鋁電解槽地面打殼機的設計與研究

陶 力

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

電解鋁行業(yè)中使用了大量的電解槽，電解槽在運行過程中需要在陽極和鋁液的上面覆蓋厚厚的電解質、氟化鹽等粉末材料，目的是對電解槽起到保溫作用。然而這些粉末材料在高溫、電解等的作用下會不斷的緊密連接，最后形成1層厚度100～150 mm的致密殼層，就是我們通常所說的電解質殼面。電解質殼面的存在本身對電解槽的運行并無太大的影響，但是對于一些特殊的工作環(huán)節(jié)來說，電解質殼面的存在卻給這些工作帶來了不小的麻煩。由于電解質殼面連接緊密，時常與陽極炭塊粘粘在一起，這是當陽極需要更換的時候如果不把這層電解質殼面與陽極炭塊分離，則無法拔出陽極炭塊，如果這種粘粘過于牢固，拔極的過程還會出現(xiàn)陽極炭塊與陽極鋁導桿脫落的事故。另外當電解槽需要添加氧化鋁的時候也需要在這層致密的電解質殼面上敲開一個洞，才能順利的將氧化鋁粉添加進電解槽進行電解作用。還有就是當陽極炭塊出現(xiàn)質量問題時，會有大量的炭塊脫落掉進電解槽內，這部分掉下來的炭渣會影響正常的鋁電解工作，需要定時將其打撈出來，這時同樣需要在電解質殼面上打出一個孔洞來完成炭渣的撈取任務。

可是這層電解質殼面既堅韌又厚實，如果采用人工打殼的話對于工人來說不但任務繁重，而且高溫鋁液也會帶來較大的安全隱患。電解多功能天車上帶有電解質殼面打殼機構，該機構主要用途是在更換陽極時，將覆蓋在殘極頂部的覆蓋料結成的硬殼沿殘極四周進行振動破碎，以便殘極順利的取出，但是打殼機構安裝于天車之上，對于平時地面所需的打殼作業(yè)來說，調用具有較高負荷率的電解天車并不現(xiàn)實，因此開發(fā)一種靈活方便的地面電解質殼面打殼機顯得十分必要和迫切。

1 鋁電解槽地面打殼機的整體結構設計

地面打殼機的整體結構設計見圖1、圖2。圖1為地面打殼機工作時的示意圖；圖2為地面打殼機完成打殼任務后連桿收回停機待命的示意圖。

從圖中可見，地面打殼機由行走機構、連桿機構、伺服氣缸、打殼氣缸等零部件組成。由于每臺電解槽內都需要使用壓縮空氣而且出鋁抬包也需要使用壓縮空氣，因而壓縮空氣管網(wǎng)在電解車間內縱橫交錯，處處可見，所以對于地面打殼機的動力源來說，選用壓縮空氣作為動力來源將成為我們的首選。而且使用壓縮空氣作為動力源，還可以避免在車間內由于電解槽強磁場對電力等其他動力源所帶來的干擾影響。地面打殼機的行走機構由驅動裝置、底座鋼架、行走車輪和適當?shù)呐渲亟M成。行走機構可以通過驅動裝置提供動力，將地面打殼機移動到需要打殼的工作位置上去，而驅動裝置的動力源可以采用現(xiàn)場供電，也可以通過自帶電池組進行供電，還可以通過車間氣源提供動力。

伺服氣缸和連桿機構等部件安裝在行走機構之上，跟隨行走機構一起移動。伺服氣缸和打殼氣缸的氣源由每臺電解槽兩端的車間壓縮空氣管道提供，通過快速接頭進行連接，也可以由天車空壓機臨時提供壓縮空氣。工作時，當行走機構到達預定的工作位置后，伺服氣缸伸出，帶動連桿機構將打殼氣缸送至電解槽內需要破碎的電解質殼面上方，然后打殼氣缸以及伺服氣缸同時動作，合力完成打殼任務。當打殼氣缸將電解質殼面打穿后，伺服氣缸縮回帶動連桿機構將打殼氣缸收回到待機位，整個打殼工作便宣告完成。此時在電解質殼面上將會留下一個碗口大小的孔洞，用來完成陽極炭渣撈取或氧化鋁粉末添加等工作。也可讓地面打殼機在兩個陽極炭塊之間連續(xù)作業(yè)，將兩個陽極炭塊之間緊密連接的電解質震打破碎，為后續(xù)陽極炭塊的更換提前做好準備。

