全自動剝鋅機陰極板自動接駁系統的設計*

□ 高澤宇 □ 石 峰 □ 趙曉燕 □ 王 凱 □ 郭 鑫

1.礦冶科技集團有限公司 北京 1001602.北礦機電科技有限責任公司 北京 100160

1 現有情況分析

濕法冶鋅以勞動條件好、環(huán)保,以及生產利于連續(xù)化、自動化、大型化等優(yōu)點,成為當今世界金屬鋅冶煉的一種主流工藝[1-2]。目前,由于人工剝鋅效率低,工人勞動強度大,國內各鋅冶煉企業(yè)陸續(xù)開始使用自動剝鋅系統成套設備[3-4]。

在實際使用過程中,自動剝鋅系統往往無法達到設計時的生產效率,造成這一現象的一個主要原因是陰極板在天車與自動剝鋅系統之間對接,需要花費大量時間。因此,盡管各單體設備的工作效率很高,但是陰極板在電解槽和自動剝鋅系統之間的傳輸受到限制,導致自動剝鋅系統等待或空載運行,嚴重影響自動剝鋅系統的工作效率。

陰極板接駁裝置用于陰極板在天車與自動剝鋅系統之間的轉運。自動剝鋅系統的進板端用于接收天車吊裝來的陰極板,并將陰極板運輸至自動剝鋅系統。自動剝鋅系統的出板端用于接收自動剝鋅系統輸出的陰極板,并配合天車將陰極板運走[5]。

現有的陰極板接駁裝置主要有兩種。一種是由天車直接與傳輸鏈進行對接,陰極板直接在傳輸鏈上由天車放置或取出[6]。這種裝置在工作時需要人工輔助,以保證天車的姿態(tài)。在對接時,需要人工檢查陰極板是否放置到位。由此,陰極板接駁的速度受到大幅影響。一旦工人疏忽,會引起陰極板掉落、卡板等故障,造成陰極板損壞,甚至設備嚴重損傷。另一種是通過對接裝置,先將陰極板存放在指定位置,然后通過運載小車實現陰極板輸入與輸出自動剝鋅系統[7]。采用這種裝置,縮短了天車取放陰極板的時間,但是在運輸過程中仍然需要人工輔助,并沒有徹底解決問題。同時,由于裝置結構缺陷,無法應用于3.2 m2大極板剝鋅系統,無法適應濕法鋅冶煉未來的發(fā)展趨勢。

2 接駁系統總體設計

筆者所設計的全自動剝鋅機陰極板自動接駁系統包括運載裝置、放置裝置、電驅動系統、控制系統等,以運板鏈為自動剝鋅系統的輸入端與輸出端,自動接駁系統作為天車與運板鏈的中轉,完成陰極板在天車與自動剝鋅系統間快速、平穩(wěn)的傳輸作業(yè)過程,保證運板鏈及自動剝鋅系統連續(xù)工作。自動接駁系統執(zhí)行機構如圖1所示。

自動接駁系統的工作流程如下:運載裝置在初始位等待,天車將從電解槽吊出的待剝鋅陰極板放置到進板端的陰極板放置裝置上,陰極板運載裝置的舉升機構下降,并水平移動;到位后,舉升機構上升,舉起固定數量的陰極板,并反方向水平移動;運載裝置移動到位后,待運板鏈停止,運載裝置的舉升機構下降,陰極板落于運板鏈上;運載裝置回到初始位,等待進入下一工作流程。

3 運載裝置設計

運載裝置主要由車架、陰極板托架、舉升叉組件、車輪組件、水平輪組件、電機減速機、絲杠驅動單元等組成,結構如圖2所示。

車輪組件安裝于車架上,使運載裝置可以在導軌上水平運動。水平輪組件安裝于運載裝置一側的兩個車輪組件上,與導軌接觸,起到導向和防止脫軌、傾覆的作用。運載裝置主體由兩個安裝于前側兩個車輪組件上的電機減速機驅動,實現沿固定軌道的水平運動。通過建模計算可知,運載裝置質量為2 100 kg。設計運載裝置最多可接收共計19塊陰極板,每塊陰極板的質量約為120 kg,則負載質量M2約為2 280 kg,總質量M為4 380 kg。運載裝置運行速度為v1,運載裝置最高運行速度v1max為0.5 m/s。根據自動剝鋅機運行要求,運板小車的運行功率Pm為:

Pm=Mgμmv1

(1)

式中:g為重力加速度,取9.8 m/s;μm為金屬滾輪與金屬導軌之間的滾動摩擦因數,為0.07。

由式(1)計算可得運載裝置最大運行功率為1.5 kW,則單側車輪至少需要提供的運行功率Pd為0.75 kW。主動輪組直徑dm為0.230 m,當運載裝置達到最大運行速度時,主動輪組轉速ωm為:

電機減速機的使用因數fB根據選型手冊取1.5,則單側電機減速機的扭矩Tm為:

Tm=9 550PdfB/ωm=258.64 N·m

單臺電機減速機功率選擇為1.5 kW,確定電機轉速為1 400 r/min,扭矩為256 N·m,速比為25.91。

舉升叉組件安裝于車架上,在絲杠驅動單元的驅動下,可以實現升降運動。陰極板托架安裝在舉升叉組件上,托架上設有托板,托板上帶有齒板,齒板與陰極板的吊耳配合,在陰極板托架上升時,齒板可以通過吊耳托起陰極板。

根據設計,陰極板托架的行程為100 mm,則滾珠絲杠電機運行速度v2的最高值為0.02 m/s。根據陰極板托架上升運行要求,舉升運行功率Ps為:

Ps=(μs+1)M2gv2

(2)

式中:μs為導向面的摩擦因數,為0.005。

由式(2)計算可得陰極板托架舉升的最大運行功率為0.45 kW。根據選型手冊,絲杠電機的傳動效率為0.2,則絲杠電機功率至少為2.25 kW。對照選型手冊,選用運行功率為2.6 kW,轉速為1 000 r/min的絲杠電機。根據負載和絲杠電機功率,對照機械設計手冊和選型手冊,選用絲杠公稱直徑為58 mm,絲杠導程l為12 mm,最大扭矩為179 N·m的滾珠絲杠。絲杠做舉升運動,軸向力主要為M2所產生的重力,則絲杠的扭矩Ts為:

(3)

式中:ηs為進給絲杠的正效率,根據導向面摩擦因數查表后取0.95。

由式(3)計算可得,絲杠扭矩Ts為45.16 N·m,小于絲杠電機最大扭矩(179 N·m),因此所選絲杠電機符合安全使用要求。

4 放置裝置設計

放置裝置用于接收和暫存陰極板,以配合天車和運載裝置完成陰極板的接駁作業(yè)過程。放置裝置主要由放置架主體、齒板架組件、定位組件、限位座組件、導向組件等組成,結構如圖3所示。

齒板架組件安裝于放置架主體的內側,用于存放陰極板。齒板架組件上設有與天車及運載裝置上陰極板放置間距相等的齒形卡槽,齒形卡槽與陰極板的導電梁配合,用以限制陰極板放置的間距和位置,保證運載裝置和天車可以快速、準確取出和放置陰極板。導向組件主要由兩條平行導軌組成,便于運載裝置在放置裝置上實現水平方向行進。限位座組件分布于導向組件的前后兩端,用于限制運載裝置行進的極限位置,防止運載裝置從前后方向駛離放置裝置而發(fā)生事故。定位組件主要由定位錐和傳感器組件組成。定位錐組件用于吊運陰極板的天車的定位,并具有一定糾偏能力,使天車可以自動運行到指定位置,完成陰極板的取出和放置過程,大幅減少人工干預。傳感器組件用于運載裝置的定位,以便運載裝置能夠準確停在放置裝置的指定位置,取出和放置陰極板。

5 控制系統設計

運載裝置滿載后總體慣性較大,對控制響應和定位精度的要求比較高,因此選用以S120變頻控制系統為核心的驅動單元和以S7-1200可編程序控制器為核心的控制單元,組成獨立控制系統來進行控制[8-9]。

S120變頻控制系統是新一代驅動產品,集電壓-頻率正比控制、矢量控制、伺服控制于一體,具備強大的基本定位功能[10]。

運載裝置滿載之后,運行速度較快,在到位抱閘時陰極板會由于慣性產生較大幅度的晃動。另一方面,運載裝置滿載之后質量較大,慣性較大,抱閘后難以實現精準定位。對此,采用S120變頻控制系統驅動單元,對驅動電機進行精準控制。采用兩段式抱閘的方式,實現運載裝置的精確定位和陰極板的晃動消除。運載裝置啟動并進入勻速狀態(tài)后,運載小車在快要到達預定位置時通過固定位置傳感器1,此時進行第一階段減速,使運載小車進入低勻速模式,陰極板因為減速時所產生的慣性,開始擺動。運載裝置通過固定位置傳感器2,此時進行抱閘,在低速情況下,運載裝置的慣性對位移的影響會大幅減小,從而實現精準定位。仍在擺動的陰極板通過抱閘時產生的減加速度抵消原有擺幅,實現平穩(wěn)放置。兩個固定位置傳感器的位置通過計算確定。

6 應用

筆者通過前期大量調研,針對陰極板在天車和自動剝鋅系統之間接駁困難的問題,對現有對接系統進行改進,設計了全自動剝鋅機陰極板自動接駁系統,并成功進行了工業(yè)應用,應用現場如圖4所示。

7 結束語

筆者將設計的全自動剝鋅機陰極板自動接駁系統作為陰極板在天車與自動剝鋅系統之間的中轉平臺,實現在天車與自動剝鋅系統同時工作的情況下完成陰極板的對接和轉運,高效穩(wěn)定完成了陰極板在自動剝鋅系統與天車之間的接駁作業(yè)過程。應用這一自動接駁系統,可以實現天車與自動接駁系統、自動接駁系統與自動剝鋅系統之間的連續(xù)化、自動化、無人化作業(yè),縮短設備的空載和等待時間,提高生產效率,降低人工和運營成本,為實現濕法鋅冶煉全流程自動化及建設智能化工廠奠定了基礎。