對(duì)沖破擊式電解鋁殘陽(yáng)極清理裝置研究

常德凡， 劉寶

（河南理工大學(xué)，河南 焦作454003）

0 引 言

殘陽(yáng)極電解質(zhì)清理主要是指對(duì)殘陽(yáng)極表面電解質(zhì)進(jìn)行破碎處理及殘?jiān)謇砉ぷ鳌Ｄ壳皣?guó)內(nèi)電解鋁企業(yè)已經(jīng)較廣泛地使用各種殘極清理設(shè)備來(lái)代替人工進(jìn)行清理，但這些設(shè)備存在著殘陽(yáng)極清理不徹底、性能差、維護(hù)成本高及殘陽(yáng)極清理效率低[1]等問(wèn)題。

本文針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備存在的問(wèn)題，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的需求和特點(diǎn)，研制出自動(dòng)化程度適中、生產(chǎn)效率高、性能穩(wěn)定和易維護(hù)的電解鋁殘陽(yáng)極電解質(zhì)清理裝置。

1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)方案及工作原理

電解鋁殘陽(yáng)極電解質(zhì)清理裝置主要由主框架、殘陽(yáng)極導(dǎo)桿夾緊裝置、電解質(zhì)沖擊破碎機(jī)構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等部件組成。利用SolidWorks軟件建立其整體三維模型，如圖1所示。

圖1 對(duì)沖破擊式電解鋁殘陽(yáng)極清理裝置三維模型

其工作原理 如下：打開(kāi)導(dǎo)桿夾緊裝置的夾棍，殘陽(yáng)極從入口處吊裝進(jìn)入清理裝置，在此過(guò)程中，導(dǎo)桿通過(guò)導(dǎo)向板滑入清理裝置。當(dāng)殘陽(yáng)極位于圖1中位置時(shí)，將殘陽(yáng)極放置在陽(yáng)極底座上，此時(shí)啟動(dòng)導(dǎo)桿夾緊裝置將導(dǎo)桿夾緊。兩個(gè)導(dǎo)桿夾緊裝置與導(dǎo)向板共同作用把導(dǎo)桿夾緊。然后啟動(dòng)電解質(zhì)對(duì)沖破擊機(jī)構(gòu)，安裝在對(duì)沖破擊機(jī)構(gòu)下方的液壓缸推動(dòng)液壓破碎錘及其錘頭部的鏟刀機(jī)構(gòu)向殘陽(yáng)極作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)鏟刀對(duì)進(jìn)接近殘陽(yáng)極。當(dāng)鏟刀頭與電解質(zhì)接觸時(shí)，電解質(zhì)在破碎錘的沖擊振動(dòng)作用下，破碎成塊狀并落下，然后被收集起來(lái)流入下一道工序。當(dāng)殘陽(yáng)極上電解質(zhì)基本被清理干凈時(shí)，使破擊機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離殘陽(yáng)極，再將殘陽(yáng)極從后方吊出，流入下一道清理工序，上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了殘陽(yáng)極電解質(zhì)破碎清理。

1.2 對(duì)沖破擊機(jī)構(gòu)主要部件設(shè)計(jì)

電解質(zhì)對(duì)沖破擊機(jī)構(gòu)主要由液壓破碎錘、鏟刀、線(xiàn)性滑軌及破碎錘底座等部件組成。在殘陽(yáng)極兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置。圖2所示為去掉了線(xiàn)性滑軌及液壓缸后端固定部分主框架的對(duì)沖破擊機(jī)構(gòu)示意圖。線(xiàn)性滑軌通過(guò)螺栓固定在主框架上，液壓缸通過(guò)銷(xiāo)軸連接在主框架上。

1.2.1 鏟刀的設(shè)計(jì)

圖2 對(duì)沖破擊機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)

