電解槽罩板裝卸裝置的設計研究

郭春鳳

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司,遼寧沈陽 110027)

0 引言

電解槽罩板是安放在電解槽上的一種防護裝置。在電解鋁生產過程中,鋁電解多功能起重機進行下料、出鋁、打殼、更換陽極裝置操作及對電解槽內部進行其他作業時,必須將覆蓋在電解槽上的槽罩板移開才能進行操作。操作結束后再將槽罩板安放在電解槽上,以防止電解槽中熱氣、煙氣泄漏及外界冷空氣的進入。

目前,在國內電解槽罩板的移開及安放均采用人工手動操作完成。由于槽罩板工作環境溫度一般為300～400 ℃,其表面溫度較高,操作人員手動進行槽罩板的裝卸時,極易被燙傷,危險系數大;且由于槽罩板的數量多,工人的勞動強度大,操作效率低,增加了電解鋁的生產時間。電解槽罩板裝卸裝置就是為了減輕工人的勞動強度,降低操作風險,提高工作人員的安全系數,提高工作效率而設計研究的。

國外,對電解槽罩板裝卸裝置的研究較早,法國ECL 公司已經開發了該裝置。該公司將槽罩板裝卸裝置安裝在了鋁電解多功能機組上。槽罩板的移除采用的是負壓吸附技術。目前,該裝置僅限于實驗模擬階段,并沒有在電解鋁生產現場實際應用。此外,挪威的卡塔爾鋁業(Qatalum)公司在電解鋁車間使用了槽罩板裝卸裝置,該裝置安裝在鋁電解多功能機組的操作室的旋轉軌道上,可以沿著軌道進行旋轉,以完成電解槽另一側的罩板裝卸操作。該裝置由回轉裝置、升降裝置與夾具機構等組成。其升降裝置采用鏈條升降結構,夾具機構采用連桿機構。這兩個公司研究使用的電解槽罩板裝卸裝置都是同時能夠抓取三塊槽罩板,一次性滿足更換雙陽極的要求,提高了工作效率,縮短了電解鋁的生產時間,減輕了工人的勞動強度,降低了操作風險。

目前,國內公司很少進行槽罩板裝卸裝置的設計研究與使用,大都是采用人工手動進行槽罩板的裝卸操作,因此進行電解槽罩板裝卸裝置的設計研究具有十分重要的意義。

1 電解槽罩板裝卸裝置的設計方案

由于目前各大電解鋁廠所采用的槽罩板形狀規格不同,如圖1 所示,有弧形、平板、帶橫撐、帶梯子等結構。

本文設計研究的電解槽罩板裝卸裝置是以圖1d 結構的槽罩板為基礎,并綜合考慮其他槽罩板的形狀進行設計研究的。

為了提高工作效率,縮短電解鋁的生產時間,該電解槽罩板裝卸裝置也設計成能夠同時抓取三塊槽罩板,一次性滿足更換雙陽極的要求。

由于槽罩板的規格大,又要求槽罩板裝卸裝置需要具有行走、升降、旋轉、抓取等功能,增加了該裝置在鋁電解多功能機組現有結構上的布置難度。通過多方面研究,最后將該裝置布置在兩梁鋁電解多功能機組出鋁小車的非供電側,與出鋁小車共用一條運行軌道。

圖1 槽罩板的結構

2 電解槽罩板裝卸裝置的結構組成

電解槽罩板裝卸裝置主要由運行小車裝置、升降裝置、回轉裝置、夾具裝置及電氣液壓系統組成。其結構及布置型式見圖2 所示。

圖2 電解槽罩板裝卸裝置的結構及布置型式

運行小車裝置承擔了該槽罩板裝卸裝置沿廠房跨度方向的移動功能。升降裝置布置在運行小車裝置上,負責夾具裝置的垂直升降運動?；剞D裝置具有使夾具裝置進行回轉的功能,該裝置連接在升降裝置下方。夾具裝置布置在最下方,是抓取槽罩板的關鍵部件,負責抓取槽罩板。

2.1 運行小車裝置

運行小車裝置采用了常見的電解車運行系統,偏掛在電解車的主梁上。運行小車裝置由小車梁、主動車輪組、從動成輪組、水平輪組及下擋輪裝置等組成。主要驅動動力選用“三合一”減速器,提高傳動效率和使用壽命,減小體積,運行可靠。

2.2 升降裝置

升降裝置的動力系統為5T 卷揚裝置,升降裝置采用可伸縮的移動框架形式,通過其卷揚裝置[1]中的卷筒帶動移動架中鋼絲繩來完成系統的升降運動。由于槽罩板裝卸裝置在裝卸槽罩板的過程中要定位準確,要求升降裝置要運行平穩,增加了其設計難度。為了解決這一難題,升降裝置中固定架的導向采用可調的三面滑輪形式保證了夾具裝置升降過程的運行平穩。

