全自動(dòng)剝鋅機(jī)陰極板運(yùn)載裝置的負(fù)載擺動(dòng)抑制研究

高澤宇 王 勇 楊支海 李恒通 張?jiān)?/p>

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司，北京 100160；3.云南馳宏鋅鍺股份公司會(huì)澤冶煉分公司，云南 會(huì)澤 654211)

陰極板運(yùn)載裝置是全自動(dòng)剝鋅機(jī)組作業(yè)流程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，和自動(dòng)行車一起用于陰極板在電解槽和自動(dòng)剝鋅機(jī)組之間的轉(zhuǎn)運(yùn)工作，即完成鋅電積的陰極板通過自動(dòng)行車吊運(yùn)至陰極板放板架，然后通過陰極板運(yùn)載裝置輸入至自動(dòng)剝鋅機(jī)組進(jìn)行鋅片剝離。完成鋅片剝離后的陰極板再通過陰極板運(yùn)載裝置輸出至放板架，然后通過自動(dòng)行車吊運(yùn)回電解槽重新開始電積作業(yè)[1-3]。通過運(yùn)載裝置運(yùn)輸陰極板，能夠保障剝鋅機(jī)組供板過程和陰極板行車放板過程沒有硬連接，使兩者作業(yè)相互獨(dú)立互不影響，從而提高剝鋅機(jī)組及陰極板行車的作業(yè)效率[4]。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，電積車間的運(yùn)載裝置通過將陰極板導(dǎo)電梁懸掛于運(yùn)載裝置的舉升機(jī)構(gòu)上的方式，帶動(dòng)整吊或部分陰極板，進(jìn)行一次或多次的轉(zhuǎn)運(yùn)，來完成一吊陰極板在放板架與自動(dòng)剝鋅機(jī)組之間的轉(zhuǎn)運(yùn)工作[4]。由于運(yùn)載裝置帶板運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)行的距離長、運(yùn)行速度快、負(fù)載重量大，運(yùn)載裝置為了滿足生產(chǎn)效率的需求，需要通過較大的加速度來完成快速啟停的過程，并進(jìn)行精確的定位。但運(yùn)載裝置快速啟停時(shí)的加減速運(yùn)動(dòng)會(huì)使懸掛于運(yùn)載裝置上的陰極板由于慣性而產(chǎn)生較大的擺幅，從而導(dǎo)致運(yùn)載裝置在放置陰極板時(shí)發(fā)生陰極板掉落等故障，造成設(shè)備停機(jī)、陰極板損壞，甚至設(shè)備本身的嚴(yán)重?fù)p傷。因此，對(duì)陰極板擺動(dòng)的抑制對(duì)于保證自動(dòng)剝鋅機(jī)設(shè)備的運(yùn)行安全穩(wěn)定，以及提升運(yùn)載裝置的工作效率有重要的意義。

本文結(jié)合全自動(dòng)剝鋅設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)和作業(yè)流程，以及陰極板運(yùn)載裝置的結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)，針對(duì)加減速運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性特性，進(jìn)行了擺動(dòng)抑制原理的分析，建立運(yùn)載裝置在快速制動(dòng)過程中，陰極板擺動(dòng)角度隨運(yùn)載裝置加速度變化的擺動(dòng)模型，并進(jìn)行仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試。

1 作業(yè)流程介紹

鋅電積作業(yè)通常采用3.2 m2的大極板進(jìn)行，每槽有114塊陰極板，相鄰陰極板的間隔距離為90 mm[5]。在電積車間的實(shí)際生產(chǎn)過程中，電積陰極板的出槽是固定的奇偶方式分布，即每次取相隔的陰極板，取出的陰極板之間的間隔為180 mm[5，6]?，F(xiàn)場(chǎng)每套自動(dòng)化剝鋅設(shè)備配備2臺(tái)運(yùn)載裝置：剝鋅線上的運(yùn)載裝置進(jìn)行送板作業(yè)，將帶鋅片陰極板從放板架運(yùn)輸?shù)絼冧\傳輸鏈；刷板線上的運(yùn)載裝置進(jìn)行取板作業(yè)，將刷洗后的陰極板從刷洗傳輸鏈運(yùn)輸?shù)椒虐寮?。陰極板行車每吊的陰極板數(shù)量為57塊，排列長度為10.3 m。運(yùn)載裝置一次最多可運(yùn)輸19塊陰極板，運(yùn)載裝置需用3次運(yùn)輸來完成[7]。陰極板運(yùn)載裝置送板作業(yè)過程如圖1所示，取板作業(yè)流程與之相反。

圖1 陰極板運(yùn)載裝置送板作業(yè)流程示意圖[7]

