鋅電解專用起重機設(shè)計及其自動化探討

張世軍， 邢玉華， 劉 野

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 引言

金屬鋅具有良好的壓延性、耐磨性、抗腐蝕性、鑄造性，且有很好的常溫機械性，能與多種金屬制成性能優(yōu)良的合金。隨著金屬鋅的應(yīng)用擴大，為了獲取高品位金屬鋅，一般需要進行電解精煉獲得純度達到99.9%及以上的鋅板。為此，電解設(shè)備、工藝過程的操作功能設(shè)備等都應(yīng)運而生。在鋅冶煉工藝不斷進步、冶煉廠效益不斷提高的同時，對鋅電解的需求也越來越多，為了適應(yīng)環(huán)境，搶占國內(nèi)市場，對鋅電解起重機的要求也越來越高。鋅電積專用起重機就是能夠?qū)崿F(xiàn)鋅電解沉積生產(chǎn)工藝操作的專用起重機設(shè)備，能夠高效、環(huán)保、自動完成電解所需作業(yè)，最大限度降低勞動強度和解決人工成本問題。

1 環(huán)境條件及工藝操作

鋅電解沉積生產(chǎn)是在強直流電條件下，以硫酸與硫酸鋅按一定比例混合作為電解質(zhì)，以在陰極上沉淀獲得純鋅的過程[1]。同時，電解過程中需要根據(jù)電化學反應(yīng)周期頻繁重復(fù)操作陽極和陰極，勞動強度大。由于鋅電解沉積工藝的特殊性，過程中陽極不消耗，因此需要大量的硫酸混合液循環(huán)以補充的鋅離子濃度。可想而知，整個車間充滿電解附加產(chǎn)物二氧化硫、酸性蒸汽等腐蝕性物質(zhì)，無論是過程操作還是車間設(shè)備都存在嚴重影響。而強直流電產(chǎn)生的強磁場環(huán)境，對車間金屬結(jié)構(gòu)、電氣元件等都具有較大影響，從而影響電氣元件的可靠性和整車穩(wěn)定運行的可靠性。

鋅電解沉積工藝是通過串聯(lián)的電解槽及相互間隔排列的陰陽極實現(xiàn)在陰極沉積純金屬鋅的過程，因而工藝反應(yīng)具有固定的周期，達到該周期后，需要將掛滿金屬鋅的陰極從電解槽中提取出來，運轉(zhuǎn)至剝鋅機組接收架上，再將陰極光板運輸至電解槽進行裝槽。具體操作流程如圖1所示。陰極板出裝槽時，從電解槽起吊陰極板→剝鋅機承載輸送機→吊起剝離鋅片(洗刷)后的陰極板→陰極裝入電解槽。完成后，進入下一循環(huán)。陽極板出裝槽時，從電解槽起吊陽極板→陽極清洗拍平接收裝置→吊起清洗拍平后的陽極板→陽極板裝入電解槽。完成后，進入下一循環(huán)。

圖1 陰極出裝槽工藝過程

因此，鋅電解專用起重機是電解車間的核心設(shè)備，是保證電解過程連續(xù)進行的必要保證。

2 關(guān)鍵機構(gòu)選型

2.1 鋼絲繩的計算

鋼絲繩所受的最大拉力[2]：

(1)

式中Q—額定起重量，kg，Q=11 000 kg；

G0—專用吊具重量，kg，G0=7 000 kg；

m—倍率，m=4×2；

ηh—滑輪組效率，ηh=0.95。

鋼絲繩的整繩最小破斷力：

F0≥Smaxn=1.17×104×8=
9.36×104N=93.6 kN

(2)

式中n—安全系數(shù)，取n=8。

根據(jù)《GB 8918—2006重要用途鋼絲繩標準》，滿足最小破斷拉力的鋼絲繩工程抗拉強度。

鋼絲繩直徑：

(3)

根據(jù)《GB 8918—2006重要用途鋼絲繩標準》，以及考慮結(jié)構(gòu)動態(tài)載荷等情況，選取鋼絲繩直徑d=16 mm，型號16ZAB6×19W+IWR1770。

鋼絲繩的最小斷裂載荷：

F0=150 kN=1.5×105N

鋼絲繩的安全系數(shù)：

鋼絲繩的機構(gòu)工作級別為M7時，要求最小的安全系數(shù)[n]=9，滿足要求。

2.2 卷揚電機參數(shù)的選擇與計算

靜功率計算：

(4)

式中Q—額定起重量，kg，Q=11 000 kg；

G0—吊鉤組重量，kg，G0=7 000 kg；

η— 機構(gòu)總效率，取η=0.85；

V—起升速度，m/s，取V=15 m/min。

電動機計算功率：

P=KdPj=0.95×52.95=50.31 kW

(5)

式中Kd—系數(shù)，取Kd=0.95。

變頻控制，效率為0.80，P=KdPj/0.80=0.95×52.95/0.80 =62.88 kW

設(shè)計所選電機型號QABPZ280S4A 75kW/DV280S4，功率75 kW，轉(zhuǎn)速為1 485 r/min，滿足要求。

2.3 減速機的計算

卷筒的計算轉(zhuǎn)速：

(6)

式中V—起升速度，m/min，V=15 m/min；

m—滑輪組倍率，m=2；

D0—卷筒的計算直徑，D0=450 mm。

減速器的計算速比：

(7)

式中n1—電動機轉(zhuǎn)速，r/min，n1=1 485 r/min。

設(shè)計選用減速器型號K167AD7，速比68.07，輸出轉(zhuǎn)矩32 kN·m。

因此，實際起升速度：

(8)

誤差：

(9)