2.3 回轉裝置

回轉裝置[2]采用回轉支承的回轉形式,回轉支承分別連接上蓋與下蓋,上蓋連接升降裝置中的移動架,下蓋連接夾具裝置中的固定框架?；剞D裝置的動力源為液壓馬達并配有減速器。

2.4 夾具裝置

夾具裝置是抓取槽罩板的關鍵部件。該裝置布置安裝在回轉裝置的下蓋上。夾具裝置的結構如圖3 所示。

夾具裝置主要由連接座、框架、夾具開閉液壓缸、夾具體、移動液壓缸、底座、座體、移動架、支撐彈簧裝置、勾取彈簧裝置、勾取液壓缸、機構架、平衡彈簧裝置部件等構成。

夾具裝置通過液壓缸帶動連桿結構使夾具裝置滿足工作時的角度變化,其中角度大小由傳感器控制,且可調節,滿足夾具裝置開閉運動平穩的要求。

夾具裝置中設計了沿罩板平面的移動功能及左右擺動的自動調節功能,解決了罩板的制作誤差及安裝誤差影響自動抓取的問題,如圖4 所示。

圖3 夾具裝置結構圖

圖4 夾具裝置中調節裝置位置圖

由于槽罩板為鋁制產品,其裝卸夾具不能采用磁性吸盤式,其夾具的結構形式的選擇及設計是一個難點;槽罩板容易變形,因此在抓取過程中對夾具裝置的抓取動作及力度控制也提出了較高的要求。在夾具裝置中采用支撐彈簧裝置及扭轉彈簧結構,來防止抓取過程中罩板的變形,如圖5 所示。

2.5 電氣液壓系統

該裝置設計了獨立的液壓站及液壓系統,保證液壓馬達及液壓缸的運轉功能及動作。在設備的工作工程中由獨立的電氣系統控制操作動作。通過接近開關及自動巡航對位系統確保夾具裝置的準確對位。

圖5 夾具裝置中調節裝置位置圖

3 電解槽罩板裝卸裝置的工作原理

電解槽罩板裝卸裝置在鋁電解多功能起重機進行下料、出鋁、打殼、更換陽極裝置操作前,通過起重機的大車運行裝置運行到指定位置后,大車停止運行;然后通過電解槽罩板裝卸裝置的運行小車裝置將該裝置運行到工作位置后停止。再利用其升降系統將該裝卸裝置中的夾具裝置下降到抓取高度后,接近開關反饋信號,升降裝置停止下降工作。然后起重機大車運行,使夾具裝置向槽罩板方向靠近,當夾具下方的兩個帶扭轉裝置的定位緩沖棒都接觸到槽罩板時,接近開關反饋信號,大車停止運行。這時夾具裝置中的勾取用液壓缸工作將鉤子移動到打開位置,然后夾具開閉液壓缸進行工作,將夾具裝置打開到抓取槽罩板所需角度時停止。通過斜面移動液壓缸帶動連桿結構調整抓手與槽罩板橫撐的距離,調整到位置后接近開關反饋信號,斜面移動液壓缸停止工作。接下來勾取機構的液壓缸泄壓,在彈簧裝置的作用下,抓手進行旋轉,抓在橫撐上,將槽罩板抓起。然后通過升降系統向上提升,將槽罩板從電解槽上移出,然后夾具開閉液壓缸工作,驅動夾具到初始角度(豎直位置)位置,最后將槽罩板裝卸裝置停止在不影響其他工具操作的位置。

在電解槽內的作業結束后,再通過自動巡航對位系統進行對位,用槽罩板裝卸裝置將槽罩板放回到電解槽上。

對另一側的電解槽進行槽罩板裝卸操作時,通過槽罩板裝卸裝置上的回轉裝置將夾具裝置旋轉180°,再通過起重機大車運行及該裝置自身的運行小車裝置將其夾具裝置調整到操作位置進行操作。

4 夾具裝置中關鍵件支撐彈簧的計算與選擇

支撐彈簧是夾具裝置的關鍵承載部件,夾具體的打開與閉合需要其支撐并保持平衡,以防止抓取過程中槽罩板的變形,因此支撐彈簧的設計選擇非常重要。

4.1 支撐彈簧載荷的計算

當夾具裝置的夾具體處于垂直狀態,即閉合時,支撐彈簧所受載荷最小,進行受力分析,如圖6 所示。

圖5 中A點為夾具體進行開閉運動的支撐軸點,B點為夾具體的重心,C點為支撐彈簧里的作用點。要保持夾具垂直不動,對支撐軸A點的力矩,列平衡方程得:

式中P—夾具體所受重力載荷,N。

式中m—夾具體質量,m=918.4 kg;

g—重力加速度,g=9.8 m/s2;

P1—每個支撐彈簧所受最小工作載荷(支撐彈簧共2 個),N;

