陰極板移載小車結構及運行原理設計

鐘國偉,劉寶松,王 勇,石 峰,姜 勇

(1.新疆紫金有色金屬有限公司,新疆 烏恰 845450;2.呼倫貝爾馳宏礦業有限公司,內蒙古 呼倫貝爾 021000;3.云南馳宏鋅鍺股份公司會澤冶煉分公司,云南 654211;4.礦冶科技集團有限公司,北京 100160)

大極板是電鋅生產的發展方向,具有占地面積小、自動化水平高、操作環境好等優點[1-4]。目前大極板剝鋅設備布置方式主要有廠房中央布置和廠房偏跨布置。廠房偏跨布置方式可以使剝鋅機主體設備布置在主廠房側面的偏跨廠房內,這樣一方面可以減少主跨廠房內酸霧對剝鋅機及設備操作人員的不良影響,另一方面可以降低陰極板行車取放陰極板過程對剝鋅機作業效率的不良影響,提高剝鋅機組的作業效率。在剝鋅設備廠房偏跨布置方案中,從廠房主跨到廠房偏跨距離較遠,如何高效地將陰極板從廠房主跨運輸到廠房偏跨,是實現偏跨剝鋅方案需要解決的關鍵問題。

1 陰極板移載小車的作用

在廠房偏跨布置剝鋅方案中,剝鋅設備總體布置圖如圖1 所示。

圖1 廠房偏跨剝鋅設備總體布置圖

圖中右半部分廠房為電解車間主跨廠房,電解槽和陰極板行車設置在主跨廠房內;圖中左半部分廠房為電解車間偏跨廠房,包括左側和右側兩列電解槽;剝鋅機的主體部分設置在偏跨廠房內,僅有放板架設置在主跨廠房內。由于主跨放板架上陰極板到偏跨剝鋅設備的距離有幾十米,如采用鏈條傳輸陰極板,鏈條長度較大,鏈條磨損累計長度誤差會比較大,影響鏈條上陰極板的定位精度,給偏跨剝鋅作業帶來不利影響;此外,當主跨陰極板行車放板和取板時,剝鋅機必須停下來等待放板或取板完成后才能繼續剝鋅,嚴重影響剝鋅作業的生產效率,為解決這些問題,設計一種高效的陰極板移載方式和陰極板移載小車。

陰極板行車一次吊運57 塊陰極板,為了減少設備長度、降低造價及提高設備靈活性,陰極板移載小車設計時選擇一次可以運輸19 塊陰極板,陰極板移載小車用三次運輸來完成行車一吊陰極板的移載工作。通過采用陰極板移載小車來運輸陰極板,保障剝鋅機陰極板供板及回板過程,與陰極板行車放板或取板過程是柔性連接,兩者作業相互獨立、互不影響,提高了剝鋅機組及陰極板行車的運轉效率,從而提升了整個剝鋅系統的生產效率。

2 陰極板移載小車的設計

2.1 陰極板移載小車的結構設計

陰極板移載小車結構設計圖如圖2 所示。陰極板移載小車主要由小車車架、陰極板托架、剪叉式機構、車輪組件、電機減速機、絲杠升降機和傳感器等組成。其中,小車車架上安裝有車輪組件,可使小車在放板架軌道上行走,前面的兩個車輪組件分別由兩個電機減速機驅動,移載小車一側的兩個車輪組件分別安裝2 個水平輪,2 個水平輪與導軌左右兩側面接觸,起到導向作用。剪叉式機構安裝在小車車架上,剪叉式機構在絲杠升降機的驅動下,可實現升降運動。陰極板托架安裝在剪叉式機構上,隨著剪叉式機構一起升降運動。陰極板托架設有托板,托板上帶有齒板,齒板托住陰極板的吊耳,在陰極板托架升降時,齒板可以托起陰極板一起升降,陰極板移載小車一次可以移載19 塊陰極板。移載小車的運動由自動控制程序來控制,其升降位置和水平行走位置由傳感器信號來感知,通過絲杠升降機和行走電機減速機按照程序通電和斷電,陰極板被小車移載到預定位置。

圖2 陰極板移載小車結構設計圖

2.2 陰極板移載小車工作過程與原理

陰極板移載小車在電解車間廠房主跨和偏跨之間運輸陰極板,每臺剝鋅機配備2 臺陰極板移載小車,一臺陰極板移載小車將帶鋅片陰極板從主跨放板架運輸到偏跨剝鋅傳輸鏈;另一臺陰極板移載小車將刷洗后的陰極板從偏跨刷洗傳輸鏈運輸到主跨放板架。兩臺移載小車工作原理相同,以帶鋅片陰極板從主跨放板架運輸到偏跨剝鋅傳輸鏈為例說明移載過程。

2.2.1 初始位置

陰極板移載小車在工作過程中不斷進行循環往復運動,為了方便描述設置一個起點作為陰極板移載小車的初始位置,陰極板移載小車第一次移載的初始位置如圖3 所示。此時,在電解廠房主跨左側電解槽對應的放板架上,已由行車放好一吊57 塊陰極板,陰極板移載小車位于圖示位置,準備從右向左分三次運輸這一吊陰極板。

圖3 陰極板移載小車第一次移載的初始位置

陰極板移載小車的移載運行可分為舉升陰極板、水平移動陰極板、下放陰極板及回歸初始位置。

2.2.2 舉升陰極板

陰極板移載小車絲杠升降機驅動陰極板托架上升到高位,陰極板托架一次托起19 塊陰極板。此時19 塊陰極板導電梁脫離放板架齒板的齒槽限制,可以進行陰極板移載小車水平方向的移載運輸。

