真空抬包吊裝橫梁旋轉驅動裝置研發設計

2019-11-27 06:29:42張佳亮

有色設備 2019年5期

張佳亮

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司，遼寧沈陽 110141)

0 引言

真空抬包是用于從電解槽內吸出鋁液運送至鑄造車間的專用設備，抬包吊裝橫梁的自由旋轉能夠決定吸出鋁液的效率的高低，吊裝橫梁旋轉驅動裝置是為了自動旋轉橫梁而設計的專業驅動裝置，自動旋轉不但減輕了人工旋轉橫梁的勞動強度，也提高了抬包吸鋁的效率。

1 背景

真空抬包的傾翻機構是采用蝸輪蝸桿傳動的，傳動比很大，處以自鎖狀態。根據抬包現場使用狀況及抬包清理工藝過程，抬包在吸鋁和轉運過程中，抬包和吊裝橫梁都是直立的，不允許傾斜；在倒出鋁水時是抬包傾翻；在清理抬包包體時，當包體被吊至清理機上清理之前，需要將吊裝橫梁旋至包體一側躲開包口，以便進行包體內側清理；當包體內側被清理完后，需要將吊裝橫梁旋回至直立吊裝位置。但無論是抬包傾翻還是吊裝橫梁回至直立吊裝位置，都需要有外力驅動才能實現，即：驅動抬包手輪轉動。

目前在國內，吊裝橫梁的旋轉基本都是人工來完成的，即使是抬包傾翻機構中帶電機，但抬包本身是不帶電源的，旋轉吊裝橫梁時也必須每次都由人工外接電源來實現，工人勞動強度大，生產效率低。國內市場上還沒有能使抬包吊裝橫梁機構自動旋轉的設備。

2 真空抬包結構及原理簡介

2.1 真空抬包結構組成

真空抬包主要由吊裝橫梁、包蓋、吸鋁管、包體、蝸輪蝸桿減速、手輪、出鋁管等部分組成[1]。其外形結構及組成如圖1所示。

圖1 真空抬包結構組成圖

2.2 真空抬包的工作原理

真空抬包在電解鋁行業應用非常廣泛，是電解鋁操作必備的重要設備之一。它是用鋼鐵外殼內襯耐火材料制成的較大型密封容器，靠包蓋上自帶的負壓產生裝置，使抬包內產生一定的真空度，以把冶煉好的液態鋁從電解槽內抽出并轉運至其它地方。真空抬包的吸入口和倒出口分別布置于包體的前后，在進行吸入和倒出動作時，均需要使用起吊設備經吊裝橫梁吊起真空抬包，使抬包傾轉一定角度，并隨著包內液面高度的變化而緩慢調整傾轉角度。

2.3 真空抬包的傾翻形式

根據有色金屬冶煉行業的應用特點，抬包在傾轉過程中一定要平穩，不能有輕微晃動。因此，傾轉機構需要克服較大的承重并要平穩緩慢傾轉，任何位置都能自鎖。目前在世界上，真空抬包的傾轉，普遍采用的是蝸輪蝸桿傳動方式，速比范圍在191.9～5 394之間，分為手動傾轉和電動傾轉兩種。當采用手動方式傾轉時的作用力一般為20 kg左右，圖1即是手動傾轉方式的真空抬包。

3 結構設計與計算

下面主要從吊裝橫梁旋轉驅動裝置的動作分析、動力確定、機構結構確定、參數計算確定等幾方面的設計過程進行論述。

3.1 動作分析

驅動裝置的工作步驟要求是這樣的：裝置前進→旋轉抬包手輪使吊裝橫梁由直立吊裝位置轉至抬包一側→裝置后退→裝置再前進→反向旋轉抬包手輪使吊裝橫梁轉回直立吊裝位置→裝置后退，完成一個工作循環。要想使抬包吊裝橫梁自動旋轉，必須使抬包傾翻機構的手輪自動實現自傳的同時還要公轉。

下面詳細描述一下驅動裝置的整個動作要求，根據鋁包清理機現場實際布置情況，驅動裝置的整個工作過程，必須要完成以下動作：

(1)整個裝置要能自動前進、后退，即吊裝橫梁需旋轉時驅動裝置前進，否則后退至非工作位置，以免影響鋁包清理機的正常工作。

(2)驅動裝置上要有一套動力機構，在使抬包手輪旋轉的同時，這套機構要能隨著手輪一起以渦輪圓心為軸心運動，即：它能帶動抬包手輪一起自轉的同時又能隨著手輪以渦輪圓心為軸心沿著手輪中心軌跡移動，此時驅動裝置是固定的。

3.2 動力的確定

吊裝橫梁旋轉驅動裝置，是抬包包體清理過程中的一個輔助設備，必須安放在鋁包清理機的一側。鋁包清理機的動力源是液壓站，所有動作的完成都是靠液壓來驅動完成。那么，驅動裝置的動力源就應該首選液壓驅動，而且可以和鋁包清理機共用一個液壓站。因為，按鋁包清理機的工作程序，清理抬包的時候吊裝橫梁不允許旋轉，抬包橫梁旋轉時不能清理抬包，即鋁包清理和驅動裝置不能同時工作，因此驅動裝置可以直接利用鋁包清理機的液壓站，節省了一套動力設施，這樣既方便，又大大降低了設備成本。

