熱鍍鋅線上鋅鍋升降裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

惠世民

(上海西重所公司重型機(jī)械成套有限公司，上海 201900)

0 前言

熱鍍鋅板材在汽車板、家電板、建筑民用板等領(lǐng)域的用途越來越廣泛，而且因其生產(chǎn)成本較低、防腐性能高受到許多生產(chǎn)企業(yè)的青睞。隨著我國熱鍍鋅技術(shù)的發(fā)展，最近又出現(xiàn)了鍍鋁鋅硅生產(chǎn)線和鍍鋅鋁生產(chǎn)線、生產(chǎn)高表面質(zhì)量純鋅和合金化熱鍍鋅產(chǎn)品的新建熱鍍鋅機(jī)組，通常采用可移動(dòng)或提升更換的雙鋅鍋系統(tǒng)來替代鍍液轉(zhuǎn)換，以減少采用單個(gè)鋅鍋系統(tǒng)在進(jìn)行產(chǎn)品切換時(shí)產(chǎn)生的大量鋅渣缺陷，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量，同時(shí)也有利于鋅鍋溫度和鋁含量的穩(wěn)定控制。

在熱鍍鋅生產(chǎn)線上，鋅鍋提升裝置是處在最低位的一臺(tái)設(shè)備，與在線的主要設(shè)備比較，顯得無足輕重，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)置有兩個(gè)鋅鍋卻至關(guān)重要。熱鍍鋅機(jī)組中最重要的工藝段為鍍鋅段，鍍鋅段的關(guān)鍵設(shè)備就是鋅鍋。而鍍鋅作業(yè)時(shí)，鋅鍋必須從待機(jī)位橫移到工作最低位，經(jīng)鋅鍋升降裝置提升至工作位，鍍鋅機(jī)組才能順利生產(chǎn)。

1 鋅鍋升降裝置類型確定

目前在國內(nèi)熱鍍鋅線上使用的鋅鍋升降裝置有兩種形式:一種為液壓升降系統(tǒng)，一種是機(jī)械升降系統(tǒng)。國外進(jìn)口和國內(nèi)廠家生產(chǎn)的液壓頂升裝置均能滿足用戶需求。截止2011 年，機(jī)械式鋅鍋提升裝置全部為進(jìn)口設(shè)備，國內(nèi)沒有設(shè)計(jì)成套的供貨企業(yè)。2011 年寶鋼冷軋熱鍍鋅線改造，由于受到安裝空間和其它客觀原因的限制，經(jīng)過國內(nèi)外考察，委托上海西重所公司重型機(jī)械成套有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)機(jī)械式鋅鍋升降的機(jī)電一體化裝置。經(jīng)對(duì)比可知，這兩種升降裝置存在著不同的特點(diǎn)(見表1)。

表1 鋅鍋提升裝置類型及其特點(diǎn)對(duì)照Tab.1 the zinc pot lifting device types and characteristics

從表1 中可看出，由于液壓頂升系統(tǒng)中為了四個(gè)液壓缸同步，液壓系統(tǒng)必須使用比例伺服閥，同步調(diào)整比較困難，而且在平時(shí)的運(yùn)行中會(huì)發(fā)生閥芯堵塞、損壞、系統(tǒng)軟管泄漏等問題，而現(xiàn)場(chǎng)由于要對(duì)鋅鍋表面進(jìn)行清渣，難免偶爾有鋅液滴落，所以存在有安全隱患，必須經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)或更換有關(guān)元件。通過對(duì)國內(nèi)外類似機(jī)組調(diào)研和從長(zhǎng)期生產(chǎn)的運(yùn)行成本分析，采用機(jī)械式鋅鍋升降裝置比較低，而且運(yùn)行安全、可靠，除定期檢查更換設(shè)備潤滑油以外，基本上屬于免維護(hù)型。所以，無論現(xiàn)有單鋅鍋機(jī)組改造，還是新上的雙鍋熱鍍鋅線，采用機(jī)械式鋅鍋升降的機(jī)電一體化裝置是最佳的方案。

2 鋅鍋升降裝置技術(shù)要求

由于鋅鍋體積比較龐大，長(zhǎng)寬高分別約為5800 ×6300 ×4300(含行走車輪)，在裝滿鋅液時(shí)總重約480t，而且鋅鍋內(nèi)熔融狀態(tài)鋅液的溫度高達(dá)500℃以上。同時(shí)鋅鍋(裝滿鋅液)及升降裝置等設(shè)備總重約550t。在這樣的工況下，要將鋅鍋控制在水平度誤差范圍內(nèi)，提升到生產(chǎn)工藝高度，存在著一定的難度和較大風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)按照實(shí)際工藝過程需要，用戶對(duì)設(shè)備的承載和運(yùn)行精度有嚴(yán)格的要求(見表2):