2 氣壓伺服定位技術的應用

地面打殼機連桿機構的動作由氣缸提供驅動力，當氣缸伸出到位時打殼機抵達打殼工位開始打殼，打殼動作完成后氣缸縮回，打殼機退回到預定位置為后續(xù)動作做準備。在整個打殼過程中，氣缸的伸出是否完成預定的行程將決定打殼動作是否能夠順利進行。傳統(tǒng)的氣缸只能靠增設接近開關來控制氣缸伸出和縮回兩個極限位置，很難精準控制在過程中任一點的停留位置，而且整個過程中氣缸的速度時快時慢，難以做到勻速運動，導致運動平穩(wěn)性欠缺。為此，我們在地面打殼機上選用了一種具有氣壓伺服技術的氣壓缸替代傳統(tǒng)氣缸。

氣壓伺服技術也稱為受控氣動定位技術，氣壓伺服控制是以氣壓控制與換能元件為主要控制元件構建的伺服控制系統(tǒng)，通過伺服閥、傳感器、閉環(huán)反饋、自動控制、傳遞函數(shù)、算法理論、頻響等一系列復雜的流程來實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測與精密控制。氣壓伺服具有精度高、響應快等優(yōu)點，但是氣壓伺服系統(tǒng)的結構復雜、加工及裝配精度高，因而成本也相對較高。在此值得一提的是，由于空氣是一種可壓縮驅動媒介，氣壓伺服實際上是“軟”定位技術。

該文中介紹的地面打殼機采用的氣壓伺服系統(tǒng)由一個帶線性電位計的氣缸、一個比例方向控制閥和一個定位控制器組成。通過氣壓伺服系統(tǒng)，氣缸能夠以位置控制方式移動至預設目標位置或以力控制的方式生成預設目標力。這樣我們就可以用兩種不同的控制方式直接控制伺服氣缸來帶動連桿機構完成打殼氣缸的伸出、下壓和縮回等動作。對于伺服氣缸和打殼氣缸的兩種控制方式分別為：

第一種控制方式(位置控制方式)：我們可以提前模擬并采集連桿帶動打殼氣缸在電解質殼面上方、下方以及連桿縮回等不同位置時伺服氣缸的伸出位置，然后對各個位置進行記錄和標定。在實際工作的時候，根據(jù)既定的先后順序使伺服氣缸伸出到設定的位置，在不同的工作位置上氣缸短暫停留，等待確認后即可進入下一階段。開始打殼的時候伺服氣缸與打殼氣缸同時啟動，打殼動作與連桿臂下壓動作同時進行，最終完成打殼任務。

第二種控制方式(預設目標力控制方式)：就是以力控制的方式生成預設目標力來控制伺服氣缸的伸縮。當行走機構移動到位后，伺服氣缸開始伸出，連桿向外移動將打殼氣缸送到電解質殼面上方，當打殼氣缸與電解質殼面接觸時，打殼氣缸受到電解質殼面的阻擋后無法繼續(xù)移動，此時伺服氣缸壓力升高，當這個力達到預設目標值后，伺服氣缸開始增壓同時啟動打殼氣缸開始震打破碎；當電解質殼面被打殼氣缸擊穿時，伺服氣缸壓力值瞬間下降，壓力值達到預設值后伺服氣缸開始縮回，完成整個打殼任務。

3 地面打殼機行走機構設計

地面打殼機的行走機構可以選用目前行業(yè)中較為成熟的成套產(chǎn)品，見圖4。產(chǎn)品類型可以根據(jù)各鋁廠現(xiàn)場的實際情況進行選擇。目前可供選擇的類型包括：AGV自動化小車、電纜卷筒供電無軌電動平板車、自帶蓄電池無軌平板車、安全滑觸線供電平板車等。但是考慮到車間內的地面障礙物較多的實際情況，本次設計最終選擇采用自帶蓄電池無軌平板車作為行走機構的方案。

由于地面打殼機的使用場所是在鋁電解車間，車間內的環(huán)境具有強磁場、氟化氫氣體腐蝕、多粉塵以及高溫等不利因素，并且地面平整度差，因而行走機構還必須具備特殊的能力以克服上述不利因素的影響。

