一種新型炭素隧道窯擺渡車

蘇 林，畢憲東，汪玉平

（1.安陽嘉和機械有限公司，河南 安陽 455000；2.安陽市中等職業(yè)技術學校，河南 安陽 455000；3.安陽學院，河南 安陽 455000）

炭素隧道窯是現(xiàn)代化炭素生產(chǎn)連續(xù)式燒成的熱工設備，一般是一條長長的直線隧道加熱裝置，在隧道窯頂部設有燃燒設備及燃燒室，由循環(huán)風機將熱風通過熱風管道送入隧道窯內(nèi)，窯內(nèi)分預熱區(qū)、燒成區(qū)、冷卻區(qū)等，通過隧道窯的溫度、壓力、含氧量等自動檢測和風量的自動調(diào)節(jié)等控制系統(tǒng)滿足設備自動生產(chǎn)運行[1]。

在隧道窯運行中，窯車在回車線上完成上一工序制品的裝車工作，通過牽引機將窯車沿著軌道運到窯頭，窯頭擺渡車通過自身功能將窯車鉤到擺渡車上，擺渡車自動運行到隧道窯窯頭站點，窯車車輪正對準隧道窯內(nèi)軌道，窯車進入窯內(nèi)，通過頂車機構窯車沿著軌道在窯內(nèi)運行，需要經(jīng)過不同的工藝階段，完成炭素制品的二次窯車焙燒工序[2]。二次窯車炭素制品在窯車上由窯尾擺渡車通過自身功能將窯車鉤到擺渡車上，擺渡車將裝滿炭素制品的窯車送回到回車線端頭，通過牽引機再將裝滿炭素制品的窯車送回到回車線上，完成制品卸車。裝滿電極的窯車在窯內(nèi)和回車線上實現(xiàn)在整條生產(chǎn)線上的工作循環(huán)，窯頭、窯尾擺渡車發(fā)揮著關鍵作用。因此擺渡車是整個炭素隧道窯生產(chǎn)線中的核心設備之一。

1 問題的提出

目前，成熟的隧道窯生產(chǎn)線上絕大多數(shù)擺渡車采用電機通過鏈條、鏈輪傳動實現(xiàn)橫向移動，總體結構基本趨于一致，技術成熟，可靠性也較高。但擺渡車在縱向取送料上有很大的差別。現(xiàn)在主流的縱向取送料裝置有直接使用油缸驅(qū)動取送料、直接使用齒輪齒條和使用交叉鏈的鏈條傳動等方式，其中，直接使用油缸驅(qū)動取送料方式存在油缸行程長、長度尺寸較大、擺渡車空間有限、不易安裝的問題；直接使用齒輪齒條的方式存在齒條較長、不易加工、輸送窯車距離較短的問題；使用交叉鏈的鏈條傳動方式除受到鏈輪拉力制約外還要受軸向彎曲應力影響，嚴重影響鏈條使用壽命[3]。

為此，針對裝置存在的輸送距離較短、鏈條傳動機構使用壽命短、制造安裝成本高、可靠性低、空間受限等問題擺渡車縱向取送，本項目設計開發(fā)一種新型的隧道窯取送裝置，解決了長期困擾本領域技術人員一項關鍵技術問題。項目組根據(jù)用戶需求，結合用戶技術工藝人員和現(xiàn)場操作人員反映的問題，綜合研判，多方論證，針對性地設計研發(fā)了一種齒輪齒條嚙合機構與雙鏈條機構相結合，齒輪齒條嚙合機構帶動取料小車移動，雙鏈條機構帶動卡爪移動，取料小車和卡爪上下聯(lián)動的新型炭素隧道窯擺渡車，實現(xiàn)了移動取送裝置長距離縱向運輸；使用槽型滑動軌道和滾輪配合，約束其運動方向，保證了其運動的穩(wěn)定性。這樣一種新型的隧道窯擺渡車移動取送裝置，解決了相關問題，經(jīng)過一年多的用戶使用驗證，達到了預期目的，使用效果良好。

2 結構組成

本裝置主要由車架、取料小車、卡爪、傳動機構和驅(qū)動機構等部分組成。車架部分是整個隧道窯取送裝置的基礎支撐部分，圖1所示。該車架是對傳統(tǒng)擺渡車車架的簡單改裝，在傳統(tǒng)車架上增加了供取料小車縱向移動的槽型滑動導軌。圖2為卡爪結構示意圖。如圖3所示，車架橫向移動和傳統(tǒng)方式一樣，在隧道窯生產(chǎn)線上通過鏈條、鏈輪及其對應驅(qū)動和導軌實現(xiàn)，可以將制品推入推出；取料小車部分由取料小車本體2、小車滾輪10、小車底部齒條及其安裝在車架1上的小車槽型滑動導軌等組成，可以實現(xiàn)取料小車的縱向移動；卡爪部分由卡爪本體3、卡爪滾輪11及其安裝在取料小車2上的卡爪槽型滑動導軌等組成，實現(xiàn)在小車的縱向移動基礎上的附加卡爪縱向移動，擴大了取送裝置縱向移動距離，從而節(jié)省了擺渡車空間；傳動機構部分主要由驅(qū)動鏈輪4、齒輪軸固定座5、齒輪軸6、齒輪7、前部鏈條8、后部鏈條9、安裝在小車底部齒條及其緊固支撐部件組成，主要用于動力的傳遞，通過齒輪、齒條、鏈輪、鏈條等的運動，實現(xiàn)小車和卡爪縱向移動；驅(qū)動機構由減速機12、驅(qū)動電機及其緊固支撐部件組成，主要用于為整個裝置提供動力，通過隧道窯的控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動控制。

