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        熱鍍鋅線上鋅鍋升降裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2015-04-09 12:36:12惠世民
        重型機(jī)械 2015年4期
        關(guān)鍵詞:熱鍍鋅機(jī)械式升降機(jī)

        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(chē)板、家電板、建筑民用板等領(lǐng)域的用途越來(lái)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(guó)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(lái)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(wú)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(guó)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(guó)外進(jìn)口和國(guó)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(guó)內(nèi)沒(méi)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(guò)國(guó)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(kāi)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(jiàn)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(wèn)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(guò)對(duì)國(guó)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(rùn)滑油以外,基本上屬于免維護(hù)型。所以,無(wú)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(chē)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(guò)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(jiàn)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(wú)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)程中四臺(tái)升降機(jī)同步。經(jīng)過(guò)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(guò)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(jiàn)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(wèn)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(guò)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(chē)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(rùn)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(guò)高破壞了潤(rùn)滑,引起傳動(dòng)損壞。采用對(duì)潤(rùn)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(guò)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(wú)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(yǔ)

        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(guó)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(chē)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。

        [1]張理?yè)P(yáng),李俊,左良.帶鋼連續(xù)熱鍍鋅工藝技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀〔J〕.軋鋼,2005,422(2):38-42.

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        [6]江萍,宋曉冬.寶鋼帶鋼連續(xù)熱鍍鋅機(jī)組及汽車(chē)用鍍鋅板生產(chǎn)[J].軋鋼,2006(12).

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