一般允許的起升速度誤差為[ε]=15%。

卷筒的實際轉(zhuǎn)速：

nj=n′j(1+ε)=21.23×(1-0.0313)=20.57 r/min

(10)

卷筒運轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩：

(11)

式中Pj— 卷筒的計算靜功率，Pj=52.95 kW

所選減速器輸出轉(zhuǎn)矩足夠。

2.4 大車驅(qū)動方案

考慮起重機高速運行，采用四分之四驅(qū)動形式，選用三合一減速電機驅(qū)動[3]。取減速機傳動效率η=0.95。工作環(huán)境溫度0～40 ℃，電機絕緣等級H級，電機接電持續(xù)率40%，工作制S3。

設(shè)備正常工作時運行機構(gòu)穩(wěn)態(tài)功率：

(12)

式中Ps—穩(wěn)態(tài)運行功率，kW；

Pj—穩(wěn)態(tài)運行總阻力，N；

Vk—起重機運行速度，m/s，Vk=120 m/min=2 m/s；

η—運行機構(gòu)傳動效率，取η=0.95；

m—運行機構(gòu)電動機臺數(shù)；

G—穩(wěn)態(tài)負載系數(shù)，G=1。

Pj=Pm+Pp+Pw=5 518.5N+97.5N+0N=5 616N

式中Pm—摩擦阻力，N；

Pp—坡道阻力，N；

Pw—風阻力，N。

Pm=P1+P2+P3=5 518.5 N

式中P1—車輪軸承中的摩擦力，N；

P2—車輪的滾動摩擦力，N；

P3—每個車輪輪緣與軌道間的摩擦力，N。

P3=μP/4=0.05×3.9×105/4 N=4 875 N。

(13)

式中P—車輪輪壓，N，P=PG+PQ=280 000+110 000=3.9×105N；

D—車輪直徑，mm，D=400 mm；

d—車輪軸樞直徑，mm，d=72 mm；

μ—車輪軸承摩擦系數(shù)，μ=0.015～0.02，調(diào)心滾子軸承取0.02。

式中f—車輪的滾動摩擦系數(shù)，mm，f=0.6 mm。

表1 車輪的摩擦滾動摩擦系數(shù)f mm

Pp=Φ8(PG+PQ)/4=97.5 N

(14)

式中PG—起重機自重，N，PG=2.8×105N；

PQ—額定起升載荷，N，PQ=1.1×105N；

Φ8—坡道阻力系數(shù)，取Φ8=0.001。

初步確定電機功率：

PN=αPs=3.843 kW

式中PN—電動機額定功率，kW；

α—安全系數(shù)，室內(nèi)起重機范圍1.2～1.6，取α=1.3。

設(shè)計所選電機型號FA107/GDRE DV112M4/BE 5HF/TH/V，功率4 kW,速比146.49，轉(zhuǎn)速為1 460 r/min,滿足要求。電機空心軸直徑Φ90H7。防護等級IP55，F(xiàn)級絕緣。

3 自動化的提升

目前，鋅電解車間行車尚無自動化、無人化、信息化的產(chǎn)品出現(xiàn)，長期處于人工操作來完成車間的各項操作任務(wù)，操作人員勞動強度大，安全性差。鋅電解專用起重機依靠自動檢測技術(shù)、控制技術(shù)等方法，提升現(xiàn)有車間設(shè)備，可以在接收地面設(shè)備發(fā)出的無線控制指令的情況下，自動完成相應(yīng)指令的作業(yè)工作。

自動定位要求大車能夠以最優(yōu)化的速度從當前位置到達根據(jù)作業(yè)方案指定的電解槽上方。大車位置檢測使用2個激光測距儀[4]，測距儀安裝在大車的同一側(cè)，分別位于靠近兩邊軌道位置，激光反射板安裝在車間墻面上。兩個測量信號互為判斷可靠性，在吊裝槽位于更靠近某一測距儀下方時，使用此測距儀測量信號作為大車位置信號。測距儀測量信號通過PROFIBUS-DP通訊進入PLC系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)通過激光檢測的距離來確定起重機所在的位置，在接收到需要到達的目標位置時，起重機可自動巡航，行使到目的地。

全自動化設(shè)計是通過自動控制平臺[5]來最大限度發(fā)揮鋅電解操作機組的效用。在這個控制平臺下，鋅電解操作機組所有的操作都將在計算機的控制下進行，能夠?qū)崿F(xiàn)計劃、協(xié)調(diào)和組織所有設(shè)備和吊運設(shè)備之間的任務(wù)和互動的功能。

自動控制平臺的模塊化設(shè)計，使得整套系統(tǒng)在任何時候都只執(zhí)行唯一必須的動作，保障正常運轉(zhuǎn)，并且還可以實現(xiàn)對生產(chǎn)的集中控制，通過對整個過程的優(yōu)化管理實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率的目標。此外，還能提高陰極質(zhì)量，降低能耗，以及減少添加劑的消耗量，設(shè)備還易于維護。

正因為有了全自動控制系統(tǒng)，全程跟蹤才成為可能，全程跟蹤涵蓋了電極的運入和運出，各種動作和工藝步驟。此外，全程跟蹤也是提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的有效工具。

4 結(jié)語

鋅電解專用起重機借鑒自動化領(lǐng)域先進技術(shù)在相關(guān)行業(yè)的成功應(yīng)用經(jīng)驗，將多項先進技術(shù)進行融合，用有限元分析可實現(xiàn)輕量化設(shè)計，用自動化實現(xiàn)了智能化控制，無論是機組的對位還是運行過程中的高度控制技術(shù)都有了很大提高，安全性能也有了保障。