□ 高澤宇 □ 石 峰 □ 趙曉燕 □ 王 凱 □ 郭 鑫

1.礦冶科技集團(tuán)有限公司 北京 1001602.北礦機(jī)電科技有限責(zé)任公司 北京 100160

1 現(xiàn)有情況分析

濕法冶鋅以勞動(dòng)條件好、環(huán)保,以及生產(chǎn)利于連續(xù)化、自動(dòng)化、大型化等優(yōu)點(diǎn),成為當(dāng)今世界金屬鋅冶煉的一種主流工藝[1-2]。目前,由于人工剝鋅效率低,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,國內(nèi)各鋅冶煉企業(yè)陸續(xù)開始使用自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)成套設(shè)備[3-4]。

在實(shí)際使用過程中,自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)往往無法達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的生產(chǎn)效率,造成這一現(xiàn)象的一個(gè)主要原因是陰極板在天車與自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)之間對(duì)接,需要花費(fèi)大量時(shí)間。因此,盡管各單體設(shè)備的工作效率很高,但是陰極板在電解槽和自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)之間的傳輸受到限制,導(dǎo)致自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)等待或空載運(yùn)行,嚴(yán)重影響自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)的工作效率。

陰極板接駁裝置用于陰極板在天車與自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)運(yùn)。自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)的進(jìn)板端用于接收天車吊裝來的陰極板,并將陰極板運(yùn)輸至自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)。自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)的出板端用于接收自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)輸出的陰極板,并配合天車將陰極板運(yùn)走[5]。

現(xiàn)有的陰極板接駁裝置主要有兩種。一種是由天車直接與傳輸鏈進(jìn)行對(duì)接,陰極板直接在傳輸鏈上由天車放置或取出[6]。這種裝置在工作時(shí)需要人工輔助,以保證天車的姿態(tài)。在對(duì)接時(shí),需要人工檢查陰極板是否放置到位。由此,陰極板接駁的速度受到大幅影響。一旦工人疏忽,會(huì)引起陰極板掉落、卡板等故障,造成陰極板損壞,甚至設(shè)備嚴(yán)重?fù)p傷。另一種是通過對(duì)接裝置,先將陰極板存放在指定位置,然后通過運(yùn)載小車實(shí)現(xiàn)陰極板輸入與輸出自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)[7]。采用這種裝置,縮短了天車取放陰極板的時(shí)間,但是在運(yùn)輸過程中仍然需要人工輔助,并沒有徹底解決問題。同時(shí),由于裝置結(jié)構(gòu)缺陷,無法應(yīng)用于3.2 m2大極板剝鋅系統(tǒng),無法適應(yīng)濕法鋅冶煉未來的發(fā)展趨勢(shì)。

2 接駁系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

筆者所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)剝鋅機(jī)陰極板自動(dòng)接駁系統(tǒng)包括運(yùn)載裝置、放置裝置、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等,以運(yùn)板鏈為自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)的輸入端與輸出端,自動(dòng)接駁系統(tǒng)作為天車與運(yùn)板鏈的中轉(zhuǎn),完成陰極板在天車與自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)間快速、平穩(wěn)的傳輸作業(yè)過程,保證運(yùn)板鏈及自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)連續(xù)工作。自動(dòng)接駁系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示。

自動(dòng)接駁系統(tǒng)的工作流程如下:運(yùn)載裝置在初始位等待,天車將從電解槽吊出的待剝鋅陰極板放置到進(jìn)板端的陰極板放置裝置上,陰極板運(yùn)載裝置的舉升機(jī)構(gòu)下降,并水平移動(dòng);到位后,舉升機(jī)構(gòu)上升,舉起固定數(shù)量的陰極板,并反方向水平移動(dòng);運(yùn)載裝置移動(dòng)到位后,待運(yùn)板鏈停止,運(yùn)載裝置的舉升機(jī)構(gòu)下降,陰極板落于運(yùn)板鏈上;運(yùn)載裝置回到初始位,等待進(jìn)入下一工作流程。

3 運(yùn)載裝置設(shè)計(jì)

運(yùn)載裝置主要由車架、陰極板托架、舉升叉組件、車輪組件、水平輪組件、電機(jī)減速機(jī)、絲杠驅(qū)動(dòng)單元等組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

