郭春鳳

(中國(guó)有色(沈陽(yáng))冶金機(jī)械有限公司,遼寧沈陽(yáng) 110027)

0 引言

電解槽罩板是安放在電解槽上的一種防護(hù)裝置。在電解鋁生產(chǎn)過(guò)程中,鋁電解多功能起重機(jī)進(jìn)行下料、出鋁、打殼、更換陽(yáng)極裝置操作及對(duì)電解槽內(nèi)部進(jìn)行其他作業(yè)時(shí),必須將覆蓋在電解槽上的槽罩板移開(kāi)才能進(jìn)行操作。操作結(jié)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(jìn)入。

目前,在國(guó)內(nèi)電解槽罩板的移開(kāi)及安放均采用人工手動(dòng)操作完成。由于槽罩板工作環(huán)境溫度一般為300～400 ℃,其表面溫度較高,操作人員手動(dòng)進(jìn)行槽罩板的裝卸時(shí),極易被燙傷,危險(xiǎn)系數(shù)大;且由于槽罩板的數(shù)量多,工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大,操作效率低,增加了電解鋁的生產(chǎn)時(shí)間。電解槽罩板裝卸裝置就是為了減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,降低操作風(fēng)險(xiǎn),提高工作人員的安全系數(shù),提高工作效率而設(shè)計(jì)研究的。

國(guó)外,對(duì)電解槽罩板裝卸裝置的研究較早,法國(guó)ECL 公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)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(jī)組上。槽罩板的移除采用的是負(fù)壓吸附技術(shù)。目前,該裝置僅限于實(shí)驗(yàn)?zāi)M階段,并沒(méi)有在電解鋁生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。此外,挪威的卡塔爾鋁業(yè)(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(jī)組的操作室的旋轉(zhuǎn)軌道上,可以沿著軌道進(jìn)行旋轉(zhuǎn),以完成電解槽另一側(cè)的罩板裝卸操作。該裝置由回轉(zhuǎn)裝置、升降裝置與夾具機(jī)構(gòu)等組成。其升降裝置采用鏈條升降結(jié)構(gòu),夾具機(jī)構(gòu)采用連桿機(jī)構(gòu)。這兩個(gè)公司研究使用的電解槽罩板裝卸裝置都是同時(shí)能夠抓取三塊槽罩板,一次性滿足更換雙陽(yáng)極的要求,提高了工作效率,縮短了電解鋁的生產(chǎn)時(shí)間,減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了操作風(fēng)險(xiǎn)。

目前,國(guó)內(nèi)公司很少進(jìn)行槽罩板裝卸裝置的設(shè)計(jì)研究與使用,大都是采用人工手動(dòng)進(jìn)行槽罩板的裝卸操作,因此進(jìn)行電解槽罩板裝卸裝置的設(shè)計(jì)研究具有十分重要的意義。

1 電解槽罩板裝卸裝置的設(shè)計(jì)方案

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

本文設(shè)計(jì)研究的電解槽罩板裝卸裝置是以圖1d 結(jié)構(gòu)的槽罩板為基礎(chǔ),并綜合考慮其他槽罩板的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)研究的。

為了提高工作效率,縮短電解鋁的生產(chǎn)時(shí)間,該電解槽罩板裝卸裝置也設(shè)計(jì)成能夠同時(shí)抓取三塊槽罩板,一次性滿足更換雙陽(yáng)極的要求。

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

圖1 槽罩板的結(jié)構(gòu)

2 電解槽罩板裝卸裝置的結(jié)構(gòu)組成

電解槽罩板裝卸裝置主要由運(yùn)行小車裝置、升降裝置、回轉(zhuǎn)裝置、夾具裝置及電氣液壓系統(tǒng)組成。其結(jié)構(gòu)及布置型式見(jiàn)圖2 所示。

