真空抬包吊裝橫梁旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置研發(fā)設(shè)計

張佳亮

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 引言

真空抬包是用于從電解槽內(nèi)吸出鋁液運(yùn)送至鑄造車間的專用設(shè)備，抬包吊裝橫梁的自由旋轉(zhuǎn)能夠決定吸出鋁液的效率的高低，吊裝橫梁旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置是為了自動旋轉(zhuǎn)橫梁而設(shè)計的專業(yè)驅(qū)動裝置，自動旋轉(zhuǎn)不但減輕了人工旋轉(zhuǎn)橫梁的勞動強(qiáng)度，也提高了抬包吸鋁的效率。

1 背景

真空抬包的傾翻機(jī)構(gòu)是采用蝸輪蝸桿傳動的，傳動比很大，處以自鎖狀態(tài)。根據(jù)抬包現(xiàn)場使用狀況及抬包清理工藝過程，抬包在吸鋁和轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，抬包和吊裝橫梁都是直立的，不允許傾斜；在倒出鋁水時是抬包傾翻；在清理抬包包體時，當(dāng)包體被吊至清理機(jī)上清理之前，需要將吊裝橫梁旋至包體一側(cè)躲開包口，以便進(jìn)行包體內(nèi)側(cè)清理；當(dāng)包體內(nèi)側(cè)被清理完后，需要將吊裝橫梁旋回至直立吊裝位置。但無論是抬包傾翻還是吊裝橫梁回至直立吊裝位置，都需要有外力驅(qū)動才能實(shí)現(xiàn)，即：驅(qū)動抬包手輪轉(zhuǎn)動。

目前在國內(nèi)，吊裝橫梁的旋轉(zhuǎn)基本都是人工來完成的，即使是抬包傾翻機(jī)構(gòu)中帶電機(jī)，但抬包本身是不帶電源的，旋轉(zhuǎn)吊裝橫梁時也必須每次都由人工外接電源來實(shí)現(xiàn)，工人勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。國內(nèi)市場上還沒有能使抬包吊裝橫梁機(jī)構(gòu)自動旋轉(zhuǎn)的設(shè)備。

2 真空抬包結(jié)構(gòu)及原理簡介

2.1 真空抬包結(jié)構(gòu)組成

真空抬包主要由吊裝橫梁、包蓋、吸鋁管、包體、蝸輪蝸桿減速、手輪、出鋁管等部分組成[1]。其外形結(jié)構(gòu)及組成如圖1所示。

圖1 真空抬包結(jié)構(gòu)組成圖

2.2 真空抬包的工作原理

真空抬包在電解鋁行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，是電解鋁操作必備的重要設(shè)備之一。它是用鋼鐵外殼內(nèi)襯耐火材料制成的較大型密封容器，靠包蓋上自帶的負(fù)壓產(chǎn)生裝置，使抬包內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，以把冶煉好的液態(tài)鋁從電解槽內(nèi)抽出并轉(zhuǎn)運(yùn)至其它地方。真空抬包的吸入口和倒出口分別布置于包體的前后，在進(jìn)行吸入和倒出動作時，均需要使用起吊設(shè)備經(jīng)吊裝橫梁吊起真空抬包，使抬包傾轉(zhuǎn)一定角度，并隨著包內(nèi)液面高度的變化而緩慢調(diào)整傾轉(zhuǎn)角度。

2.3 真空抬包的傾翻形式

根據(jù)有色金屬冶煉行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)，抬包在傾轉(zhuǎn)過程中一定要平穩(wěn)，不能有輕微晃動。因此，傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要克服較大的承重并要平穩(wěn)緩慢傾轉(zhuǎn)，任何位置都能自鎖。目前在世界上，真空抬包的傾轉(zhuǎn)，普遍采用的是蝸輪蝸桿傳動方式，速比范圍在191.9～5 394之間，分為手動傾轉(zhuǎn)和電動傾轉(zhuǎn)兩種。當(dāng)采用手動方式傾轉(zhuǎn)時的作用力一般為20 kg左右，圖1即是手動傾轉(zhuǎn)方式的真空抬包。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