鏟刀是破擊機(jī)構(gòu)的核心部件之一，采用組合式結(jié)構(gòu)，由鏟刀架和鏟刀頭2部分組成。鏟刀架和鏟刀頭共同起到傳遞液壓破碎錘活塞的沖擊能的作用，能直接破碎物料。后部與液壓破碎錘相連接，固定在破碎錘中。前部鏟刀頭在工作時(shí)與電解質(zhì)直接接觸。破擊機(jī)構(gòu)在工作時(shí)，鏟刀架受到的沖擊力較大，鏟刀的好壞直接影響到破碎機(jī)構(gòu)破碎電解質(zhì)的效率、整個(gè)破碎機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性及后期的維護(hù)成本。鏟刀整體要有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。鏟刀架要有良好的彈性，以保證鏟刀尾部在破碎錘活塞的沖擊下，不會(huì)堆頂和炸頂；鏟刀頭由于在沖擊載荷的作用下反復(fù)與電解質(zhì)接觸，因此還應(yīng)具有較高的表面硬度和耐磨性，對(duì)鏟刀頭外表面淬硬，以提高其硬度及耐磨性。鏟刀頭前部使用一字形設(shè)計(jì)，以提高刀頭的侵入性。特點(diǎn)是速度快、制造和修磨簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是磨損快、易夾釬。后部以傳動(dòng)銷(xiāo)和鏟刀部分相連，鏟刀頭和鏟刀架之間能夠做微小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)。由于鉸接不會(huì)傳遞力矩，所以能一定程度上保護(hù)鏟刀架。

鏟刀的材料選用高強(qiáng)度、高剛度、有良好抗沖擊韌性的42CrMo4，調(diào)質(zhì)處理后，有較高的疲勞極限和抗多次沖擊的能力，低溫沖擊韌性也較好，高溫時(shí)有高蠕變強(qiáng)度的持久強(qiáng)度，如表1所示。

表1 鏟刀的材料參數(shù)

鏟刀架前部由5根刀柱組成，能夠分別伸入殘陽(yáng)極鋼爪之間和兩側(cè)，將鋼爪之間與兩側(cè)的電解質(zhì)清理干凈[2]。整個(gè)清理裝置將2個(gè)鏟刀在一條直線(xiàn)上作對(duì)稱(chēng)布置，在清理過(guò)程中，2個(gè)鏟刀作相向運(yùn)動(dòng)。要將殘陽(yáng)極鋼爪之間的電解質(zhì)清理到位，則鏟刀架的刀柱必須伸過(guò)鋼爪的另一側(cè)，而這帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題：其中一個(gè)鏟刀刀柱伸到了鋼爪的另一側(cè)，為防止2個(gè)鏟刀相碰撞，則另外一個(gè)鏟刀必然不能伸過(guò)鋼爪，2只鏟刀只能交替穿過(guò)殘極鋼爪，這就影響了電解質(zhì)清理效率，并且由于鏟刀工作時(shí)振動(dòng)的存在，會(huì)加劇2只鏟刀的不平衡。所以其中一個(gè)鏟刀架的刀柱設(shè)計(jì)成三長(zhǎng)兩短，另外一個(gè)則是兩短三長(zhǎng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了鏟刀頭在殘陽(yáng)極鋼爪之間對(duì)穿，能使絕大部分的電解質(zhì)得到較高的破碎和松脫效率，如圖3所示。

圖3 鏟刀頭對(duì)沖破擊電解質(zhì)過(guò)程

1.2.2 電解質(zhì)清理裝置主框架的設(shè)計(jì)

主框架是整個(gè)電解鋁陽(yáng)極殘極電解質(zhì)處理裝置的主體部分，將殘陽(yáng)極導(dǎo)桿夾緊裝置、電解質(zhì)破碎清理機(jī)構(gòu)等部件連接為一個(gè)整體，如圖4所示。

圖4 電解質(zhì)清理裝置主框架三維模型

主框架的主體部分用空心方管搭起整個(gè)主框架的骨架，中間部分用鋼板四面圍起來(lái)形成一個(gè)箱體結(jié)構(gòu)，這就是殘陽(yáng)極清理裝置的清理間。設(shè)計(jì)成半封閉的箱式結(jié)構(gòu)主要有以下好處：1) 減少殘陽(yáng)清在清理過(guò)程中的煙塵向周?chē)諝庵袕浡?) 防止殘陽(yáng)極在清理過(guò)程中的碎塊飛濺出來(lái)，保護(hù)了操作人員的安全；3)半封閉的空間有利于后期加裝除塵裝置，可以提高除塵的效率。