圖2 電解槽罩板裝卸裝置的結(jié)構(gòu)及布置型式

運(yùn)行小車裝置承擔(dān)了該槽罩板裝卸裝置沿廠房跨度方向的移動(dòng)功能。升降裝置布置在運(yùn)行小車裝置上,負(fù)責(zé)夾具裝置的垂直升降運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)裝置具有使夾具裝置進(jìn)行回轉(zhuǎn)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(guān)鍵部件,負(fù)責(zé)抓取槽罩板。

2.1 運(yùn)行小車裝置

運(yùn)行小車裝置采用了常見(jiàn)的電解車運(yùn)行系統(tǒng),偏掛在電解車的主梁上。運(yùn)行小車裝置由小車梁、主動(dòng)車輪組、從動(dòng)成輪組、水平輪組及下?lián)踺喲b置等組成。主要驅(qū)動(dòng)動(dòng)力選用“三合一”減速器,提高傳動(dòng)效率和使用壽命,減小體積,運(yùn)行可靠。

2.2 升降裝置

升降裝置的動(dòng)力系統(tǒng)為5T 卷?yè)P(yáng)裝置,升降裝置采用可伸縮的移動(dòng)框架形式,通過(guò)其卷?yè)P(yáng)裝置[1]中的卷筒帶動(dòng)移動(dòng)架中鋼絲繩來(lái)完成系統(tǒng)的升降運(yùn)動(dòng)。由于槽罩板裝卸裝置在裝卸槽罩板的過(guò)程中要定位準(zhǔn)確,要求升降裝置要運(yùn)行平穩(wěn),增加了其設(shè)計(jì)難度。為了解決這一難題,升降裝置中固定架的導(dǎo)向采用可調(diào)的三面滑輪形式保證了夾具裝置升降過(guò)程的運(yùn)行平穩(wěn)。

2.3 回轉(zhuǎn)裝置

回轉(zhuǎn)裝置[2]采用回轉(zhuǎn)支承的回轉(zhuǎn)形式,回轉(zhuǎn)支承分別連接上蓋與下蓋,上蓋連接升降裝置中的移動(dòng)架,下蓋連接夾具裝置中的固定框架。回轉(zhuǎn)裝置的動(dòng)力源為液壓馬達(dá)并配有減速器。

2.4 夾具裝置

夾具裝置是抓取槽罩板的關(guān)鍵部件。該裝置布置安裝在回轉(zhuǎn)裝置的下蓋上。夾具裝置的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

夾具裝置主要由連接座、框架、夾具開(kāi)閉液壓缸、夾具體、移動(dòng)液壓缸、底座、座體、移動(dòng)架、支撐彈簧裝置、勾取彈簧裝置、勾取液壓缸、機(jī)構(gòu)架、平衡彈簧裝置部件等構(gòu)成。

夾具裝置通過(guò)液壓缸帶動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)使夾具裝置滿足工作時(shí)的角度變化,其中角度大小由傳感器控制,且可調(diào)節(jié),滿足夾具裝置開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的要求。

夾具裝置中設(shè)計(jì)了沿罩板平面的移動(dòng)功能及左右擺動(dòng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能,解決了罩板的制作誤差及安裝誤差影響自動(dòng)抓取的問(wèn)題,如圖4 所示。

圖3 夾具裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 夾具裝置中調(diào)節(jié)裝置位置圖

由于槽罩板為鋁制產(chǎn)品,其裝卸夾具不能采用磁性吸盤(pán)式,其夾具的結(jié)構(gòu)形式的選擇及設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn);槽罩板容易變形,因此在抓取過(guò)程中對(duì)夾具裝置的抓取動(dòng)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(zhuǎn)彈簧結(jié)構(gòu),來(lái)防止抓取過(guò)程中罩板的變形,如圖5 所示。

2.5 電氣液壓系統(tǒng)

該裝置設(shè)計(jì)了獨(dú)立的液壓站及液壓系統(tǒng),保證液壓馬達(dá)及液壓缸的運(yùn)轉(zhuǎn)功能及動(dòng)作。在設(shè)備的工作工程中由獨(dú)立的電氣系統(tǒng)控制操作動(dòng)作。通過(guò)接近開(kāi)關(guān)及自動(dòng)巡航對(duì)位系統(tǒng)確保夾具裝置的準(zhǔn)確對(duì)位。

