傾動(dòng)爐扒渣小車的優(yōu)化與設(shè)計(jì)

楊德輝，李文峰

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

貴溪冶煉廠傾動(dòng)爐是由德國馬爾茲（MAERZ）爐窯公司設(shè)計(jì)的亞洲第一臺(tái)傾轉(zhuǎn)式反射爐用于雜銅冶煉的冶金爐窯，于2003 年建成投產(chǎn)。該技術(shù)是依照鋼鐵工業(yè)應(yīng)用的傾動(dòng)式平爐，結(jié)合有色金屬冶煉的特殊工藝要求開發(fā)成功的，它實(shí)際上是可傾動(dòng)的反射爐，既有固定式反射爐加料，扒渣方便的特點(diǎn)，又有回轉(zhuǎn)式陽極爐可根據(jù)不同的操作周期 改變爐位的特點(diǎn)。傾動(dòng)爐是固體銅料精煉的一種改進(jìn)爐型，是冶煉固體粗雜銅最先進(jìn)的工藝設(shè)備。其生產(chǎn)工藝流程為：通過加入粗雜銅等原料入爐融化，熔化的銅水進(jìn)行氧化造渣作業(yè)，氧化造好渣之后進(jìn)行排渣，再進(jìn)行還原反應(yīng)，還原好的銅水最后通過雙圓盤澆鑄成合格的陽極板。

2 放渣生產(chǎn)過程存在的問題

（1）傾動(dòng)爐爐產(chǎn)350t，每爐次會(huì)產(chǎn)生約35t 的渣量，倒渣過程中需用8 個(gè)渣包進(jìn)行裝運(yùn)見（圖1）所示。在倒運(yùn)的過程需要行車和扒渣小車的配合，整個(gè)流程需要90min。每倒一包渣小車需推近至渣口區(qū)域，操作工站在小車平臺(tái)進(jìn)行扒渣。待渣包裝滿后需將小車退出渣平臺(tái)，行車吊走渣包再吊入空渣包，所以每倒一包渣扒渣小車就需要前進(jìn)、后退一個(gè)來回［1］。

（2）扒渣小車所處的位置在尺寸為4m 長(zhǎng)，3m寬，1.5m 高的倒渣平臺(tái)上，屬高溫區(qū)域。由于空間狹窄，離渣口距離近，在倒渣過程會(huì)產(chǎn)生幾百度的輻射熱，以及銅水還會(huì)四處飛濺。自投產(chǎn)以來扒渣小車一直靠人力推拉,使小車前進(jìn)或后退。每次倒渣時(shí)至少需要兩名操作工來回推動(dòng)1t 多重的小車，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，而且還存在一定的生產(chǎn)安全隱患。

圖1 傾動(dòng)爐倒渣作業(yè)示意圖

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于小車無驅(qū)動(dòng)裝置，所處的位置為銅水飛濺的高溫區(qū)域，如果選用電氣驅(qū)動(dòng)存在一定的安全隱患以及故障率高的問題。因此設(shè)計(jì)一套安全、穩(wěn)定、實(shí)用的驅(qū)動(dòng)裝置是此項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［2］。

3.1 驅(qū)動(dòng)裝置的選型

綜合考慮，選用氣動(dòng)馬達(dá)作為扒渣小車的驅(qū)動(dòng)裝置，其優(yōu)點(diǎn)是:

（1）通過調(diào)節(jié)氣源壓力或流量實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的無極變速和可變扭矩，而不需要使用價(jià)格昂貴的控制器。

（2）可頻繁快進(jìn)快出進(jìn)行起動(dòng)，停機(jī)和換向操作，即使在超負(fù)載和堵轉(zhuǎn)的情況下也不會(huì)變得過熱或燒壞。

（3）在危險(xiǎn)條件下能安全運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有電火花或液壓油泄露，是絕對(duì)防爆設(shè)備。

（4）壓縮氣源在馬達(dá)內(nèi)部流通自帶冷卻效果，冷動(dòng)行特性將高溫、潮濕、多粉塵環(huán)境對(duì)設(shè)備的影響降到最低。

（5）設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，故障率低，外形緊湊，重量輕，輸出功率大。

3.2 如何選用氣動(dòng)馬達(dá)

在選用氣動(dòng)馬達(dá)時(shí)須注意技術(shù)規(guī)格列表的性能參數(shù)都是在特定的工作壓力下取得的。氣動(dòng)馬達(dá)工作時(shí)的輸出能力與現(xiàn)場(chǎng)氣源有很大關(guān)系，通過調(diào)節(jié)工作壓力及供氣或排氣流量，同一氣動(dòng)馬達(dá)可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同的輸出轉(zhuǎn)速，扭矩和功率。當(dāng)氣動(dòng)馬達(dá)在氣源壓力低于0.25MPa 狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其性能可能會(huì)不穩(wěn)定。通常情況下建議70%的技術(shù)參數(shù)為基準(zhǔn)來選定氣動(dòng)馬達(dá)的規(guī)格。這樣選的型號(hào)能保證氣動(dòng)馬達(dá)有額外的功率應(yīng)對(duì)啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)中可能出現(xiàn)的超載情況。通常情況下，氣動(dòng)馬達(dá)的輸出功率在其工作轉(zhuǎn)速約為空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的50%時(shí)最大。選用氣動(dòng)馬達(dá)應(yīng)考慮工作轉(zhuǎn)速而不是空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，與氣動(dòng)馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速同樣重要技術(shù)參數(shù)是工作扭矩，轉(zhuǎn)速和扭矩兩個(gè)參數(shù)決定所需馬達(dá)的功率，另外必須注意堵轉(zhuǎn)扭矩和工作扭矩之間的區(qū)別。功率和轉(zhuǎn)速，扭矩的關(guān)系：?jiǎn)?dòng)扭矩約為堵轉(zhuǎn)扭矩的75%,任何轉(zhuǎn)速下的扭矩，功率都接近氣動(dòng)馬達(dá)的性能曲線或用下列公式計(jì)算取得，即：扭矩（Nm）=9550×功率（kW）/轉(zhuǎn)速（rpm）［3］。

