全自動剝鋅機陰極板對接系統的設計

□ 寧媛松 □ 李恒通 □ 石 峰 □ 廖波蘭 □ 付薛潔

1.北京礦冶科技集團有限公司 北京 1001602.煙臺南山學院 工學院 山東煙臺 265713

1 現有結構分析

當前我國絕大多數濕法煉鋅企業都采用中小極板電解工藝,剝鋅采用人工剝鋅。人工剝鋅效率低,工人勞動強度大,全自動剝鋅機由此應運而生。目前，國內外各品牌的全自動剝鋅機都能夠實現全自動剝鋅,但剝鋅效率各有不同。大部分設備理論剝鋅效率均能夠滿足使用要求,但在實際生產中剝鋅效率卻很難保證。盡管單體設備的工作效率高,但是卻因對接系統的限制造成投料延遲,致使設備等待或空載運行,嚴重影響剝鋅機的整體工作時間。

現有對接系統需要人工輔助,擺正吊具姿態,由天車帶動陰極板豎直放入送板鏈條。對接結束后,需要人工檢查陰極板是否擺放整齊,這樣不僅對接速度受到影響,而且工人勞動強度也大大提高。一旦工人疏忽,放斜的陰極板進入下一工序前會發生掉落,造成陰極板損壞,甚至造成設備嚴重損傷。此外，對于雙板自動剝鋅機,現有的雙排送板結構若采用雙吊起槽雙吊放板,則在對接時不能實現一次快速放板,需要兩個人分兩次配合放板。這是因為相鄰兩列電解槽的間隔距離小于左右兩排輸送鏈之間的最小間隔,雙槽起吊后不僅很難快速將陰極板對正放入,而且增加了掉板的風險,造成安全隱患。

2 對接系統總體設計

新設計的全自動剝鋅機陰極板對接系統包含運板小車、接板鏈條、電驅動系統、液壓系統、控制系統、位置檢測開關等,如圖1所示。

對接系統執行部分包含運板小車、接板鏈條兩部分,如圖2所示。為保證接板鏈條連續工作,并且能夠快速平穩地完成對接工作,設計運板小車作為天車與接板鏈條的中轉。

對接系統工作流程為天車吊裝就位等待，運板小車后退，運板小車單側放板支架伸出，天車吊裝陰極板落位，運板小車單側放板支架收回，運板小車舉升架舉升，運板小車前進，運板小車到位后等待，接板鏈條停止，運板小車舉升架下降，陰極板落位于接板鏈條上，運板小車待命進入下一流程。

▲圖1 全自動剝鋅機對接系統組成▲圖2 對接系統執行部分

3 運板小車結構設計

3.1 行走機構

運板小車行程較長,因此不宜采用液壓油缸推進。根據使用工況,應用軌道輪組,通過電機減速機產生動力驅動小車主體沿固定軌道運動。其中,軌道輪組分為主動輪組、從動輪組,兩種輪組各包含一個軌道輪和一個平輪。由軌道輪組保證運板小車運行過程中不發生脫軌，軌道輪組外側分別設置具有防傾覆功能的輔助輪組。電機減速機通過剛性聯軸器和萬向聯軸器傳遞動力至主動輪組,通過萬向聯軸器控制軸向錯位誤差,穩定傳遞動力。行走機構結構如圖3所示。

通過計算,運板小車設備總質量T1為2 600 kg。運板小車設計最多可接收整槽陰極板共計78塊,每塊陰極板質量約為30 kg,則負載總質量T2約為2 340 kg，總質量T為4 940 kg。

根據自動剝鋅機運行要求,運板小車的運行功率P為:

P=Tgμv

(1)

▲圖3 行走機構結構

式中:g為重力加速度,g=9.8 m/s2;v為運板小車速度,v=0～0.5 m/s;μ為金屬滾輪與金屬導軌之間的滾動摩擦因數,μ=0.07。

由式(1)計算得運板小車運行功率P為1.7 kW，因此電機功率選擇為2.2 kW。

主動輪組直徑為160 mm,運板小車運行速度v為0.5 m/s時,主動輪組轉速為59.68 r/min。

電機轉速為1 500 r/min，則計算減速機速比為25.13。考慮電機減速機的安全因數,電機減速機功率選擇3 kW,速比選擇28.4。

運板小車滿載后總體慣性較大,因此在獲得停止信號后,很難停止在準確位置上。對此，電機應配備抱閘系統,當停止信號發出后,及時抱閘,使運板小車可以在預定位置停止。

3.2 放板支架間距調整機構

運板小車放板支架為兩側獨立布置,通過液壓油缸和導向桿與下部車架相連,通過上下舉升完成與天車及與接板鏈條的對接，如圖4所示。

運板小車單側放板支架通過水平移動油缸、水平移動導向機構實現單側推出和收回，如圖5所示。在與天車對接過程中，運板小車單側放板支架推出,增大了放板支架間距。在天車大致就位后,不需要精確調整和穩定陰極板姿態,整吊陰極板即能夠完全滑入放板支架內。隨后運板小車單側放板支架收回,陰極板下落。完全放穩后人工摘鉤,完成放板。