清理間內(nèi)部底面設(shè)計(jì)有用于放置殘陽(yáng)極的支撐架，支撐架上表面做粗糙處理，以增加殘陽(yáng)極與支撐架的摩擦力，使殘陽(yáng)極在清理過(guò)程中可以?xún)H靠自重產(chǎn)生的摩擦力即能保持足夠的穩(wěn)定。清理間頂部有供導(dǎo)桿夾緊裝置安裝的支架，左右兩個(gè)，一高一低，用于上下間隔布置2組導(dǎo)桿夾緊裝置。通過(guò)導(dǎo)桿夾緊裝置對(duì)殘陽(yáng)極上部導(dǎo)桿進(jìn)行限位夾緊，再加上殘陽(yáng)極下部靠摩擦力產(chǎn)生的限位作用，夾持位置靠近殘陽(yáng)極，使殘陽(yáng)極穩(wěn)固性高、晃動(dòng)幅度小，能進(jìn)一步提高殘陽(yáng)極的清理效率。支撐架下部中空，連接至電解質(zhì)粉碎車(chē)間，清理下來(lái)的大塊電解質(zhì)將通過(guò)粉碎車(chē)間的粉碎設(shè)備進(jìn)一步破碎。清理間的上部有殘陽(yáng)極導(dǎo)桿組移動(dòng)通過(guò)的開(kāi)槽，開(kāi)槽沿前后方向延伸，開(kāi)槽處設(shè)有用于引導(dǎo)殘陽(yáng)極導(dǎo)桿的導(dǎo)向板。清理間兩側(cè)設(shè)有左右各一個(gè)鏟刀隔板，隔板上開(kāi)有供鏟刀進(jìn)出的通孔，防止電解質(zhì)塊卡在任意兩相鄰鏟刀柱之間，降低后期破鏟刀的清理難度。清理間左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置有安裝清理破碎機(jī)構(gòu)的支架。破碎機(jī)構(gòu)支架兩側(cè)的空心方管上表面水平度和粗糙表面質(zhì)量要求較高，用于安裝用于移動(dòng)液壓破碎錘的線(xiàn)性滑軌。破碎機(jī)構(gòu)支架后端設(shè)有安裝推動(dòng)破碎裝置左右移動(dòng)液壓缸的鉸接支座。

1.2.3 殘陽(yáng)極導(dǎo)桿夾緊裝置的設(shè)計(jì)

如圖5所示，殘陽(yáng)極導(dǎo)桿夾緊裝置是殘陽(yáng)極電解質(zhì)清理裝置的重要部件之一，主要起到固定殘陽(yáng)極導(dǎo)桿的作用，使殘陽(yáng)極在清理電解質(zhì)過(guò)程中有足夠的穩(wěn)定性。除了這個(gè)作用，導(dǎo)桿夾緊裝置還必須滿(mǎn)足的基本要求為：足夠的夾緊力；正確的夾持位置；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；在夾持機(jī)構(gòu)完全張開(kāi)時(shí)，必須把清理間上部的開(kāi)槽位置讓開(kāi)，不能妨礙殘陽(yáng)極導(dǎo)桿在開(kāi)槽中的順利移動(dòng)，如圖5所示。