圖5 夾具裝置中調(diào)節(jié)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(jī)進(jìn)行下料、出鋁、打殼、更換陽(yáng)極裝置操作前,通過(guò)起重機(jī)的大車運(yùn)行裝置運(yùn)行到指定位置后,大車停止運(yùn)行;然后通過(guò)電解槽罩板裝卸裝置的運(yùn)行小車裝置將該裝置運(yùn)行到工作位置后停止。再利用其升降系統(tǒng)將該裝卸裝置中的夾具裝置下降到抓取高度后,接近開(kāi)關(guān)反饋信號(hào),升降裝置停止下降工作。然后起重機(jī)大車運(yùn)行,使夾具裝置向槽罩板方向靠近,當(dāng)夾具下方的兩個(gè)帶扭轉(zhuǎn)裝置的定位緩沖棒都接觸到槽罩板時(shí),接近開(kāi)關(guān)反饋信號(hào),大車停止運(yùn)行。這時(shí)夾具裝置中的勾取用液壓缸工作將鉤子移動(dòng)到打開(kāi)位置,然后夾具開(kāi)閉液壓缸進(jìn)行工作,將夾具裝置打開(kāi)到抓取槽罩板所需角度時(shí)停止。通過(guò)斜面移動(dòng)液壓缸帶動(dòng)連桿結(jié)構(gòu)調(diào)整抓手與槽罩板橫撐的距離,調(diào)整到位置后接近開(kāi)關(guān)反饋信號(hào),斜面移動(dòng)液壓缸停止工作。接下來(lái)勾取機(jī)構(gòu)的液壓缸泄壓,在彈簧裝置的作用下,抓手進(jìn)行旋轉(zhuǎn),抓在橫撐上,將槽罩板抓起。然后通過(guò)升降系統(tǒng)向上提升,將槽罩板從電解槽上移出,然后夾具開(kāi)閉液壓缸工作,驅(qū)動(dòng)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(nèi)的作業(yè)結(jié)束后,再通過(guò)自動(dòng)巡航對(duì)位系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)位,用槽罩板裝卸裝置將槽罩板放回到電解槽上。

對(duì)另一側(cè)的電解槽進(jìn)行槽罩板裝卸操作時(shí),通過(guò)槽罩板裝卸裝置上的回轉(zhuǎn)裝置將夾具裝置旋轉(zhuǎn)180°,再通過(guò)起重機(jī)大車運(yùn)行及該裝置自身的運(yùn)行小車裝置將其夾具裝置調(diào)整到操作位置進(jìn)行操作。

4 夾具裝置中關(guān)鍵件支撐彈簧的計(jì)算與選擇

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

4.1 支撐彈簧載荷的計(jì)算

當(dāng)夾具裝置的夾具體處于垂直狀態(tài),即閉合時(shí),支撐彈簧所受載荷最小,進(jìn)行受力分析,如圖6 所示。

圖5 中A點(diǎn)為夾具體進(jìn)行開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)的支撐軸點(diǎn),B點(diǎn)為夾具體的重心,C點(diǎn)為支撐彈簧里的作用點(diǎn)。要保持夾具垂直不動(dòng),對(duì)支撐軸A點(diǎn)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(zhì)量,m=918.4 kg;

g—重力加速度,g=9.8 m/s2;

P1—每個(gè)支撐彈簧所受最小工作載荷(支撐彈簧共2 個(gè)),N;

通過(guò)計(jì)算支撐彈簧最小工作載荷P1=7 500 N。

當(dāng)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(tài)時(shí),支撐彈簧所受載荷最大,進(jìn)行受力分析,如圖7 所示。