表2 設(shè)備性能和精度保證值Tab.2 The equipment performance and precision value

從上述可知，要保證以上的工藝要求，該升降裝置無論從設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是自動(dòng)化控制方法都有較高的要求。設(shè)備的結(jié)構(gòu)不僅要滿足強(qiáng)度、剛性要求，還應(yīng)滿足大型結(jié)構(gòu)件在運(yùn)行中變形量在可控范圍內(nèi)。要求該裝置提升過程中保證一定的速度且運(yùn)行平穩(wěn)，控制上停位準(zhǔn)確，無故障率≥99%。

3 機(jī)械式鋅鍋升降裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鋅鍋升降裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鋅鍋升降裝置Fig.1 Scheme of zinc pot lifting device

該裝置主要由1 升降導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、2 升降架本體、3 翻轉(zhuǎn)立柱、4 傳動(dòng)系統(tǒng)、5 固定立柱、電控系統(tǒng)等組成。其中最關(guān)鍵的部件為升降架本體、傳動(dòng)裝置和電控系統(tǒng)。因此在設(shè)計(jì)中，不僅對(duì)其結(jié)構(gòu)和控制工藝進(jìn)行優(yōu)化，而且要考慮各種工作狀態(tài)時(shí)的安全保障措施。

3.1 升降架的優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合安裝現(xiàn)場(chǎng)工況分析，升降架(圖2)本體是鋅鍋升降裝置承上啟下的關(guān)鍵部件，機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中，在滿足工藝功能的要求下，進(jìn)行了以下幾方面的優(yōu)化:

(1)該部件上面要承載鋅鍋、鋅液及其各種附件近500 t 的載荷，下部要承受相應(yīng)的頂升力，必須具有滿足要求的強(qiáng)度和剛性，為此在完成升降架本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，建立三維模型，按照實(shí)際架體受力狀態(tài)進(jìn)行受力分析，利用ANSYS 有限元軟件對(duì)升降架計(jì)算校核，分析其危險(xiǎn)斷面的強(qiáng)度是否滿足要求，計(jì)算其大梁變形是否超出要求。

(2)在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下，為了盡量減少該部件本身的重量，減少提升裝置的載荷，降低傳動(dòng)能耗，采用箱型結(jié)構(gòu)大梁，減小焊接大梁的鋼板厚度，修改三維模型重新計(jì)算，對(duì)于受力較大、變形較大的位置設(shè)置筋板加固。

(3)由于該裝置安裝于地面下～8 m 的地坑內(nèi)，而且地坑上口小，下部大，類似壇狀結(jié)構(gòu)，為了方便設(shè)備吊裝和運(yùn)輸，節(jié)約運(yùn)輸成本，再次優(yōu)化升降架的結(jié)構(gòu)，將整體焊接的升降架，設(shè)計(jì)成可拆裝的組裝部件，減小部件的總體尺寸，并且對(duì)分解后的兩件大梁和中間聯(lián)結(jié)架，每個(gè)部件按照加工工藝要求和運(yùn)輸支撐要求進(jìn)行單獨(dú)的工藝支撐，防止加工和運(yùn)輸過程中變形。

(4)為了在安裝現(xiàn)場(chǎng)方便組裝，組裝后的整體不能發(fā)生變形，其承載能力與整體焊接件一致。將整體結(jié)構(gòu)拆分為三個(gè)部件，在聯(lián)結(jié)面處加裝大型平鍵，采用螺栓聯(lián)結(jié)，安裝現(xiàn)場(chǎng)組裝后再采用斷續(xù)焊縫焊接。具體如圖2 所示。

圖2 升降架Fig.2 Lifting frame

3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化

從表2 中可以看出，鋅鍋升降過程中平穩(wěn)性要求較高，采用集中傳動(dòng)方式:一臺(tái)電機(jī)集中傳動(dòng)四臺(tái)升降機(jī)，保證提升過程中四臺(tái)升降機(jī)同步。經(jīng)過分析計(jì)算傳動(dòng)有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下。

提升能力:最大550 t

升降機(jī)數(shù)量:4 臺(tái)

傳動(dòng)方式:集中傳動(dòng)

電機(jī)功率:90 kW

提升速度:～82 mm/min

工作提升行程:800～1500 mm(根據(jù)用戶工藝要求確定)。

升降機(jī)總行程:950～1780 mm(工藝參數(shù)與所選升降機(jī)結(jié)構(gòu)確定)。

傳動(dòng)系統(tǒng)組成由電機(jī)、主減速機(jī)、2 臺(tái)轉(zhuǎn)向器、4 臺(tái)升降機(jī)組成，如圖3 所示。

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.3 Transmission system

(1)將傳動(dòng)設(shè)備按照對(duì)稱方式布置。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備按照最理想的對(duì)稱扭矩分配方案布置，保證了傳動(dòng)過程中各升降機(jī)的受力狀態(tài)基本一致，可消除不對(duì)稱負(fù)載分布對(duì)絲杠升降機(jī)同步性能的不利影響，提高了每臺(tái)升降機(jī)壽命。

