蘇 林，畢憲東，汪玉平

（1.安陽嘉和機(jī)械有限公司，河南 安陽 455000；2.安陽市中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，河南 安陽 455000；3.安陽學(xué)院，河南 安陽 455000）

炭素隧道窯是現(xiàn)代化炭素生產(chǎn)連續(xù)式燒成的熱工設(shè)備，一般是一條長(zhǎng)長(zhǎng)的直線隧道加熱裝置，在隧道窯頂部設(shè)有燃燒設(shè)備及燃燒室，由循環(huán)風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)通過熱風(fēng)管道送入隧道窯內(nèi)，窯內(nèi)分預(yù)熱區(qū)、燒成區(qū)、冷卻區(qū)等，通過隧道窯的溫度、壓力、含氧量等自動(dòng)檢測(cè)和風(fēng)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)等控制系統(tǒng)滿足設(shè)備自動(dòng)生產(chǎn)運(yùn)行[1]。

在隧道窯運(yùn)行中，窯車在回車線上完成上一工序制品的裝車工作，通過牽引機(jī)將窯車沿著軌道運(yùn)到窯頭，窯頭擺渡車通過自身功能將窯車鉤到擺渡車上，擺渡車自動(dòng)運(yùn)行到隧道窯窯頭站點(diǎn)，窯車車輪正對(duì)準(zhǔn)隧道窯內(nèi)軌道，窯車進(jìn)入窯內(nèi)，通過頂車機(jī)構(gòu)窯車沿著軌道在窯內(nèi)運(yùn)行，需要經(jīng)過不同的工藝階段，完成炭素制品的二次窯車焙燒工序[2]。二次窯車炭素制品在窯車上由窯尾擺渡車通過自身功能將窯車鉤到擺渡車上，擺渡車將裝滿炭素制品的窯車送回到回車線端頭，通過牽引機(jī)再將裝滿炭素制品的窯車送回到回車線上，完成制品卸車。裝滿電極的窯車在窯內(nèi)和回車線上實(shí)現(xiàn)在整條生產(chǎn)線上的工作循環(huán)，窯頭、窯尾擺渡車發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此擺渡車是整個(gè)炭素隧道窯生產(chǎn)線中的核心設(shè)備之一。

1 問題的提出

目前，成熟的隧道窯生產(chǎn)線上絕大多數(shù)擺渡車采用電機(jī)通過鏈條、鏈輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)，總體結(jié)構(gòu)基本趨于一致，技術(shù)成熟，可靠性也較高。但擺渡車在縱向取送料上有很大的差別。現(xiàn)在主流的縱向取送料裝置有直接使用油缸驅(qū)動(dòng)取送料、直接使用齒輪齒條和使用交叉鏈的鏈條傳動(dòng)等方式，其中，直接使用油缸驅(qū)動(dòng)取送料方式存在油缸行程長(zhǎng)、長(zhǎng)度尺寸較大、擺渡車空間有限、不易安裝的問題；直接使用齒輪齒條的方式存在齒條較長(zhǎng)、不易加工、輸送窯車距離較短的問題；使用交叉鏈的鏈條傳動(dòng)方式除受到鏈輪拉力制約外還要受軸向彎曲應(yīng)力影響，嚴(yán)重影響鏈條使用壽命[3]。

為此，針對(duì)裝置存在的輸送距離較短、鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用壽命短、制造安裝成本高、可靠性低、空間受限等問題擺渡車縱向取送，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型的隧道窯取送裝置，解決了長(zhǎng)期困擾本領(lǐng)域技術(shù)人員一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題。項(xiàng)目組根據(jù)用戶需求，結(jié)合用戶技術(shù)工藝人員和現(xiàn)場(chǎng)操作人員反映的問題，綜合研判，多方論證，針對(duì)性地設(shè)計(jì)研發(fā)了一種齒輪齒條嚙合機(jī)構(gòu)與雙鏈條機(jī)構(gòu)相結(jié)合，齒輪齒條嚙合機(jī)構(gòu)帶動(dòng)取料小車移動(dòng)，雙鏈條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)卡爪移動(dòng)，取料小車和卡爪上下聯(lián)動(dòng)的新型炭素隧道窯擺渡車，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)取送裝置長(zhǎng)距離縱向運(yùn)輸；使用槽型滑動(dòng)軌道和滾輪配合，約束其運(yùn)動(dòng)方向，保證了其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。這樣一種新型的隧道窯擺渡車移動(dòng)取送裝置，解決了相關(guān)問題，經(jīng)過一年多的用戶使用驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目的，使用效果良好。