下面主要從吊裝橫梁旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的動作分析、動力確定、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)確定、參數(shù)計算確定等幾方面的設(shè)計過程進(jìn)行論述。

3.1 動作分析

驅(qū)動裝置的工作步驟要求是這樣的：裝置前進(jìn)→旋轉(zhuǎn)抬包手輪使吊裝橫梁由直立吊裝位置轉(zhuǎn)至抬包一側(cè)→裝置后退→裝置再前進(jìn)→反向旋轉(zhuǎn)抬包手輪使吊裝橫梁轉(zhuǎn)回直立吊裝位置→裝置后退，完成一個工作循環(huán)。要想使抬包吊裝橫梁自動旋轉(zhuǎn)，必須使抬包傾翻機(jī)構(gòu)的手輪自動實(shí)現(xiàn)自傳的同時還要公轉(zhuǎn)。

下面詳細(xì)描述一下驅(qū)動裝置的整個動作要求，根據(jù)鋁包清理機(jī)現(xiàn)場實(shí)際布置情況，驅(qū)動裝置的整個工作過程，必須要完成以下動作：

(1)整個裝置要能自動前進(jìn)、后退，即吊裝橫梁需旋轉(zhuǎn)時驅(qū)動裝置前進(jìn)，否則后退至非工作位置，以免影響鋁包清理機(jī)的正常工作。

(2)驅(qū)動裝置上要有一套動力機(jī)構(gòu)，在使抬包手輪旋轉(zhuǎn)的同時，這套機(jī)構(gòu)要能隨著手輪一起以渦輪圓心為軸心運(yùn)動，即：它能帶動抬包手輪一起自轉(zhuǎn)的同時又能隨著手輪以渦輪圓心為軸心沿著手輪中心軌跡移動，此時驅(qū)動裝置是固定的。

3.2 動力的確定

吊裝橫梁旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置，是抬包包體清理過程中的一個輔助設(shè)備，必須安放在鋁包清理機(jī)的一側(cè)。鋁包清理機(jī)的動力源是液壓站，所有動作的完成都是靠液壓來驅(qū)動完成。那么，驅(qū)動裝置的動力源就應(yīng)該首選液壓驅(qū)動，而且可以和鋁包清理機(jī)共用一個液壓站。因為，按鋁包清理機(jī)的工作程序，清理抬包的時候吊裝橫梁不允許旋轉(zhuǎn)，抬包橫梁旋轉(zhuǎn)時不能清理抬包，即鋁包清理和驅(qū)動裝置不能同時工作，因此驅(qū)動裝置可以直接利用鋁包清理機(jī)的液壓站，節(jié)省了一套動力設(shè)施，這樣既方便，又大大降低了設(shè)備成本。

3.3 機(jī)構(gòu)的確定

3.3.1 撥動機(jī)構(gòu)——撥動抬包手輪轉(zhuǎn)動的機(jī)構(gòu)

根據(jù)動作分析，撥動機(jī)構(gòu)要使抬包上的手輪旋轉(zhuǎn)，就要隨著手輪旋轉(zhuǎn)并不斷給手輪提供動力，即旋轉(zhuǎn)過程中機(jī)構(gòu)不能離開手輪。為此，一是要有動力，前面已經(jīng)敘述過了，驅(qū)動裝置的動力源是液壓站，為了滿足旋轉(zhuǎn)要求，我們選用液壓馬達(dá)來驅(qū)動；二是要有著力點(diǎn)，抬包手輪的結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，分析手輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，要使手輪轉(zhuǎn)動，最簡單可行的辦法，就是直接撥動手輪的橫支撐。所以機(jī)構(gòu)中要有能與手輪支撐接觸的直桿。因為手輪的位置是隨機(jī)的，手輪上橫支撐的位置也是隨機(jī)的。要使直桿與手輪上橫支撐的接觸機(jī)率最大化，直桿的數(shù)量不能少于手輪支撐的數(shù)量。直桿在液壓馬達(dá)的帶動下轉(zhuǎn)動，從而撥動抬包手輪轉(zhuǎn)動。三是撥動機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心要與手輪的旋轉(zhuǎn)中心一致。