2.2.3 水平移動陰極板

電機減速機驅動陰極板移載小車車輪轉動,小車承載19 塊陰極板向左運行,直至達到陰極板移載小車放板位置,如圖4 所示,此時陰極板移載小車承載的19 塊陰極板處在剝鋅傳輸鏈齒槽的正上方,剝鋅傳輸鏈短暫停止移動,等待接受該19 塊陰極板。

圖4 陰極板移載小車到達放板位置

2.2.4 下放陰極板

陰極板移載小車絲杠升降機驅動陰極板托架下降到低位,陰極板托架將19 塊陰極板放到剝鋅傳輸鏈的鏈條齒槽處。此時,陰極板托架上的齒板脫離陰極板吊耳,處在陰極板吊耳和導電梁的中間脫開接觸,陰極板移載小車可以相對于陰極板前后移動。放到剝鋅傳輸鏈的19 塊陰極板通過步進傳輸,為偏跨剝鋅設備供應帶鋅片的陰極板。當這19 塊陰極板依次剝離完成后,空出剝鋅傳輸鏈放板位置,陰極板移載小車可以再次放板。

2.2.5 回歸初始位置

電機減速機驅動陰極板移載小車空載向右運行,直至達到陰極板移載小車第二次取板初始位置,如圖5 所示。此時陰極板移載小車陰極板托架上齒板的齒槽處在陰極板導電梁的正下方,處在第二次移載的初始位置,可以再次舉升和移載運輸19 塊陰極板,依此完成第二次和第三次陰極板的移載作業。

圖5 陰極板移載小車第二次移載的初始位置

通過陰極板移載小車三次移載運輸,可完成行車一吊57 塊陰極板的移載運輸工作。

2.3 陰極板移載小車設計選型與計算

2.3.1 絲杠升降機選型和計算

選擇帶有自鎖功能的蝸輪蝸桿絲杠升降機,型號為ZMDP12-L25-B130S-5.5。該絲杠升降機渦輪和蝸桿的速比為32,升降總行程是120 mm,蝸桿輸入端轉一圈,絲杠螺母升降0.5 mm,電機功率5.5 kW,轉速1 450 r/min,頂升能力為100 kN,移載小車舉升速度為0.012 m/s。

陰極板移載小車一次移載19 塊陰極板,每塊帶鋅片的陰極板質量130 kg,19 塊陰極板的總質量為2 470 kg。

絲杠升降機驅動電機的功率計算[5-7]如下。

式中m1—19 塊帶鋅片陰極板的總質量,m1=2 470 kg;

m2—移載小車舉升部分的質量,m2=1 100 kg;

g—重力加速度,g=9.81 m/s2;

v—移載小車舉升速度,v=0.012 m/s;

η1—蝸輪蝸桿絲杠升降機的傳動效率,η1=11%。

該計算出需要的電機功率為3.82 kW,小于配套的電機額定功率5.5 kW,滿足要求。

2.3.2 行走驅動電機減速機選型和計算

行走驅動選擇帶有制動器的電機減速機,保障移載小車停靠位置準確,電機減速機型號為KAF47DRE90L4/BE2/TF/V,該減速機速比為29.32,電機額定功率1.5 kW,轉速1 450 r/min。左右車輪組件各裝配有一套電機減速機,同時驅動車輪行走,電機額定功率合計為3.0 kW,電機額定扭矩合計為19.0 Nm。移載小車行走速度為0.5 m/s,移載小車質量2 100 kg。

移載小車行走驅動力的計算[8-10]如下式所示。

式中M—電機額定扭矩,M=19.0 Nm;

i—減速機的速比,i=29.32 kg;

η2—減速機的傳動效率,η2=0.95;

R—車輪的半徑,R=0.1 m。

移載小車行走滾動阻力的計算如下。

式中m1—19 塊帶鋅片陰極板的總質量,m1=2 470 kg;

m3—移載小車的質量,m3=2 100 kg;

g—重力加速度,g=9.81 m/s2;

μk—車輪滾動摩擦因數,μk=0.002 5 m;

R—車輪的半徑,R=0.1 m。

該計算出的移載小車行走驅動力F1遠大于行走滾動阻力F2,富裕的小車行走驅動力,用于克服在移載小車陰極板托架插入陰極板吊耳過程中的碰撞力和摩擦力,使移載小車可以穩定可靠運行。

3 工業應用

陰極板移載小車成功應用于國內某冶煉廠的大極板剝鋅系統中,工業應用照片如圖6 所示。陰極板移載小車將行車放在主跨放板架上的陰極板移載到偏跨剝鋅機處,并將偏跨刷洗機輸出的陰極板移載到主跨放板架上,最后陰極板由行車返回電解槽,完成陰極板出裝槽作業。陰極板移載小車與陰極板放板架及偏跨剝鋅設備具有良好的配合運行效果,陰極板移載小車結構緊湊、陰極板移載速度快、運行平穩可靠。陰極板移載小車的研制成功,保障了偏跨剝鋅設備的高效可靠運行,提高了整個剝鋅系統的作業效率和可靠性,降低了能耗。

圖6 工業應用圖

4 結論

(1)通過陰極板移載小車結構及運行原理設計,首次將剪叉式機構與絲杠升降傳動相結合,實現陰極板平穩升降;將放板架上的陰極板,分三次自動移載到偏跨剝鋅機處進行剝鋅刷洗作業,并將剝鋅刷洗后的陰極板,分三次自動移載到與行車對接的放板架上,實現剝鋅系統陰極板的自動移載及與陰極板行車的柔性對接,為實現在廠房偏跨剝鋅作業奠定了堅實基礎。

(2)工業應用表明,該陰極板移載小車具有可靠、高效、緊湊、便于維護的優點,良好解決了大極板偏跨剝鋅涉及的陰極板長距離自動移載問題,填補了國內空白,設備技術能超過國外同類產品,達到國際領先水平。