車輪組件安裝于車架上,使運(yùn)載裝置可以在導(dǎo)軌上水平運(yùn)動(dòng)。水平輪組件安裝于運(yùn)載裝置一側(cè)的兩個(gè)車輪組件上,與導(dǎo)軌接觸,起到導(dǎo)向和防止脫軌、傾覆的作用。運(yùn)載裝置主體由兩個(gè)安裝于前側(cè)兩個(gè)車輪組件上的電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)沿固定軌道的水平運(yùn)動(dòng)。通過建模計(jì)算可知,運(yùn)載裝置質(zhì)量為2 100 kg。設(shè)計(jì)運(yùn)載裝置最多可接收共計(jì)19塊陰極板,每塊陰極板的質(zhì)量約為120 kg,則負(fù)載質(zhì)量M2約為2 280 kg,總質(zhì)量M為4 380 kg。運(yùn)載裝置運(yùn)行速度為v1,運(yùn)載裝置最高運(yùn)行速度v1max為0.5 m/s。根據(jù)自動(dòng)剝鋅機(jī)運(yùn)行要求,運(yùn)板小車的運(yùn)行功率Pm為:

Pm=Mgμmv1

(1)

式中:g為重力加速度,取9.8 m/s;μm為金屬滾輪與金屬導(dǎo)軌之間的滾動(dòng)摩擦因數(shù),為0.07。

由式(1)計(jì)算可得運(yùn)載裝置最大運(yùn)行功率為1.5 kW,則單側(cè)車輪至少需要提供的運(yùn)行功率Pd為0.75 kW。主動(dòng)輪組直徑dm為0.230 m,當(dāng)運(yùn)載裝置達(dá)到最大運(yùn)行速度時(shí),主動(dòng)輪組轉(zhuǎn)速ωm為:

電機(jī)減速機(jī)的使用因數(shù)fB根據(jù)選型手冊(cè)取1.5,則單側(cè)電機(jī)減速機(jī)的扭矩Tm為:

Tm=9 550PdfB/ωm=258.64 N·m

單臺(tái)電機(jī)減速機(jī)功率選擇為1.5 kW,確定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min,扭矩為256 N·m,速比為25.91。

舉升叉組件安裝于車架上,在絲杠驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)下,可以實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)。陰極板托架安裝在舉升叉組件上,托架上設(shè)有托板,托板上帶有齒板,齒板與陰極板的吊耳配合,在陰極板托架上升時(shí),齒板可以通過吊耳托起陰極板。

根據(jù)設(shè)計(jì),陰極板托架的行程為100 mm,則滾珠絲杠電機(jī)運(yùn)行速度v2的最高值為0.02 m/s。根據(jù)陰極板托架上升運(yùn)行要求,舉升運(yùn)行功率Ps為:

Ps=(μs+1)M2gv2

(2)

式中:μs為導(dǎo)向面的摩擦因數(shù),為0.005。

由式(2)計(jì)算可得陰極板托架舉升的最大運(yùn)行功率為0.45 kW。根據(jù)選型手冊(cè),絲杠電機(jī)的傳動(dòng)效率為0.2,則絲杠電機(jī)功率至少為2.25 kW。對(duì)照選型手冊(cè),選用運(yùn)行功率為2.6 kW,轉(zhuǎn)速為1 000 r/min的絲杠電機(jī)。根據(jù)負(fù)載和絲杠電機(jī)功率,對(duì)照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)和選型手冊(cè),選用絲杠公稱直徑為58 mm,絲杠導(dǎo)程l為12 mm,最大扭矩為179 N·m的滾珠絲杠。絲杠做舉升運(yùn)動(dòng),軸向力主要為M2所產(chǎn)生的重力,則絲杠的扭矩Ts為:

(3)

式中:ηs為進(jìn)給絲杠的正效率,根據(jù)導(dǎo)向面摩擦因數(shù)查表后取0.95。

由式(3)計(jì)算可得,絲杠扭矩Ts為45.16 N·m,小于絲杠電機(jī)最大扭矩(179 N·m),因此所選絲杠電機(jī)符合安全使用要求。

4 放置裝置設(shè)計(jì)

放置裝置用于接收和暫存陰極板,以配合天車和運(yùn)載裝置完成陰極板的接駁作業(yè)過程。放置裝置主要由放置架主體、齒板架組件、定位組件、限位座組件、導(dǎo)向組件等組成,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