3.3.2 撥盤公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)——帶動撥動機(jī)構(gòu)隨著手輪一起，以渦輪圓心為軸心沿著手輪中心運(yùn)動軌跡移動真空抬包手輪自身有一套傳動機(jī)構(gòu)，撥動機(jī)構(gòu)是另一套傳動機(jī)構(gòu)，兩套機(jī)構(gòu)分別在兩個設(shè)備上，要實(shí)現(xiàn)兩套機(jī)構(gòu)動作完全統(tǒng)一、運(yùn)行軌跡一致，這是非常困難的。首先，在保證撥動機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)中心與手輪的旋轉(zhuǎn)中心一致的同時，還必須保證手輪公轉(zhuǎn)中心與撥盤機(jī)構(gòu)公轉(zhuǎn)中心一致，同時還要保證兩套機(jī)構(gòu)所有的運(yùn)動速度一致。最后，經(jīng)過全面分析研究，采用通過抬包手輪的公轉(zhuǎn)運(yùn)動帶動撥動機(jī)構(gòu)一起轉(zhuǎn)動。即撥動機(jī)構(gòu)撥動手輪轉(zhuǎn)動的同時，自身被手輪公轉(zhuǎn)時帶動，一起隨手輪運(yùn)動。渦輪圓心O是手輪和撥動機(jī)構(gòu)沿圓弧運(yùn)動的公轉(zhuǎn)圓心；O1是手輪和撥盤自身的自轉(zhuǎn)中心，如圖2所示。

圖2 撥盤轉(zhuǎn)動軌跡圖

3.3.3 移動小車——帶動撥動機(jī)構(gòu)和撥盤公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)前后運(yùn)動的機(jī)構(gòu)

根據(jù)鋁包清理機(jī)現(xiàn)場實(shí)際布置情況，撥動機(jī)構(gòu)和撥盤公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作位置距地面有一定的距離，要使兩個機(jī)構(gòu)在工作位置時能前后運(yùn)動，還要保證運(yùn)動過程中不偏移、不擺動，運(yùn)行平穩(wěn)，最好的方法就是把整個機(jī)構(gòu)做成帶動力的移動小車，將撥動機(jī)構(gòu)和撥盤公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置在小車上[2]。為了保證小車運(yùn)動的平穩(wěn)性，并降低小車運(yùn)行時的動力消耗，小車必須有車輪[3]，并在固定的軌道中運(yùn)行，由液壓缸來驅(qū)動。

3.3.4 滑道基座——移動小車的運(yùn)行軌道兼驅(qū)動裝置基座

按正常設(shè)計，驅(qū)動裝置是安放在鋁包清理機(jī)的一側(cè)，滑道基座應(yīng)該固定在鋁包清理機(jī)一側(cè)的地面上。但考慮到驅(qū)動裝置的安裝位置精度，將滑道基座與鋁包清理機(jī)基座連在一起最為合適。因此，軌道可直接固定在鋁包清理機(jī)的機(jī)座上。

綜上所述，驅(qū)動裝置的所有機(jī)構(gòu)已完全確定，整體驅(qū)動裝置主要由撥動機(jī)構(gòu)、撥盤公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、移動小車、滑道基座四部分組成。驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)圖

4 參數(shù)的選擇確定

4.1 油缸行程L

根據(jù)鋁包清理機(jī)結(jié)構(gòu)布置情況，撥盤機(jī)構(gòu)與鋁包清理機(jī)之間的最小距離，不能小于400 mm，否則會影響鋁包清理機(jī)的正常操作。所以確定油缸行程：L=400 mm[4]。