通過計算支撐彈簧最小工作載荷P1=7 500 N。

當夾具裝置中的夾具體與垂直方向傾角為50°左右,處于工作狀態時,支撐彈簧所受載荷最大,進行受力分析,如圖7 所示。

圖6 夾具體閉合狀態支撐彈簧受力分析圖

圖7 夾具體工作狀態支撐彈簧受力分析圖

圖7 中A點為夾具體進行開閉運動的支撐軸點,B點為夾具體的重心,C點為支撐彈簧里的作用點。要保持夾具體的穩定不動,對支撐軸A點的力矩,列平衡方程得:

式中P—夾具體所受重力載荷,N;

Pn—每個支撐彈簧所受最大工作載荷(支撐彈簧共2 個),N。

通過計算支撐彈簧最大工作載荷Pn=17 162 N。

4.2 支撐彈簧類型及端部型式的確定

由于彈簧的類型繁多,支撐彈簧的類型及安裝型式其工作狀態、載荷形式、安裝結構位置及制造的難易程度來確定。支撐彈簧采用圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧,其端部結構型式為端部并緊磨平,支承圈數為2 圈。

4.3 支撐彈簧材料及許用應力的確定

彈簧材料的選擇主要根據彈簧的工作條件、彈簧承受的載荷類型,是否受沖擊載荷以及彈簧材料的許用應力等因素確定[1],同時也應考慮彈簧制造的工藝性。

由于電解槽罩板裝卸裝置是在電解鋁車間使用,當該裝置進行裝卸槽罩板作業時,支撐彈簧所處的位置距離電解槽非常近,處于較高溫度的環境下,因此支撐彈簧需要選擇耐高溫的材料。從機械設計手冊[3]表12-2-3 彈簧常用材料中選取60Si2MnA 熱軋彈簧鋼,其推薦使用溫度為-40～200 ℃。

圓柱螺旋彈簧按所受載荷的情況分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類。支撐彈簧受循環載荷,作用次數屬于Ⅱ累載荷的范圍內,故選擇Ⅱ類,查機械設計手冊表12-2-6壓縮、拉伸、扭轉彈簧材料的許用應力值得其許用應力τp為710～890 MPa。

4.4 支撐彈簧參數的計算

確定支撐彈簧材料直徑d,mm:

式中τp—彈簧材料的許用切應力,根據經驗這里取τp=710 MPa。,D為支撐彈簧中徑,一般初假定C=5～8,這里取C=6,則K=1.252 5。

Pn—支撐彈簧最大工作載荷,Pn=17 162 N。

通過計算,d≥22 mm,為了選擇標準的彈簧,這里取d=25 mm。

支撐彈簧的工作極限載荷Pj計算:

根據夾具裝置中支撐彈簧安裝位置及結構要求,初步確定彈簧的外徑D2≤190 mm。

根據D2與Pj選擇彈簧,查機械設計手冊圓柱螺旋壓縮彈簧計算表12-2-19 得:

表1 支撐彈簧的參數

初算彈簧剛度P′:

式中h—支撐彈簧工作行程,根據結構及工作狀態確定h=88 ±1,mm;

Pn—支撐彈簧最大工作載荷,N;

P1—支撐彈簧最小工作載荷,N。

彈簧有效圈數n計算:

查機械設計手冊壓縮彈簧有效圈數表12-2-10,取標準值n=8.5 圈。

計算總圈數n1:

經計算n1=10.5 圈。

彈簧剛度計算:

彈簧工作極限載荷下的變形量Fj的計算,mm:

查機械設計手冊[3]表12-2-12 自由高度H0,取標準值H0=480 mm。

4.5 支撐彈簧穩定性的計算

壓縮彈簧的高徑比較大時,當軸向載荷達到一定值時就會產生側向彎曲而失去穩定性。為了保證使用穩定,兩端回轉的壓縮彈簧高徑比b應滿足b≤2.6,當高徑比b大于2.6 時,需要進行驗算。

支撐彈簧的高徑比b的計算:

由于支撐彈簧的兩端是回轉的,其高徑比應為b≤2.6,故需要按照下式進行驗算。

式中P—彈簧的臨界載荷,N;

CB—不穩定系數,從機械設計手冊圖12-2-1中查取CB=0.4;

P′—彈簧剛度,N/mm;

Pn—彈簧最大工作載荷,Pn=17 162 N。

則:PC=0.4 ×109.41 ×480

PC=21 006.72 N

PC＞Pn,因此該支撐彈簧的設計滿足要求。

支撐彈簧的工作圖,如圖8 所示。

圖8 支撐彈簧工作圖

5 結論

采用電解槽罩板裝卸裝置進行電解槽罩板的裝卸不但減輕了工人的勞動強度,提高了安全系數和工作效率,而且可以減少用工人員的數量,降低人工成本,具有廣闊的市場前景。采用該裝置提高了我國電解鋁行業自動化水平,為實現電解鋁生產過程全部自動化奠定了基礎,加快電解鋁行業自動化生產的步伐,為實現國家“工業制造2025”工業制造無人化的目標做出了貢獻。