齒板架組件安裝于放置架主體的內(nèi)側(cè),用于存放陰極板。齒板架組件上設(shè)有與天車及運(yùn)載裝置上陰極板放置間距相等的齒形卡槽,齒形卡槽與陰極板的導(dǎo)電梁配合,用以限制陰極板放置的間距和位置,保證運(yùn)載裝置和天車可以快速、準(zhǔn)確取出和放置陰極板。導(dǎo)向組件主要由兩條平行導(dǎo)軌組成,便于運(yùn)載裝置在放置裝置上實(shí)現(xiàn)水平方向行進(jìn)。限位座組件分布于導(dǎo)向組件的前后兩端,用于限制運(yùn)載裝置行進(jìn)的極限位置,防止運(yùn)載裝置從前后方向駛離放置裝置而發(fā)生事故。定位組件主要由定位錐和傳感器組件組成。定位錐組件用于吊運(yùn)陰極板的天車的定位,并具有一定糾偏能力,使天車可以自動(dòng)運(yùn)行到指定位置,完成陰極板的取出和放置過程,大幅減少人工干預(yù)。傳感器組件用于運(yùn)載裝置的定位,以便運(yùn)載裝置能夠準(zhǔn)確停在放置裝置的指定位置,取出和放置陰極板。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)載裝置滿載后總體慣性較大,對(duì)控制響應(yīng)和定位精度的要求比較高,因此選用以S120變頻控制系統(tǒng)為核心的驅(qū)動(dòng)單元和以S7-1200可編程序控制器為核心的控制單元,組成獨(dú)立控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制[8-9]。

S120變頻控制系統(tǒng)是新一代驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品,集電壓-頻率正比控制、矢量控制、伺服控制于一體,具備強(qiáng)大的基本定位功能[10]。

運(yùn)載裝置滿載之后,運(yùn)行速度較快,在到位抱閘時(shí)陰極板會(huì)由于慣性產(chǎn)生較大幅度的晃動(dòng)。另一方面,運(yùn)載裝置滿載之后質(zhì)量較大,慣性較大,抱閘后難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。對(duì)此,采用S120變頻控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元,對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)控制。采用兩段式抱閘的方式,實(shí)現(xiàn)運(yùn)載裝置的精確定位和陰極板的晃動(dòng)消除。運(yùn)載裝置啟動(dòng)并進(jìn)入勻速狀態(tài)后,運(yùn)載小車在快要到達(dá)預(yù)定位置時(shí)通過固定位置傳感器1,此時(shí)進(jìn)行第一階段減速,使運(yùn)載小車進(jìn)入低勻速模式,陰極板因?yàn)闇p速時(shí)所產(chǎn)生的慣性,開始擺動(dòng)。運(yùn)載裝置通過固定位置傳感器2,此時(shí)進(jìn)行抱閘,在低速情況下,運(yùn)載裝置的慣性對(duì)位移的影響會(huì)大幅減小,從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。仍在擺動(dòng)的陰極板通過抱閘時(shí)產(chǎn)生的減加速度抵消原有擺幅,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)放置。兩個(gè)固定位置傳感器的位置通過計(jì)算確定。

6 應(yīng)用

筆者通過前期大量調(diào)研,針對(duì)陰極板在天車和自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)之間接駁困難的問題,對(duì)現(xiàn)有對(duì)接系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了全自動(dòng)剝鋅機(jī)陰極板自動(dòng)接駁系統(tǒng),并成功進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用,應(yīng)用現(xiàn)場如圖4所示。

7 結(jié)束語

筆者將設(shè)計(jì)的全自動(dòng)剝鋅機(jī)陰極板自動(dòng)接駁系統(tǒng)作為陰極板在天車與自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)之間的中轉(zhuǎn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)在天車與自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)同時(shí)工作的情況下完成陰極板的對(duì)接和轉(zhuǎn)運(yùn),高效穩(wěn)定完成了陰極板在自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)與天車之間的接駁作業(yè)過程。應(yīng)用這一自動(dòng)接駁系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)天車與自動(dòng)接駁系統(tǒng)、自動(dòng)接駁系統(tǒng)與自動(dòng)剝鋅系統(tǒng)之間的連續(xù)化、自動(dòng)化、無人化作業(yè),縮短設(shè)備的空載和等待時(shí)間,提高生產(chǎn)效率,降低人工和運(yùn)營成本,為實(shí)現(xiàn)濕法鋅冶煉全流程自動(dòng)化及建設(shè)智能化工廠奠定了基礎(chǔ)。