4.2 油缸驅(qū)動力F

油缸所需的驅(qū)動力F，主要是克服移動小車前后運(yùn)動時，小車自重m產(chǎn)生的摩擦力。即[5]：

F=μmg=0.06×1 000×9.8=588N

式中F—油缸的驅(qū)動力，N；

μ—摩擦系數(shù)；查資料[5],鋼與鋼之間的滾動摩擦，取μ=0.06；

m—移動小車的自重kg，移動小車的總重量m=1 000 kg；

g—重力加速度9.8 m/s。

考慮可能出現(xiàn)的各種偏差，如機(jī)械、液壓設(shè)計制造偏差、液壓管路中的壓力損失、設(shè)備使用安全系數(shù)等，所以確定油缸的額定工作壓力：F=1 000 N。

4.3 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動力矩M

對撥動機(jī)構(gòu)、撥盤公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，兩種機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中所要克服的阻力，就是馬達(dá)所需要的最小轉(zhuǎn)動力矩。它主要由以下幾方面組成：抬包手輪的轉(zhuǎn)動力矩M1；撥動機(jī)構(gòu)和撥盤公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在隨著手輪一起公轉(zhuǎn)時，其自身重量產(chǎn)生的力矩M2；吊裝橫梁重量產(chǎn)生的阻力矩M3；液壓馬達(dá)克服前述的三種力運(yùn)動時，在公轉(zhuǎn)軸心處產(chǎn)生的摩擦力矩可忽略；即：M=M1+M2+M3。

M1：根據(jù)生產(chǎn)鋁包廠家提供的數(shù)據(jù)，6 t抬包手輪外圓旋轉(zhuǎn)力矩為95 N·m，即M1=95 N·m。

M2：撥動機(jī)構(gòu)和撥盤公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在隨著手輪一起公轉(zhuǎn)時，其軌跡是一段圓弧線，O是兩個機(jī)構(gòu)的公轉(zhuǎn)中心；O1是吊裝橫梁在直立吊裝位置時，兩個機(jī)構(gòu)的自轉(zhuǎn)中心；O2是吊裝橫梁被旋轉(zhuǎn)至抬包一側(cè)，鋁包清理機(jī)工作時，兩個機(jī)構(gòu)的自轉(zhuǎn)中心[5]，如圖4所示。

圖4 撥盤公轉(zhuǎn)弧線圖

式中m—兩個機(jī)構(gòu)的總重量，kg；按設(shè)計所得，m=40.52 kg；

R—公轉(zhuǎn)半徑，m，實(shí)際測量得R=0.495 m；

g—重力加速度，9.8 m/s；

θ1—公轉(zhuǎn)中心半徑與水平方向的夾角；按最不理想狀態(tài)考慮，即：取撥動機(jī)構(gòu)運(yùn)動產(chǎn)生的最大力矩處，θ1=45°；

M3—按工作過程中，吊裝橫梁最大傾角時計算，此時吊裝橫梁與水平方向的夾角為45°，即：

M3=m3gR3cosθ2=G3gR3cosθ2=80×9.8×1.1×cos45≈610 N·m

式中m3—吊裝橫梁的重量，kg；實(shí)際測量m=80 kg；

R3—吊裝橫重心旋轉(zhuǎn)半徑，m，實(shí)際測量得R3=1.1 m；

G—重力加速度，9.8 m/s2；

θ2—吊裝橫梁與水平方向的最大傾斜角，實(shí)際測量得θ2=45°。

所以：M=M1+M2+M3=95+139+610≈844 N·m。

考慮可能出現(xiàn)的各種偏差，如機(jī)械、液壓設(shè)計制造偏差、液壓管路中的壓力損失、設(shè)備使用安全系數(shù)等，選擇液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動力矩：M=1 500 N·m。

5 結(jié)論

真空抬包吊裝橫梁旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置使出鋁作業(yè)和鋁包清理工作的生產(chǎn)效率得到進(jìn)一步突破和提高，對行業(yè)內(nèi)產(chǎn)品的科技創(chuàng)新、升級換代將起到良好的帶頭作用。同時，吊裝橫梁旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置所涉及的技術(shù)，不但填補(bǔ)了該行業(yè)的空白，對無人化車間的發(fā)展進(jìn)程也起到了極其重要的推動作用。