2 結(jié)構(gòu)組成

本裝置主要由車架、取料小車、卡爪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。車架部分是整個(gè)隧道窯取送裝置的基礎(chǔ)支撐部分，圖1所示。該車架是對(duì)傳統(tǒng)擺渡車車架的簡(jiǎn)單改裝，在傳統(tǒng)車架上增加了供取料小車縱向移動(dòng)的槽型滑動(dòng)導(dǎo)軌。圖2為卡爪結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，車架橫向移動(dòng)和傳統(tǒng)方式一樣，在隧道窯生產(chǎn)線上通過鏈條、鏈輪及其對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)，可以將制品推入推出；取料小車部分由取料小車本體2、小車滾輪10、小車底部齒條及其安裝在車架1上的小車槽型滑動(dòng)導(dǎo)軌等組成，可以實(shí)現(xiàn)取料小車的縱向移動(dòng)；卡爪部分由卡爪本體3、卡爪滾輪11及其安裝在取料小車2上的卡爪槽型滑動(dòng)導(dǎo)軌等組成，實(shí)現(xiàn)在小車的縱向移動(dòng)基礎(chǔ)上的附加卡爪縱向移動(dòng)，擴(kuò)大了取送裝置縱向移動(dòng)距離，從而節(jié)省了擺渡車空間；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分主要由驅(qū)動(dòng)鏈輪4、齒輪軸固定座5、齒輪軸6、齒輪7、前部鏈條8、后部鏈條9、安裝在小車底部齒條及其緊固支撐部件組成，主要用于動(dòng)力的傳遞，通過齒輪、齒條、鏈輪、鏈條等的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車和卡爪縱向移動(dòng)；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由減速機(jī)12、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其緊固支撐部件組成，主要用于為整個(gè)裝置提供動(dòng)力，通過隧道窯的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

圖1 擺渡車的總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 卡爪結(jié)構(gòu)的示意圖

圖3 擺渡車移動(dòng)取送裝置的示意圖

3 工作原理

如圖3所示，當(dāng)窯車達(dá)到指定位置后，位置傳感器發(fā)出到位信號(hào)，隧道窯電氣控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)開始工作，將動(dòng)力傳遞給擺渡車縱向減速機(jī)12，減速機(jī)通過鏈輪、鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)齒輪軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪軸6通過齒輪7傳遞動(dòng)力給取料小車底部的齒條，取料小車2在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下可沿?cái)[渡車車架上的槽型滑動(dòng)導(dǎo)軌縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而牽引鏈條8和9又與取料小車2上的驅(qū)動(dòng)鏈輪4相齒合，牽引鏈條8、9的一端與車架1固定連接，另一端與卡爪3固定連接，進(jìn)而使得卡爪3在牽引鏈條8、9的作用下可在取料小車2上往復(fù)運(yùn)動(dòng)?？ㄗ?運(yùn)動(dòng)是在取料小車2運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)上的附加運(yùn)動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)鏈輪4和前部鏈條8、后部鏈條9等聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取料小車2和卡爪3的共同前后移動(dòng)，因卡爪3的運(yùn)動(dòng)是附加在取料小車2的運(yùn)動(dòng)之上的，所以卡爪3移動(dòng)速度比取料小車2移動(dòng)速度快一倍；當(dāng)取料小車2到位后，卡爪3也同時(shí)到達(dá)取料小車2最前端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了卡爪3在縱向上長(zhǎng)距離的移動(dòng)。取料小車2的運(yùn)動(dòng)受安裝在車架1框架上的槽型滑動(dòng)軌道和小車滾輪10的約束，卡爪3的運(yùn)動(dòng)受安裝在小車框架上的槽型滑動(dòng)軌道和小車滾輪11的約束，并且卡爪3的運(yùn)動(dòng)采用雙鏈條驅(qū)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定。因此該縱向移動(dòng)取送裝置簡(jiǎn)單牢固、運(yùn)行穩(wěn)定、易于裝配維修，實(shí)現(xiàn)了低成本、長(zhǎng)距離縱向取送動(dòng)作。