3.3 扒渣小車氣動(dòng)馬達(dá)的參數(shù)計(jì)算

經(jīng)計(jì)算小車的總體重量為1t，故氣動(dòng)馬達(dá)的最大負(fù)載M=1000kg。小車的車輪直徑D=0.15m，得車輪周長(zhǎng)C=πD=3.14×0.15=0.471m。小車的行進(jìn)速度V=2m/min,車輪與鋼平面的摩擦系數(shù)為鋼與鋼的摩擦系數(shù)μ，μ 的取值為0.08，g 取10N/kg。可以計(jì)算出：

摩擦力F=μG=μMg=0.08×1000×10=800N

牽引力F＇=FL=FD/2=800×0.15/2=60Nm

車輪轉(zhuǎn)速n= V/C=2/0.471=4.2rpm ≈5 rpm（此為方便計(jì)算取整數(shù)）

由功率P= F＇n/9550 得出 P=60×5÷9550=0.032kW=32W

在常見的氣動(dòng)馬達(dá)參數(shù)標(biāo)示中，通常只標(biāo)示最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速和空轉(zhuǎn)速度，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，所選馬達(dá)轉(zhuǎn)速范圍通常選在實(shí)際要求轉(zhuǎn)速的50%～80%之間(這樣就算現(xiàn)場(chǎng)氣源壓力有壓降也能保證設(shè)備正常工作),其工作性能達(dá)到最佳狀態(tài)，本案計(jì)算的實(shí)際速度約5rpm，故馬達(dá)轉(zhuǎn)速應(yīng)選在6～10rpm 之間（供氣壓力為0.63MPa），若現(xiàn)場(chǎng)氣源壓力較低則需要相應(yīng)選配更高轉(zhuǎn)速的馬達(dá)［4］。經(jīng)設(shè)計(jì)及計(jì)算，最終選定型號(hào)為M220WX-M052葉片式氣動(dòng)馬達(dá),其性能參數(shù)及安裝尺寸見（圖2、圖3 和表1）所示。

3.4 氣動(dòng)馬達(dá)正反轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)是由一個(gè)三位四通手動(dòng)換向閥來實(shí)現(xiàn)的，以此達(dá)到控制小車的前進(jìn)與后退。因?yàn)槿凰耐ㄩy具有中位功能，操作人員可隨時(shí)控制小車的啟動(dòng)與停止。在馬達(dá)的進(jìn)出口配置快速排氣閥，以防排氣不暢出現(xiàn)抱死的情況。

（2）氣源系統(tǒng)的管路管徑應(yīng)滿足氣動(dòng)馬達(dá)最大功率的耗氣量為準(zhǔn)，如果管路過長(zhǎng)相應(yīng)適當(dāng)增大管徑。

（3）氣源管路安裝一個(gè)氣動(dòng)三聯(lián)件，三聯(lián)件有過濾器、減壓閥、油霧器三部分組成。過濾器起到除去壓縮空氣中的灰塵，雜質(zhì)，并將空氣中的水分分離出來；減壓閥起到減壓和穩(wěn)壓的作用，將較高的壓力調(diào)到規(guī)定的輸出壓力，并保證輸出壓力穩(wěn)定，不受空氣流量的變化；油霧器起當(dāng)壓縮空氣流過時(shí)，它將潤滑油噴射成霧狀，隨壓縮空氣流入需要潤滑的部件，達(dá)到潤滑的目的［5］。

（4）在馬達(dá)的進(jìn)出口分別安裝一個(gè)節(jié)流閥，以達(dá)到無極變速的目的，通過節(jié)流調(diào)速控制小車的行進(jìn)速度，其工作原理見（圖4）所示。

圖2 功率、扭矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線圖

圖3 徑向負(fù)載、耗氣量和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線圖

表1 馬達(dá)安裝尺寸參數(shù)

4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

小車在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)無需改變方向，只需直線來回運(yùn)動(dòng)，因此采用通軸設(shè)計(jì)雙輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是小車一共四個(gè)車輪，兩排車輪的高度差為1.5m，所在的位置均是鋼板鋪設(shè)的平面，鋼板容易高溫變形，根據(jù)三點(diǎn)一面的原理，至少能保證一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與地面接觸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，保證了運(yùn)行的穩(wěn)定性。聯(lián)軸器采用剛性聯(lián)軸器設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是承受負(fù)載大，零回轉(zhuǎn)間隙，剛性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，可傳遞較大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速低，無沖擊，對(duì)中性好，適用現(xiàn)場(chǎng)的高溫環(huán)境［6］。聯(lián)軸器、車輪、主軸的裝配圖見（圖5），安裝實(shí)物圖見（圖6）所示。

圖4 氣動(dòng)馬達(dá)工作原理圖

圖5 聯(lián)軸器、車輪、主軸組配圖

圖6 扒渣小車安裝圖

5 實(shí)際效果

通過對(duì)扒渣小車的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，實(shí)現(xiàn)了小車無需靠人力移動(dòng)小車位移的目的，提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度。在生產(chǎn)過程中，每班倒渣作業(yè)由改進(jìn)前的4 名操作人員才能完成的工作量減少到只需2 名人員完成，保證了倒渣工藝流程的流暢行和緊湊性，優(yōu)化了人員配置，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了倒渣作業(yè)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，達(dá)到了降本增效的目的。