圖1 擺渡車的總體結構示意圖

圖2 卡爪結構的示意圖

圖3 擺渡車移動取送裝置的示意圖

3 工作原理

如圖3所示，當窯車達到指定位置后，位置傳感器發(fā)出到位信號，隧道窯電氣控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號，驅(qū)動機構的電動機開始工作，將動力傳遞給擺渡車縱向減速機12，減速機通過鏈輪、鏈條傳動帶動齒輪軸6轉動，齒輪軸6通過齒輪7傳遞動力給取料小車底部的齒條，取料小車2在驅(qū)動機構和傳動機構的作用下可沿擺渡車車架上的槽型滑動導軌縱向往復運動，而牽引鏈條8和9又與取料小車2上的驅(qū)動鏈輪4相齒合，牽引鏈條8、9的一端與車架1固定連接，另一端與卡爪3固定連接，進而使得卡爪3在牽引鏈條8、9的作用下可在取料小車2上往復運動?？ㄗ?運動是在取料小車2運動基礎上的附加運動，通過驅(qū)動鏈輪4和前部鏈條8、后部鏈條9等聯(lián)動，實現(xiàn)取料小車2和卡爪3的共同前后移動，因卡爪3的運動是附加在取料小車2的運動之上的，所以卡爪3移動速度比取料小車2移動速度快一倍；當取料小車2到位后，卡爪3也同時到達取料小車2最前端，進而實現(xiàn)了卡爪3在縱向上長距離的移動。取料小車2的運動受安裝在車架1框架上的槽型滑動軌道和小車滾輪10的約束，卡爪3的運動受安裝在小車框架上的槽型滑動軌道和小車滾輪11的約束，并且卡爪3的運動采用雙鏈條驅(qū)動，使運動更加穩(wěn)定。因此該縱向移動取送裝置簡單牢固、運行穩(wěn)定、易于裝配維修，實現(xiàn)了低成本、長距離縱向取送動作。

4 傳動機構的選擇

傳動機構的選擇是該機構成敗的關鍵，本裝置傳動系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 傳動系統(tǒng)簡圖

按照工藝要求，窯料小車移動送料、取料的速度應為V=2m/min，對應的窯料小車的卡爪移動速度也是2m/min；根據(jù)該結構原理，擺渡車移動小車對應的相對速度為1m/min；齒輪和齒條模數(shù)選擇為m=8mm，移動小車下面驅(qū)動齒輪的轉速，可以根據(jù)以下公式得出驅(qū)動齒輪轉速n：

因隧道窯空間有限，結構緊湊，選取小鏈輪齒數(shù)Z1=13，大鏈輪齒數(shù)為Z2=35，工作載荷平穩(wěn)，鏈傳動中距可調(diào)，可以推算出小鏈輪轉速n1,減速機輸出軸與小鏈輪Z1直聯(lián)，小鏈輪轉速n1為減速機的輸出轉速：

窯車（含電極）重量約20 000 kg，移動小車（含鏈條、卡爪等）重量約400 kg，考慮到槽鋼不加工的凹槽作為導軌面，綜合摩擦系數(shù)按μ=0.15計算，傳遞的綜合機械效率約為η=0.7，可以推算出整個機構（含窯車及移動小車）所需進給力F為：

根據(jù)所需進給力F，可以推算出驅(qū)動電機所需功率P：

綜合計算的小鏈輪轉速n1和驅(qū)動電機所需功率P，考慮運行工況、環(huán)境溫度、一定的冗余等使用系數(shù)fB對設計功率影響，選擇符合要求的減速機型號為K97DRN112M6的減速機，該減速機的電機參數(shù)主要為：P=2.2 kW，轉速n=6.2 rpm，扭矩T=3 300 Nm。對實際窯料小車的速度重新核定：

核定的結果和現(xiàn)場使用情況均與計算結果相符，經(jīng)現(xiàn)場實際使用驗證，能夠滿足現(xiàn)場使用要求，使用效果良好。

5 結論

本項目的縱向移動取送裝置使用了齒輪齒條嚙合機構與雙鏈條聯(lián)動機構相結合，齒輪齒條嚙合機構帶動取料小車移動，雙鏈條聯(lián)動機構帶動卡爪移動，實現(xiàn)了移動取送裝置長距離縱向動作；使用安裝在車架框架上的槽型滑動軌道和安裝在小車框架上槽型滑動軌道及其相應的滾輪，約束其運動方向，實現(xiàn)了其運動的穩(wěn)定性。經(jīng)反復試驗動作可靠、運行效率高，節(jié)約了空間、安裝維修方便，且在特殊高溫工況下能保證穩(wěn)定可靠的運行，配合隧道窯生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動化平穩(wěn)輸送窯車的目標，對窯車內(nèi)的電極起到了有效保護，避免了對電極的沖擊損傷，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低了惡劣環(huán)境下的勞動強度，經(jīng)過用戶一年多的生產(chǎn)運行，效果良好。該裝置使用的方法，同樣可以適應于小空間、需要長距離輸送到其他設備上。