行走機構需要具備的能力包括：

1)車輪需要采用彈簧懸掛，提高小車行駛速度并增強小車越障能力，同時在打殼氣缸動作時可以有效的減輕震動對整機的影響。另外小車應能越過高度20 mm的地面障礙。

2)小車行走速度不宜過低，否則會影響工作效率，該速度宜為1.0 m/s。

3)車輪包覆材料采用橡膠可有效減輕行走過程中的震動，同時車輪軸承應加強防水和防塵的等級。

4)行走機構需具備X、Y兩個方向的行走能力，同時應具備原地掉頭的功能，其行走誤差宜為5 mm/m。

5)考慮到車間內各種障礙物較多，而且存在人員穿梭的情況，小車還將具備自動避障的功能(行走機構運行前方2 m內出現(xiàn)障礙時能自動緩停，待障礙物消失后，繼續(xù)按之前的軌跡行走)。

6)小車電量降低到20 %以下時，可以自動提醒充電。

7)行走機構需要在相應的部位考慮增設配重裝置，用來平衡連桿機構伸出后連桿、打殼氣缸等產(chǎn)生的重心偏移，避免地面打殼機傾覆；同時配重的增設對于打殼機在打殼過程中也會提供很好的支持作用，避免打殼機因反作用力導致整體移動。

4 地面打殼機的控制設計

現(xiàn)代鋁電解行業(yè)不斷的在向自動化、智能化的方向發(fā)展，地面打殼機在設計之初首先應該自身具備智能化裝備的特點，這樣才能適應不斷升級的電解車間，同時也為工藝智能化改造提供設備和技術支持。

地面打殼機在控制設計上需要具備的功能和特點有：

1)手動控制

地面打殼機具備無線遙控或有線遙控控制的功能，手動控制可以根據(jù)現(xiàn)場的實際需要將打殼機運行到特定的位置進行打殼作業(yè)，同時手動控制可以完成非計劃內的零星工作以及自動控制故障狀態(tài)下的臨時作業(yè)。

2)自動控制

地面打殼機可以通過采用預設軌跡和加貼二維碼標識塊的方式實現(xiàn)行走和打殼功能自動化控制。電解車間內的電解槽是按一定的間距一字排開的，因此車間里可以很方便的建立平面二維坐標系，并且在坐標系中設置相應的坐標點標識塊。有了車間平面二維坐標系標定位后打殼機就能輕松的識別路線，也可以在通行的道路上設置二維碼帶，這樣打殼機行走機構就可以按照預先設定好的行走路線而移動了。地面打殼機到達預定位置后，可以通過增設的視覺輔助設備確定前方無任何障礙物以后執(zhí)行下一步的打殼作業(yè)。自動控制可以大幅降低人員的勞動強度，同時提高打殼作業(yè)的工作效率，但是自動控制對工藝整體自動化管理水平和現(xiàn)場實際工作環(huán)境的要求較為嚴格，而且成本也較高。

3)激光測距

地面打殼機將設置激光測距裝置。激光測距裝置安裝于行走機構上，它可以測量周圍物體與打殼機之間的距離，幫助打殼機實現(xiàn)以下智能控制：①用以測量打殼機自身與電解槽、母線、陽極等物體之間的距離，實現(xiàn)地面打殼機的工作位置定位功能；②通過激光測距在線測量地面打殼機與各種設備之間的距離，可以對打殼機的移動路線進行實時糾偏，確保打殼機按照規(guī)定的線路行進。

4)智能避障

地面打殼機借助安裝在行走機構上的超聲波傳感器對打殼機行進路線上的臨時障礙物和突然進入的工作人員進行探測和感知，當發(fā)現(xiàn)有異常情況出現(xiàn)時作出停止運行、規(guī)劃臨時線路、報警器聲光報警等動作。

5 結 語

鋁電解槽地面打殼機的出現(xiàn)，使得電解槽打殼工作變得更加靈活方便，還可以減輕電解多功能天車的勞動負荷。基于氣壓伺服、自動控制、激光測距等先進智能控制技術設計的電解槽地面打殼機將更加契合電解車間智能化生產(chǎn)的時代背景，為車間智能化生產(chǎn)的實現(xiàn)提供有力的裝備支撐。