4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇是該機(jī)構(gòu)成敗的關(guān)鍵，本裝置傳動(dòng)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

按照工藝要求，窯料小車移動(dòng)送料、取料的速度應(yīng)為V=2m/min，對(duì)應(yīng)的窯料小車的卡爪移動(dòng)速度也是2m/min；根據(jù)該結(jié)構(gòu)原理，擺渡車移動(dòng)小車對(duì)應(yīng)的相對(duì)速度為1m/min；齒輪和齒條模數(shù)選擇為m=8mm，移動(dòng)小車下面驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)以下公式得出驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速n：

因隧道窯空間有限，結(jié)構(gòu)緊湊，選取小鏈輪齒數(shù)Z1=13，大鏈輪齒數(shù)為Z2=35，工作載荷平穩(wěn)，鏈傳動(dòng)中距可調(diào)，可以推算出小鏈輪轉(zhuǎn)速n1,減速機(jī)輸出軸與小鏈輪Z1直聯(lián)，小鏈輪轉(zhuǎn)速n1為減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速：

窯車（含電極）重量約20 000 kg，移動(dòng)小車（含鏈條、卡爪等）重量約400 kg，考慮到槽鋼不加工的凹槽作為導(dǎo)軌面，綜合摩擦系數(shù)按μ=0.15計(jì)算，傳遞的綜合機(jī)械效率約為η=0.7，可以推算出整個(gè)機(jī)構(gòu)（含窯車及移動(dòng)小車）所需進(jìn)給力F為：

根據(jù)所需進(jìn)給力F，可以推算出驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率P：

綜合計(jì)算的小鏈輪轉(zhuǎn)速n1和驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率P，考慮運(yùn)行工況、環(huán)境溫度、一定的冗余等使用系數(shù)fB對(duì)設(shè)計(jì)功率影響，選擇符合要求的減速機(jī)型號(hào)為K97DRN112M6的減速機(jī)，該減速機(jī)的電機(jī)參數(shù)主要為：P=2.2 kW，轉(zhuǎn)速n=6.2 rpm，扭矩T=3 300 Nm。對(duì)實(shí)際窯料小車的速度重新核定：

核定的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)使用情況均與計(jì)算結(jié)果相符，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用驗(yàn)證，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，使用效果良好。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目的縱向移動(dòng)取送裝置使用了齒輪齒條嚙合機(jī)構(gòu)與雙鏈條聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，齒輪齒條嚙合機(jī)構(gòu)帶動(dòng)取料小車移動(dòng)，雙鏈條聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)卡爪移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)取送裝置長(zhǎng)距離縱向動(dòng)作；使用安裝在車架框架上的槽型滑動(dòng)軌道和安裝在小車框架上槽型滑動(dòng)軌道及其相應(yīng)的滾輪，約束其運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)了其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)動(dòng)作可靠、運(yùn)行效率高，節(jié)約了空間、安裝維修方便，且在特殊高溫工況下能保證穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，配合隧道窯生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化平穩(wěn)輸送窯車的目標(biāo)，對(duì)窯車內(nèi)的電極起到了有效保護(hù)，避免了對(duì)電極的沖擊損傷，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低了惡劣環(huán)境下的勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)過用戶一年多的生產(chǎn)運(yùn)行，效果良好。該裝置使用的方法，同樣可以適應(yīng)于小空間、需要長(zhǎng)距離輸送到其他設(shè)備上。