3.3 撓度校核

接板結構單側放板支架推出后,單側支架構成懸臂梁結構,以導向筒裝置作為懸臂一側支點。導向桿在一端下壓力的作用下會發生撓曲變形,如變形量過大,會造成導向裝置磨損,在推拉過程中發生卡阻現象,影響動作時間。另一方面，推出后若發生較大彎曲變形,則一側放板支架無法完全收回,與運板小車車架底盤發生干涉。

▲圖4 放板支架對接示意圖▲圖5 放板支架狀態

綜上以上分析，需要對這一懸臂結構進行撓度校核,根據校核結果增大導向桿截面積,以減小彎曲變形量。

導向桿簡化力學模型如圖6所示。

單側支架推出后,導向桿最大撓度yB為:

(2)

式中:W為集中載荷,W=3.2 kN;L為懸臂總長度,L=629 mm;E為鋼材彈性模量,E=210 GPa;I為懸臂梁截面慣性矩。

▲圖6 導向桿簡化力學模型

當導向桿直徑為50 mm時,懸臂梁截面慣性矩I為3.1×105mm4。由式(2)計算得到導向桿單側最大撓度為-4.1 mm,不滿足使用要求。

可見必須增大導向桿直徑。經計算，導向桿直徑為70 mm時,導向桿單側最大撓度為-1.1 mm,滿足使用要求。此外,通過在一側支架下部增加導向坡口，避免因一側支架導向桿發生撓曲而造成無法收回。

3.4 雙板快放機構

對于雙吊起槽陰極板,吊具固定,兩排陰極板間距小于雙板剝鋅機接板鏈條布置的最小距離,因此原有雙板剝鋅機很難實現雙吊放板,均采用單吊分別放板,雙板利用率較低。

運板小車并排對稱布置,通過單側放板支架推出、收回功能即可實現雙吊快速放板。運板小車單側放板支架伸出如圖7所示，運板小車運行如圖8所示。運板小車單側放板支架同時推出,間距減小,天車對正后,兩吊陰極板即可分別滑入兩臺運板小車。陰極板落穩后,單側放板支架收回,天車摘鉤,兩臺運板小車分別與傳輸接板鏈條實現對接。

▲圖7 單側放板支架伸出示意圖▲圖8 運板小車運行示意圖

4 接板鏈條傳輸系統設計

陰極板接板鏈條通過電機減速機驅動，其結構如圖9所示。對于陰極板錯位問題,由接板鏈條端部機械開關控制調整,如圖10所示。一側陰極板導電梁檢測到位后,接板鏈條即停止轉動。另一側繼續轉動,直至陰極板另一側導電梁碰觸機械開關,接板鏈條停止,保證陰極板對正。此外，在接板鏈條端部增加機械擋塊作為末端保護,當機械開關失效時,接板鏈條連續轉動,機械擋塊可以擋住陰極板,防止陰極板發生掉落。

▲圖9 接板鏈條結構▲圖10 接板鏈條端部機械開關

5 液壓及控制系統設計

由于對接系統滿負荷工作時,需要承受并傳輸近2 000 kg的負載,因此為保證系統穩定工作,對接系統除接板鏈條及行走部分采用電機驅動外,其余動作均依靠液壓系統實現。液壓系統主要包括泵站、雙作用往復式液壓缸、三位四通電磁換向閥、過濾器、液壓調速閥、單向閥、液壓鎖等。為保證兩側運板小車放板支架能夠同步舉升,在閥組中加入分流集流閥，以保證兩側的同步性。此外，由于液壓缸均布置在行走機構上,需要隨行走機構進行往復運動,因此液壓管道布置較長,且需要反復彎折,要求液壓管道在保證強度的基礎上,兼顧柔韌性。

對接系統采用控制器對接板鏈條及行走機構進行精確定位控制,采用S7-400系列可編程序控制器實現所有過程的連鎖邏輯控制,采用電感式接近開關、機械開關對重要位置進行實時檢測。

6 結束語

筆者通過對現有結構進行改進,設計了全自動剝鋅機陰極板對接系統，將運板小車作為與天車對接的中轉,實現了在不影響接板鏈條工作的情況下與天車的對接和接板。通過運板小車自帶的單側推拉功能,天車可在一人簡單輔助的情況下完成快速放板。接板鏈條通過在端部設置的機械開關及末端保護機構,能夠在終點處對陰極板姿態進行調整,保證陰極板順利傳輸至下一工序。

筆者設計的對接系統已經應用于實際工業生產中,結果表明對接系統大幅減少了對接過程中的時間損耗,降低了人工輔助的難度,從而在整體上提高了全自動剝鋅機的工作效率,運行穩定可靠,為今后同類型設備的設計及應用提供了參考和借鑒。