圖6為殘陽(yáng)極導(dǎo)桿夾緊裝置的三維模型[3]，其中左側(cè)視圖去掉了一側(cè)的槽蓋。其工作過(guò)程為：當(dāng)夾持臂完全打開(kāi)時(shí)，清理間開(kāi)槽被讓開(kāi)，殘陽(yáng)極通過(guò)導(dǎo)向板被送入清理間，殘陽(yáng)極位置放好后，夾持裝置液壓缸開(kāi)始工作。隨著液壓缸活塞向前推進(jìn)，2根連桿在彈簧的拉力作用力下，連桿和夾持臂的角度并不會(huì)立刻發(fā)生變化，而是保持著圖6中左側(cè)視圖的狀態(tài)。在液壓缸活塞的推進(jìn)下，連桿、夾持臂、彈簧、夾持臂連接件和移動(dòng)滑塊作為整體，同時(shí)向前移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)滑塊被推進(jìn)至滑槽末端時(shí)，滑塊和夾持臂連接件在滑槽的阻礙下停止移動(dòng)，此時(shí)液壓缸活塞繼續(xù)向前推進(jìn)。隨著活塞的繼續(xù)前進(jìn)，彈簧被拉伸到極限，兩根連桿被打開(kāi)，如圖6右側(cè)視圖所示。隨著連桿的打開(kāi)，兩根夾持臂的角度也隨之改變，夾持臂前端逐漸閉合。當(dāng)夾持臂前端把導(dǎo)桿夾緊時(shí)，停止液壓缸運(yùn)動(dòng)。

圖5 導(dǎo)桿夾緊裝置結(jié)構(gòu)

圖6 夾持臂打開(kāi)與夾緊對(duì)比圖

2 液壓破碎錘的選型

確定液壓破碎錘的沖擊能量，首先要知道被破碎物質(zhì)即電解質(zhì)的強(qiáng)度。初選強(qiáng)度大于等于殘陽(yáng)極電解質(zhì)的巖石作為參考，以此先確定液壓破碎錘的選型。表2為某68破碎錘的參數(shù)，常用于破碎公路混凝土[4]。殘陽(yáng)極電解質(zhì)因?yàn)閮?nèi)部有大量縫隙的存在，所以其抗破碎能力遠(yuǎn)小于石灰?guī)r的強(qiáng)度，因此可采用此款液壓破碎錘。

表2 某68液壓破碎錘參數(shù)

3 液壓系統(tǒng)方案確定

根據(jù)電解鋁殘陽(yáng)極電解質(zhì)清理裝置的實(shí)際工作需要與主回路初選定的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理圖[5]如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖

如圖7所示，電解鋁陽(yáng)極殘極電解質(zhì)處理裝置開(kāi)始工作時(shí)，啟動(dòng)泵站，三位四通電磁換向閥7的電磁鐵3YA 得電，處于左工位，油液從制動(dòng)液壓缸9的無(wú)桿腔進(jìn)入，活塞桿伸出，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，使夾緊裝置固定殘陽(yáng)極不發(fā)生移動(dòng)，隨后電磁換向閥12 的電磁鐵1YA得電后，處于左工位，驅(qū)動(dòng)液壓缸10的無(wú)桿腔進(jìn)油，活塞桿伸出，驅(qū)動(dòng)液壓破碎錘前端鏟刀逐漸靠近炭塊，當(dāng)液壓破碎錘15到達(dá)指定工作位置時(shí)，三位四通電磁換向閥12斷電，讓破碎裝置保持位置的穩(wěn)定，然后讓三位四通電磁換向閥13的電磁鐵5YA得電，并處于左工位[6]，此時(shí)液壓破碎錘開(kāi)始工作。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)目前電解鋁企業(yè)中，殘陽(yáng)極清理設(shè)備存在的各種問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種對(duì)沖破擊式電解鋁殘陽(yáng)極清理裝置，設(shè)計(jì)了該裝置的液壓系統(tǒng)方案并擬定了液壓系統(tǒng)原理圖。

本文所設(shè)計(jì)的裝置主要包括主框架、對(duì)沖破碎清理機(jī)構(gòu)和導(dǎo)桿夾緊裝置等。其創(chuàng)新點(diǎn)在于利用對(duì)稱(chēng)沖擊破碎的方法對(duì)殘陽(yáng)極電解質(zhì)進(jìn)行較為徹底的清理，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)、清理效率高、自動(dòng)動(dòng)化程度適中且體積小巧，能夠適應(yīng)電解鋁企業(yè)對(duì)于殘陽(yáng)極的清理要求。