運(yùn)載裝置在工作過程中不斷進(jìn)行循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng).以圖1所示的設(shè)備布置下的取板過程為例，當(dāng)天車將一吊陰極板放置在放板架上后，運(yùn)載裝置從放板位置行進(jìn)至第1次運(yùn)輸位，通過絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)陰極板托架一次托起19塊陰極板，上升到高位，通過電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)載裝置的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，承載19塊陰極板向左勻速運(yùn)行，直至到達(dá)運(yùn)載裝置放板位置，再通過絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)陰極板托架下降到低位，將19塊陰極板放到剝鋅傳輸鏈的鏈條齒槽處，最后，電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)載裝置的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)載裝置空載向右勻速運(yùn)行，直至達(dá)到第2次運(yùn)載裝置取板初始位置。通過如上的不斷循環(huán)，運(yùn)載裝置將一吊陰極板全部輸入至自動(dòng)化剝鋅設(shè)備中。陰極板運(yùn)載裝置如圖2所示。

圖2 陰極板運(yùn)載裝置示意圖[7]

陰極板運(yùn)載裝置總質(zhì)量M運(yùn)為2 100 kg[5]。陰極板為長1 760 mm、寬1 000 mm、厚8 mm的密度均勻的矩形鋁制薄板，每塊不帶鋅片的陰極板重為40 kg。經(jīng)過鋅電積后，陰極板兩側(cè)每一側(cè)會(huì)形成厚度為3～4 mm的鋅片，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，每塊帶鋅的陰極板平均重量MZn為120 kg，運(yùn)載裝置滿載19塊陰極板后的總質(zhì)量M總為4 380 kg。

2 擺動(dòng)抑制原理

慣性是物體保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，表現(xiàn)為物體對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的一種阻抗程度[8]。當(dāng)運(yùn)載裝置負(fù)載陰極板進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)與制動(dòng)時(shí)，陰極板會(huì)由于運(yùn)載裝置的加速度變化引起的慣性而發(fā)生較大幅度的晃動(dòng)。在實(shí)際工作中，陰極板運(yùn)載裝置負(fù)載陰極板被舉升至高位后，先進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，達(dá)到設(shè)定速度后進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，到達(dá)設(shè)定位置后進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)載裝置停在設(shè)定位置后，將陰極板下降至放置架或送板鏈鏈條的齒型槽上。由于運(yùn)載裝置水平位移距離長，勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間長，因此運(yùn)載裝置啟動(dòng)時(shí)造成的陰極板晃動(dòng)對(duì)系統(tǒng)影響較小。但在運(yùn)載裝置進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，由于其負(fù)載后總質(zhì)量大，慣性大，若制動(dòng)力較小，則會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)間過長，從而影響整個(gè)剝鋅系統(tǒng)的工作效率；若制動(dòng)力較大，則會(huì)導(dǎo)致陰極板擺動(dòng)幅度過大，從而導(dǎo)致放板時(shí)陰極板的導(dǎo)電梁無法快速準(zhǔn)確地滑入齒槽內(nèi)，發(fā)生掉板故障。因此，對(duì)運(yùn)載裝置制動(dòng)時(shí)的陰極板擺動(dòng)抑制是十分重要和必要的。

懸掛于運(yùn)載裝置上的陰極板在擺動(dòng)過程中，若運(yùn)載裝置再次受到水平方向的外力，基于慣性的固有屬性，陰極板的擺幅會(huì)根據(jù)陰極板擺動(dòng)的位姿和水平外力的方向而疊加或消減。因此，可以通過二次變速制動(dòng)的方式對(duì)陰極板的擺動(dòng)進(jìn)行抑制，即通過二次制動(dòng)來減弱或抵消陰極板由第1次制動(dòng)過程而引起的擺動(dòng)。同時(shí)，二次變速制動(dòng)的方式可以使運(yùn)載裝置在第1次制動(dòng)過程中承受更大的制動(dòng)力，縮短運(yùn)載裝置的制動(dòng)時(shí)間，提高整個(gè)剝鋅系統(tǒng)的效率。

陰極板擺動(dòng)抑制示意圖如圖3所示。以運(yùn)載裝置負(fù)載陰極板向左水平運(yùn)動(dòng)時(shí)制動(dòng)為例：陰極板導(dǎo)電梁懸掛于運(yùn)載裝置的陰極板托架上。當(dāng)運(yùn)載裝置在向左以速度v0做勻速運(yùn)動(dòng)的過程中，陰極板保持鉛直靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)運(yùn)載裝置以加速度a1進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，運(yùn)載裝置受到向右的制動(dòng)力，懸掛在運(yùn)載裝置陰極板托架上的陰極板由于慣性，向左發(fā)生擺動(dòng)，最大擺角為θ1。在制動(dòng)過程結(jié)束的時(shí)刻，制動(dòng)力消失，此時(shí)陰極板在重力G和空氣阻力f的作用下，進(jìn)行往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)陰極板擺動(dòng)到右側(cè)，擺角為θ2處時(shí)，運(yùn)載裝置再次以加速度a2進(jìn)行制動(dòng)直至運(yùn)載裝置停止運(yùn)行。運(yùn)載裝置受到向右的制動(dòng)力，此時(shí)擺動(dòng)至右側(cè)的陰極板從而再次由于慣性，消除第1次制動(dòng)時(shí)由慣性而引發(fā)的擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)的抑制。