3.3 機構的確定

3.3.1 撥動機構——撥動抬包手輪轉動的機構

根據動作分析，撥動機構要使抬包上的手輪旋轉，就要隨著手輪旋轉并不斷給手輪提供動力，即旋轉過程中機構不能離開手輪。為此，一是要有動力，前面已經敘述過了，驅動裝置的動力源是液壓站，為了滿足旋轉要求，我們選用液壓馬達來驅動；二是要有著力點，抬包手輪的結構已經固定，分析手輪的結構特點，要使手輪轉動，最簡單可行的辦法，就是直接撥動手輪的橫支撐。所以機構中要有能與手輪支撐接觸的直桿。因為手輪的位置是隨機的，手輪上橫支撐的位置也是隨機的。要使直桿與手輪上橫支撐的接觸機率最大化，直桿的數量不能少于手輪支撐的數量。直桿在液壓馬達的帶動下轉動，從而撥動抬包手輪轉動。三是撥動機構的旋轉中心要與手輪的旋轉中心一致。

3.3.2 撥盤公轉機構——帶動撥動機構隨著手輪一起，以渦輪圓心為軸心沿著手輪中心運動軌跡移動真空抬包手輪自身有一套傳動機構，撥動機構是另一套傳動機構，兩套機構分別在兩個設備上，要實現兩套機構動作完全統一、運行軌跡一致，這是非常困難的。首先，在保證撥動機構的旋轉中心與手輪的旋轉中心一致的同時，還必須保證手輪公轉中心與撥盤機構公轉中心一致，同時還要保證兩套機構所有的運動速度一致。最后，經過全面分析研究，采用通過抬包手輪的公轉運動帶動撥動機構一起轉動。即撥動機構撥動手輪轉動的同時，自身被手輪公轉時帶動，一起隨手輪運動。渦輪圓心O是手輪和撥動機構沿圓弧運動的公轉圓心；O1是手輪和撥盤自身的自轉中心，如圖2所示。

圖2 撥盤轉動軌跡圖

3.3.3 移動小車——帶動撥動機構和撥盤公轉機構前后運動的機構

根據鋁包清理機現場實際布置情況，撥動機構和撥盤公轉機構的工作位置距地面有一定的距離，要使兩個機構在工作位置時能前后運動，還要保證運動過程中不偏移、不擺動，運行平穩，最好的方法就是把整個機構做成帶動力的移動小車，將撥動機構和撥盤公轉機構設置在小車上[2]。為了保證小車運動的平穩性，并降低小車運行時的動力消耗，小車必須有車輪[3]，并在固定的軌道中運行，由液壓缸來驅動。

3.3.4 滑道基座——移動小車的運行軌道兼驅動裝置基座

按正常設計，驅動裝置是安放在鋁包清理機的一側，滑道基座應該固定在鋁包清理機一側的地面上。但考慮到驅動裝置的安裝位置精度，將滑道基座與鋁包清理機基座連在一起最為合適。因此，軌道可直接固定在鋁包清理機的機座上。

綜上所述，驅動裝置的所有機構已完全確定，整體驅動裝置主要由撥動機構、撥盤公轉機構、移動小車、滑道基座四部分組成。驅動裝置結構簡圖如圖3所示。

圖3 驅動裝置結構圖

4 參數的選擇確定

4.1 油缸行程L

根據鋁包清理機結構布置情況，撥盤機構與鋁包清理機之間的最小距離，不能小于400 mm，否則會影響鋁包清理機的正常操作。所以確定油缸行程：L=400 mm[4]。

4.2 油缸驅動力F

油缸所需的驅動力F，主要是克服移動小車前后運動時，小車自重m產生的摩擦力。即[5]：

F=μmg=0.06×1 000×9.8=588N

式中F—油缸的驅動力，N；

μ—摩擦系數；查資料[5],鋼與鋼之間的滾動摩擦，取μ=0.06；

m—移動小車的自重kg，移動小車的總重量m=1 000 kg；

g—重力加速度9.8 m/s。

考慮可能出現的各種偏差，如機械、液壓設計制造偏差、液壓管路中的壓力損失、設備使用安全系數等，所以確定油缸的額定工作壓力：F=1 000 N。

4.3 液壓馬達轉動力矩M

對撥動機構、撥盤公轉機構的機械設計結構進行分析，兩種機構在運動過程中所要克服的阻力，就是馬達所需要的最小轉動力矩。它主要由以下幾方面組成：抬包手輪的轉動力矩M1；撥動機構和撥盤公轉機構在隨著手輪一起公轉時，其自身重量產生的力矩M2；吊裝橫梁重量產生的阻力矩M3；液壓馬達克服前述的三種力運動時，在公轉軸心處產生的摩擦力矩可忽略；即：M=M1+M2+M3。

M1：根據生產鋁包廠家提供的數據，6 t抬包手輪外圓旋轉力矩為95 N·m，即M1=95 N·m。

M2：撥動機構和撥盤公轉機構在隨著手輪一起公轉時，其軌跡是一段圓弧線，O是兩個機構的公轉中心；O1是吊裝橫梁在直立吊裝位置時，兩個機構的自轉中心；O2是吊裝橫梁被旋轉至抬包一側，鋁包清理機工作時，兩個機構的自轉中心[5]，如圖4所示。