圖6 夾具體閉合狀態(tài)支撐彈簧受力分析圖

圖7 夾具體工作狀態(tài)支撐彈簧受力分析圖

圖7 中A點(diǎn)為夾具體進(jìn)行開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)的支撐軸點(diǎn),B點(diǎn)為夾具體的重心,C點(diǎn)為支撐彈簧里的作用點(diǎn)。要保持夾具體的穩(wěn)定不動(dòng),對(duì)支撐軸A點(diǎn)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(gè)支撐彈簧所受最大工作載荷(支撐彈簧共2 個(gè)),N。

通過(guò)計(jì)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(tài)、載荷形式、安裝結(jié)構(gòu)位置及制造的難易程度來(lái)確定。支撐彈簧采用圓形截面圓柱螺旋壓縮彈簧,其端部結(jié)構(gòu)型式為端部并緊磨平,支承圈數(shù)為2 圈。

4.3 支撐彈簧材料及許用應(yīng)力的確定

彈簧材料的選擇主要根據(jù)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(yīng)力等因素確定[1],同時(shí)也應(yīng)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(dāng)該裝置進(jìn)行裝卸槽罩板作業(yè)時(shí),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(huán)境下,因此支撐彈簧需要選擇耐高溫的材料。從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[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(huán)載荷,作用次數(shù)屬于Ⅱ累載荷的范圍內(nèi),故選擇Ⅱ類,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-2-6壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)彈簧材料的許用應(yīng)力值得其許用應(yīng)力τp為710～890 MPa。

4.4 支撐彈簧參數(shù)的計(jì)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(yīng)力,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(guò)計(jì)算,d≥22 mm,為了選擇標(biāo)準(zhǔn)的彈簧,這里取d=25 mm。

支撐彈簧的工作極限載荷Pj計(jì)算:

根據(jù)夾具裝置中支撐彈簧安裝位置及結(jié)構(gòu)要求,初步確定彈簧的外徑D2≤190 mm。

根據(jù)D2與Pj選擇彈簧,查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圓柱螺旋壓縮彈簧計(jì)算表12-2-19 得:

表1 支撐彈簧的參數(shù)

初算彈簧剛度P′:

式中h—支撐彈簧工作行程,根據(jù)結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)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(shù)n計(jì)算:

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)壓縮彈簧有效圈數(shù)表12-2-10,取標(biāo)準(zhǔn)值n=8.5 圈。

計(jì)算總?cè)?shù)n1:

經(jīng)計(jì)算n1=10.5 圈。

彈簧剛度計(jì)算:

彈簧工作極限載荷下的變形量Fj的計(jì)算,mm:

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]表12-2-12 自由高度H0,取標(biāo)準(zhǔn)值H0=480 mm。

4.5 支撐彈簧穩(wěn)定性的計(jì)算

壓縮彈簧的高徑比較大時(shí),當(dāng)軸向載荷達(dá)到一定值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生側(cè)向彎曲而失去穩(wěn)定性。為了保證使用穩(wěn)定,兩端回轉(zhuǎn)的壓縮彈簧高徑比b應(yīng)滿足b≤2.6,當(dāng)高徑比b大于2.6 時(shí),需要進(jìn)行驗(yàn)算。

支撐彈簧的高徑比b的計(jì)算:

由于支撐彈簧的兩端是回轉(zhuǎn)的,其高徑比應(yīng)為b≤2.6,故需要按照下式進(jìn)行驗(yàn)算。

式中P—彈簧的臨界載荷,N;

CB—不穩(wěn)定系數(shù),從機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(shè)計(jì)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(jié)論

采用電解槽罩板裝卸裝置進(jìn)行電解槽罩板的裝卸不但減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了安全系數(shù)和工作效率,而且可以減少用工人員的數(shù)量,降低人工成本,具有廣闊的市場(chǎng)前景。采用該裝置提高了我國(guó)電解鋁行業(yè)自動(dòng)化水平,為實(shí)現(xiàn)電解鋁生產(chǎn)過(guò)程全部自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ),加快電解鋁行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的步伐,為實(shí)現(xiàn)國(guó)家“工業(yè)制造2025”工業(yè)制造無(wú)人化的目標(biāo)做出了貢獻(xiàn)。