圖3 陰極板擺動(dòng)抑制示意圖

電積鋅后的陰極板可視為密度均勻的矩形薄板，其質(zhì)心位于陰極板的幾何中心。加速度a1進(jìn)行第1次制動(dòng)時(shí)，在制動(dòng)力的作用下，單塊陰極板向左擺動(dòng)至θ1時(shí)，有：

(1)

在制動(dòng)力持續(xù)作用的情況下，陰極板擺動(dòng)θ1max時(shí)，陰極板因受力平衡而不再擺動(dòng)，θ1max為：

(2)

式2中，MZn為帶鋅陰極板的平均質(zhì)量，kg；t1為運(yùn)載裝置的制動(dòng)時(shí)長，s；a1為制動(dòng)時(shí)的加速度，m/s2；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2；l為陰極板重心到懸掛點(diǎn)的距離，m；f1為第1次制動(dòng)時(shí)陰極板擺動(dòng)所受到的空氣阻力，N。f1可表示為：

(3)

式3中，vk為陰極板與空氣的相對(duì)速度，單位為m/s；S為陰極板的迎風(fēng)面積，單位為m2；C為阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，單位為kg/m3。ρ可表示為[9]：

(4)

式4中，P為空氣壓力，Pa；Te為濕空氣的絕對(duì)溫度，K；φa為空氣的相對(duì)濕度；Ps為飽和水蒸氣分壓力，Pa。

在制動(dòng)過程結(jié)束時(shí)，制動(dòng)力消失，此時(shí)陰極板在重力G和空氣阻力f2的作用下向右擺動(dòng)，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：

(5)

(6)

在弱阻尼情況下，具有振幅衰減的形式解[10]為：

θ=θ1e-β tsin(ωλt+φ)

(7)

式7中，φ為初始相位；β為衰減因子；ωλ為基波角頻率，其中

(8)

可通過式7求得陰極板擺動(dòng)至右側(cè)擺角為θ2處時(shí)所需的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t′。此時(shí)，運(yùn)載裝置再次以加速度a2進(jìn)行制動(dòng)直至運(yùn)載裝置停止，制動(dòng)時(shí)間t2與加速度a2滿足：

(9)

(10)

因此，通過設(shè)定第1次制動(dòng)加速度a1、第1次制動(dòng)時(shí)間t1、陰極板擺動(dòng)時(shí)間t′、第2次制動(dòng)加速度a2、第2次制動(dòng)時(shí)間t2，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)載裝置在制動(dòng)過程中對(duì)陰極板擺動(dòng)的抑制。

3 仿真與試驗(yàn)分析

實(shí)際生產(chǎn)過程中，為保證在放置陰極板時(shí)不發(fā)生掉落等故障，陰極板的擺動(dòng)幅度通常不能超過30 mm，即最大擺角θmax不能超過0.017 rad。每塊帶鋅的陰極板平均重量MZn為120 kg。陰極板長1.76 m、寬1.00 m，面積為1.76 m2，陰極板重心到懸掛點(diǎn)的距離為0.88 m。運(yùn)載裝置負(fù)載陰極板后，水平勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度v0為0.5 m/s。

采用二次變速制動(dòng)的陰極板擺動(dòng)抑制方法，以運(yùn)載裝置負(fù)載陰極板向左水平運(yùn)動(dòng)時(shí)制動(dòng)為例計(jì)算。在t=0時(shí)刻對(duì)運(yùn)載裝置進(jìn)行制動(dòng)，設(shè)定制動(dòng)加速度a為0.5 m/s2，方向向右。g為重力加速度，則由式1可知，陰極板向左擺動(dòng)時(shí)的最大擺角θmax為0.050 98 rad。

在陰極板擺動(dòng)的過程中，陰極板與空氣的相對(duì)速度vk為0.25 m/s，阻力系數(shù)C為1.15(通過查詢機(jī)械工程手冊(cè)[11]可知)。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量計(jì)算[9]，空氣壓力P為102 kPa，濕空氣的絕對(duì)溫度T為290.75 K，空氣的相對(duì)濕度φa為58.9%，飽和水蒸汽分壓力Ps為0.65 kPa。由式4可得，空氣密度ρ為1.195 kg/m3，空氣阻力f1為0.076 N。根據(jù)式1可知，當(dāng)制動(dòng)時(shí)長t1為0.32 s時(shí)，陰極板擺角可至θmax。