(2)盡量減少設(shè)備之間的聯(lián)結(jié)件。電機(jī)與主減速機(jī)之間采用法蘭直接聯(lián)接，省去聯(lián)軸器;減少出故障環(huán)節(jié)。

(3)傳動(dòng)連接軸與兩端聯(lián)軸器配對(duì)成套定制。主減速機(jī)與轉(zhuǎn)向器之間、轉(zhuǎn)向器與升降機(jī)之間采用球籠式連接軸，且連接軸兩端自帶配對(duì)聯(lián)軸器(見圖3)，可使連接軸與聯(lián)軸器之間的配合在出廠前就調(diào)整到最佳狀態(tài)，減少使用現(xiàn)場(chǎng)安裝引起的傳動(dòng)系統(tǒng)問題。

(4)升降機(jī)在待機(jī)位和長(zhǎng)期工作位時(shí)處于卸載狀態(tài)。設(shè)置固定立柱和翻轉(zhuǎn)立柱，使得升降機(jī)只在提升鋅鍋的運(yùn)行過程中受力，其余狀態(tài)不受任何載荷。在升降架處于最低位時(shí)設(shè)置固定立柱，承受鋅鍋小車由基礎(chǔ)移動(dòng)到升降架上時(shí)的沖擊力，承受在待機(jī)時(shí)鋅鍋、鋅液、提升架等全部的重力載荷。工作位時(shí)，鋅鍋處于相對(duì)長(zhǎng)期的生產(chǎn)狀態(tài)，翻轉(zhuǎn)立柱處于垂直位置，由四根立柱承受長(zhǎng)期的工作狀態(tài)載荷，四臺(tái)升降機(jī)卸載，從而有效的保護(hù)了四臺(tái)升降機(jī)的升降絲桿及其相關(guān)傳動(dòng)件，延長(zhǎng)其使用壽命。

(5)將升降機(jī)箱體中潤滑油溫度的檢測(cè)、報(bào)警與主傳動(dòng)電機(jī)控制聯(lián)鎖，使升降機(jī)渦輪蝸桿在設(shè)定油溫狀態(tài)下工作。由于升降機(jī)采用的蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率低，傳動(dòng)熱損耗較大。對(duì)于升降機(jī)在連續(xù)提升起550 t 的負(fù)載時(shí)，有時(shí)會(huì)因?yàn)閭鲃?dòng)溫升過高破壞了潤滑，引起傳動(dòng)損壞。采用對(duì)潤滑油溫度的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示，并將升降機(jī)箱體中油溫的檢測(cè)和報(bào)警與主傳動(dòng)電機(jī)聯(lián)鎖控制，當(dāng)油溫高于報(bào)警值時(shí)傳動(dòng)電機(jī)自動(dòng)停止運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)處于鎖定狀態(tài)，確保了保設(shè)備運(yùn)行的安全性。

通過以上對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了四臺(tái)升降機(jī)同步精度≤±1mm;無故障率≥99%。消除了四臺(tái)升降機(jī)絲杠處于長(zhǎng)期受載的不利狀態(tài)，保證了升降機(jī)總的傳動(dòng)效率，充分保證了設(shè)備運(yùn)行中的安全性，提高了設(shè)備的使用壽命，完成后的鋅鍋升降裝置如圖4 所示。

圖4 鋅鍋升降裝置Fig.4 The zinc pot lifting device

4 結(jié)束語

上海西重所重型機(jī)械成套有限公司自主設(shè)計(jì)成套的首臺(tái)機(jī)械式鋅鍋升降機(jī)電一體化裝置，已于2011 年11 月在寶鋼的熱鍍鋅機(jī)組改造中投入運(yùn)行，填補(bǔ)了國內(nèi)鋼鐵行業(yè)鍍鋅機(jī)組機(jī)械式鋅鍋提升裝置的空白。2013 年為湖南婁底某汽車板廠提供的第二臺(tái)設(shè)備，于2014 年正式投入生產(chǎn)。兩臺(tái)設(shè)備至今運(yùn)行正常，基本上屬于免維護(hù)型，降低了設(shè)備維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了維護(hù)成本，擴(kuò)大了鍍鋅機(jī)組的產(chǎn)品種類，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量，為用戶提高了鍍鋅板的經(jīng)濟(jì)效益。2015年又為寶鋼提供了第三臺(tái)設(shè)備，用于熱鍍鋅(108)機(jī)組改造，目前正在安裝調(diào)試。

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