鋅電解專用起重機設計及其自動化探討

張世軍， 邢玉華， 劉 野

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 引言

金屬鋅具有良好的壓延性、耐磨性、抗腐蝕性、鑄造性，且有很好的常溫機械性，能與多種金屬制成性能優良的合金。隨著金屬鋅的應用擴大，為了獲取高品位金屬鋅，一般需要進行電解精煉獲得純度達到99.9%及以上的鋅板。為此，電解設備、工藝過程的操作功能設備等都應運而生。在鋅冶煉工藝不斷進步、冶煉廠效益不斷提高的同時，對鋅電解的需求也越來越多，為了適應環境，搶占國內市場，對鋅電解起重機的要求也越來越高。鋅電積專用起重機就是能夠實現鋅電解沉積生產工藝操作的專用起重機設備，能夠高效、環保、自動完成電解所需作業，最大限度降低勞動強度和解決人工成本問題。

1 環境條件及工藝操作

鋅電解沉積生產是在強直流電條件下，以硫酸與硫酸鋅按一定比例混合作為電解質，以在陰極上沉淀獲得純鋅的過程[1]。同時，電解過程中需要根據電化學反應周期頻繁重復操作陽極和陰極，勞動強度大。由于鋅電解沉積工藝的特殊性，過程中陽極不消耗，因此需要大量的硫酸混合液循環以補充的鋅離子濃度。可想而知，整個車間充滿電解附加產物二氧化硫、酸性蒸汽等腐蝕性物質，無論是過程操作還是車間設備都存在嚴重影響。而強直流電產生的強磁場環境，對車間金屬結構、電氣元件等都具有較大影響，從而影響電氣元件的可靠性和整車穩定運行的可靠性。

鋅電解沉積工藝是通過串聯的電解槽及相互間隔排列的陰陽極實現在陰極沉積純金屬鋅的過程，因而工藝反應具有固定的周期，達到該周期后，需要將掛滿金屬鋅的陰極從電解槽中提取出來，運轉至剝鋅機組接收架上，再將陰極光板運輸至電解槽進行裝槽。具體操作流程如圖1所示。陰極板出裝槽時，從電解槽起吊陰極板→剝鋅機承載輸送機→吊起剝離鋅片(洗刷)后的陰極板→陰極裝入電解槽。完成后，進入下一循環。陽極板出裝槽時，從電解槽起吊陽極板→陽極清洗拍平接收裝置→吊起清洗拍平后的陽極板→陽極板裝入電解槽。完成后，進入下一循環。

圖1 陰極出裝槽工藝過程

因此，鋅電解專用起重機是電解車間的核心設備，是保證電解過程連續進行的必要保證。

2 關鍵機構選型

2.1 鋼絲繩的計算

鋼絲繩所受的最大拉力[2]：

(1)

式中Q—額定起重量，kg，Q=11 000 kg；

G0—專用吊具重量，kg，G0=7 000 kg；

m—倍率，m=4×2；

ηh—滑輪組效率，ηh=0.95。

鋼絲繩的整繩最小破斷力：

F0≥Smaxn=1.17×104×8=
9.36×104N=93.6 kN

(2)

式中n—安全系數，取n=8。

根據《GB 8918—2006重要用途鋼絲繩標準》，滿足最小破斷拉力的鋼絲繩工程抗拉強度。

鋼絲繩直徑：

(3)

根據《GB 8918—2006重要用途鋼絲繩標準》，以及考慮結構動態載荷等情況，選取鋼絲繩直徑d=16 mm，型號16ZAB6×19W+IWR1770。

鋼絲繩的最小斷裂載荷：

F0=150 kN=1.5×105N

鋼絲繩的安全系數：

鋼絲繩的機構工作級別為M7時，要求最小的安全系數[n]=9，滿足要求。

2.2 卷揚電機參數的選擇與計算

靜功率計算：

(4)

式中Q—額定起重量，kg，Q=11 000 kg；

G0—吊鉤組重量，kg，G0=7 000 kg；

η— 機構總效率，取η=0.85；

V—起升速度，m/s，取V=15 m/min。

電動機計算功率：

P=KdPj=0.95×52.95=50.31 kW

(5)

式中Kd—系數，取Kd=0.95。

變頻控制，效率為0.80，P=KdPj/0.80=0.95×52.95/0.80 =62.88 kW

設計所選電機型號QABPZ280S4A 75kW/DV280S4，功率75 kW，轉速為1 485 r/min，滿足要求。

2.3 減速機的計算

卷筒的計算轉速：

(6)

式中V—起升速度，m/min，V=15 m/min；

m—滑輪組倍率，m=2；

D0—卷筒的計算直徑，D0=450 mm。

減速器的計算速比：

(7)

式中n1—電動機轉速，r/min，n1=1 485 r/min。

設計選用減速器型號K167AD7，速比68.07，輸出轉矩32 kN·m。

因此，實際起升速度：

(8)