設(shè)定第1次制動(dòng)時(shí)間t1為0.5 s，制動(dòng)結(jié)束時(shí)，運(yùn)載裝置繼續(xù)向左勻速運(yùn)動(dòng)，速度v0′為0.25 m/s。此時(shí)，陰極板在重力和空氣阻力的作用下向右擺動(dòng)，由式7可得，陰極板擺動(dòng)至右側(cè)最大擺角處的時(shí)間t擺為0.9 s，擺角θ2為0.050 93 rad。

設(shè)定陰極板擺動(dòng)時(shí)間t′為0.9 s，運(yùn)載裝置此時(shí)進(jìn)行第2次制動(dòng)，據(jù)式9和式10計(jì)算，可得制動(dòng)加速度a2為0.35 m/s2，方向向右，第2次制動(dòng)的制動(dòng)時(shí)間t2為0.72 s。

按如上參數(shù)設(shè)定，使用二次變速制動(dòng)的方法，運(yùn)載裝置在制動(dòng)過程中的陰極板的擺動(dòng)角度、運(yùn)載裝置的運(yùn)行速度、以及運(yùn)載裝置的制動(dòng)距離隨時(shí)間的理論變化如圖4所示。

如圖4所示，在制動(dòng)過程結(jié)束時(shí)，陰極板的擺角在0 rad小幅震蕩。通過理論計(jì)算可知，運(yùn)載裝置總制動(dòng)時(shí)間為2.12 s，制動(dòng)距離為0.52 m。

圖4 二次變速制動(dòng)時(shí)各參數(shù)隨時(shí)間的變化仿真圖

在采用常規(guī)制動(dòng)方式時(shí)，若滿足與二次變速制動(dòng)方法相同的制動(dòng)時(shí)間，即制動(dòng)時(shí)間tN為2.12 s，則所需的制動(dòng)加速度aN為：

(11)

aN為0.24 m/s2，方向向右。此時(shí)陰極板的最大擺動(dòng)角度為0.024 5 rad，大于最大擺角θmax。若滿足陰極板的擺動(dòng)角度小于θmax，則運(yùn)載裝置所能承受的最大制動(dòng)加速度aNmax為：

aNmax=gtanθmax

(12)

經(jīng)計(jì)算，aNmax為0.16 m/s2，方向向右。此時(shí)制動(dòng)時(shí)間tN為3.13 s，制動(dòng)距離為0.78 m。相比之下，使用二次變速制動(dòng)方法進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)時(shí)間減少了32.2%，制動(dòng)距離減少了33.3%。

按照上述參數(shù)對(duì)a1、t1、t′、a2和t2進(jìn)行設(shè)定后，使運(yùn)載裝置負(fù)載陰極板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試。通過測(cè)量陰極板在擺動(dòng)時(shí)，陰極板下端偏離中心位置的距離de來計(jì)算陰極板的擺角θ為：

(13)

制動(dòng)過程中擺角θ的實(shí)車測(cè)量與理論計(jì)算仿真數(shù)據(jù)圖如圖5所示。陰極板運(yùn)載裝置采用二次變速制動(dòng)的方法進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，其所負(fù)載的陰極板擺動(dòng)規(guī)律與仿真結(jié)果一致。從圖5也可看出，當(dāng)運(yùn)載裝置完成制動(dòng)過程停止運(yùn)動(dòng)后，陰極板仍有小幅度的擺動(dòng)。這是因?yàn)?，在運(yùn)載裝置停止時(shí)，所懸掛的陰極板在鉛直位仍存在有小的擺動(dòng)角速度而造成的，但由于該擺動(dòng)幅度很小，并不會(huì)造成掉板等故障發(fā)生，可以忽略不計(jì)。同時(shí)，雖然現(xiàn)場(chǎng)的酸霧較重，空氣密度和阻力系數(shù)的變化較大，但對(duì)于運(yùn)載裝置和陰極板擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過程影響較小，可以忽略不計(jì)。該組參數(shù)可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)過程。

圖5 制動(dòng)過程中擺角θ的實(shí)車測(cè)量與理論計(jì)算仿真數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)論

采用二次變速制動(dòng)方式的陰極板運(yùn)載裝置，在其負(fù)載陰極板進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，運(yùn)載裝置的制動(dòng)時(shí)間可減少32.2%，制動(dòng)距離減少33.3%，可有效抑制陰極板在運(yùn)載裝置快速制動(dòng)時(shí)的大幅度擺動(dòng)，解決陰極板在放置時(shí)因擺動(dòng)而極易發(fā)生掉落，以及運(yùn)載裝置在快速制動(dòng)的情況下無法精準(zhǔn)定位的問題，有望提高生產(chǎn)效率，降低人工和運(yùn)營成本，結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)濕法鋅冶煉全流程自動(dòng)化以及建設(shè)智能化工廠奠定基礎(chǔ)。