jī)構(gòu),能夠在終點(diǎn)處對(duì)陰極板姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,保證陰極板順利傳輸至下一工序。

筆者設(shè)計(jì)的對(duì)接系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,結(jié)果表明對(duì)接系統(tǒng)大幅減少了對(duì)接過(guò)程中的時(shí)間損耗,降低了人工輔助的難度,從而在整體上提高了全自動(dòng)剝鋅機(jī)的工作效率,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,為今后同類型設(shè)備的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了參考和借鑒。