誤差：

(9)

一般允許的起升速度誤差為[ε]=15%。

卷筒的實際轉速：

nj=n′j(1+ε)=21.23×(1-0.0313)=20.57 r/min

(10)

卷筒運轉所需的轉矩：

(11)

式中Pj— 卷筒的計算靜功率，Pj=52.95 kW

所選減速器輸出轉矩足夠。

2.4 大車驅動方案

考慮起重機高速運行，采用四分之四驅動形式，選用三合一減速電機驅動[3]。取減速機傳動效率η=0.95。工作環境溫度0～40 ℃，電機絕緣等級H級，電機接電持續率40%，工作制S3。

設備正常工作時運行機構穩態功率：

(12)

式中Ps—穩態運行功率，kW；

Pj—穩態運行總阻力，N；

Vk—起重機運行速度，m/s，Vk=120 m/min=2 m/s；

η—運行機構傳動效率，取η=0.95；

m—運行機構電動機臺數；

G—穩態負載系數，G=1。

Pj=Pm+Pp+Pw=5 518.5N+97.5N+0N=5 616N

式中Pm—摩擦阻力，N；

Pp—坡道阻力，N；

Pw—風阻力，N。

Pm=P1+P2+P3=5 518.5 N

式中P1—車輪軸承中的摩擦力，N；

P2—車輪的滾動摩擦力，N；

P3—每個車輪輪緣與軌道間的摩擦力，N。

P3=μP/4=0.05×3.9×105/4 N=4 875 N。

(13)

式中P—車輪輪壓，N，P=PG+PQ=280 000+110 000=3.9×105N；

D—車輪直徑，mm，D=400 mm；

d—車輪軸樞直徑，mm，d=72 mm；

μ—車輪軸承摩擦系數，μ=0.015～0.02，調心滾子軸承取0.02。

式中f—車輪的滾動摩擦系數，mm，f=0.6 mm。

表1 車輪的摩擦滾動摩擦系數f mm

Pp=Φ8(PG+PQ)/4=97.5 N

(14)

式中PG—起重機自重，N，PG=2.8×105N；

PQ—額定起升載荷，N，PQ=1.1×105N；

Φ8—坡道阻力系數，取Φ8=0.001。

初步確定電機功率：

PN=αPs=3.843 kW

式中PN—電動機額定功率，kW；

α—安全系數，室內起重機范圍1.2～1.6，取α=1.3。

設計所選電機型號FA107/GDRE DV112M4/BE 5HF/TH/V，功率4 kW,速比146.49，轉速為1 460 r/min,滿足要求。電機空心軸直徑Φ90H7。防護等級IP55，F級絕緣。

3 自動化的提升

目前，鋅電解車間行車尚無自動化、無人化、信息化的產品出現，長期處于人工操作來完成車間的各項操作任務，操作人員勞動強度大，安全性差。鋅電解專用起重機依靠自動檢測技術、控制技術等方法，提升現有車間設備，可以在接收地面設備發出的無線控制指令的情況下，自動完成相應指令的作業工作。

自動定位要求大車能夠以最優化的速度從當前位置到達根據作業方案指定的電解槽上方。大車位置檢測使用2個激光測距儀[4]，測距儀安裝在大車的同一側，分別位于靠近兩邊軌道位置，激光反射板安裝在車間墻面上。兩個測量信號互為判斷可靠性，在吊裝槽位于更靠近某一測距儀下方時，使用此測距儀測量信號作為大車位置信號。測距儀測量信號通過PROFIBUS-DP通訊進入PLC系統。PLC系統通過激光檢測的距離來確定起重機所在的位置，在接收到需要到達的目標位置時，起重機可自動巡航，行使到目的地。

全自動化設計是通過自動控制平臺[5]來最大限度發揮鋅電解操作機組的效用。在這個控制平臺下，鋅電解操作機組所有的操作都將在計算機的控制下進行，能夠實現計劃、協調和組織所有設備和吊運設備之間的任務和互動的功能。

自動控制平臺的模塊化設計，使得整套系統在任何時候都只執行唯一必須的動作，保障正常運轉，并且還可以實現對生產的集中控制，通過對整個過程的優化管理實現提高生產效率的目標。此外，還能提高陰極質量，降低能耗，以及減少添加劑的消耗量，設備還易于維護。

正因為有了全自動控制系統，全程跟蹤才成為可能，全程跟蹤涵蓋了電極的運入和運出，各種動作和工藝步驟。此外，全程跟蹤也是提高產品質量和生產率的有效工具。

4 結語

鋅電解專用起重機借鑒自動化領域先進技術在相關行業的成功應用經驗，將多項先進技術進行融合，用有限元分析可實現輕量化設計，用自動化實現了智能化控制，無論是機組的對位還是運行過程中的高度控制技術都有了很大提高，安全性能也有了保障。