金屬鋅具有良好的壓延性、耐磨性、抗腐蝕性、鑄造性,且有很好的常溫機械性,能與多種金屬制成性能優(yōu)良的合金。隨著金屬鋅的應(yīng)用擴大,為了獲取高品位金屬鋅,一般需要進行電解精煉獲得純度達(dá)到99.9%及以上的鋅板。為此,電解設(shè)備、工藝過程的操作功能設(shè)備等都應(yīng)運而生。在鋅冶煉工藝不斷進步、冶煉廠效益不斷提高的同時,對鋅電解的需求也越來越多,為了適應(yīng)環(huán)境,搶占國內(nèi)市場,對鋅電解起重機的要求也越來越高。鋅電積專用起重機就是能夠?qū)崿F(xiàn)鋅電解沉積生產(chǎn)工藝操作的專用起重機設(shè)備,能夠高效、環(huán)保、自動完成電解所需作業(yè),最大限度降低勞動強度和解決人工成本問題。

1、環(huán)境條件及工藝操作

鋅電解沉積生產(chǎn)是在強直流電條件下,以硫酸與硫酸鋅按一定比例混合作為電解質(zhì),以在陰極上沉淀獲得純鋅的過程。同時,電解過程中需要根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)周期頻繁重復(fù)操作陽極和陰極,勞動強度大。由于鋅電解沉積工藝的特殊性,過程中陽極不消耗,因此需要大量的硫酸混合液循環(huán)以補充的鋅離子濃度?？上攵?整個車間充滿電解附加產(chǎn)物二氧化硫、酸性蒸汽等腐蝕性物質(zhì),無論是過程操作還是車間設(shè)備都存在嚴(yán)重影響。而強直流電產(chǎn)生的強磁場環(huán)境,對車間金屬結(jié)構(gòu)、電氣元件等都具有較大影響,從而影響電氣元件的可靠性和整車穩(wěn)定運行的可靠性。

鋅電解沉積工藝是通過串聯(lián)的電解槽及相互間隔排列的陰陽極實現(xiàn)在陰極沉積純金屬鋅的過程,因而工藝反應(yīng)具有固定的周期,達(dá)到該周期后,需要將掛滿金屬鋅的陰極從電解槽中提取出來,運轉(zhuǎn)至剝鋅機組接收架上,再將陰極光板運輸至電解槽進行裝槽。具體操作流程如圖1所示。陰極板出裝槽時,從電解槽起吊陰極板寅剝鋅機承載輸送機寅吊起剝離鋅片(洗刷)后的陰極板寅陰極裝入電解槽。完成后,進入下一循環(huán)。陽極板出裝槽時,從電解槽起吊陽極板寅陽極清洗拍平接收裝置寅吊起清洗拍平后的陽極板寅陽極板裝入電解槽。完成后,進入下一循環(huán)。

圖1陰極出裝槽工藝過程

因此,鋅電解專用起重機是電解車間的核心設(shè)備,是保證電解過程連續(xù)進行的必要保證。

2、關(guān)鍵機構(gòu)選型

2.1 鋼絲繩的計算

鋼絲繩所受的最大拉力:

根據(jù)《GB 8918—2006 重要用途鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)》,滿足最小破斷拉力的鋼絲繩工程抗拉強度。

根據(jù)《GB 8918—2006 重要用途鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)》,以及考慮結(jié)構(gòu)動態(tài)載荷等情況,選取鋼絲繩直徑d =16 mm,型號 16ZAB6 × 19W + IWR1770。

鋼絲繩的機構(gòu)工作級別為 M7 時,要求最小的安全系數(shù)[n] = 9,滿足要求。

2.2 卷揚電機參數(shù)的選擇與計算

設(shè) 計 所 選 電 機 型 號 QABPZ280S4A 75kW/DV280S4,功率75 kW,轉(zhuǎn)速為1485 r/ min,滿足要求。

2.3 減速機的計算

設(shè)計選用減速器型號 K167AD7,速比 68.07,輸出轉(zhuǎn)矩 32 kN·m。

2.4 大車驅(qū)動方案

考慮起重機高速運行,采用四分之四驅(qū)動形式,選用三合一減速電機驅(qū)動。取減速機傳動效率η=0.95。工作環(huán)境溫度0~40益,電機絕緣等級H級,電機接電持續(xù)率 40% ,工作制 S3。

設(shè)備正常工作時運行機構(gòu)穩(wěn)態(tài)功率:

式中P_s—穩(wěn)態(tài)運行功率,kW;

P_j—穩(wěn)態(tài)運行總阻力,N;

V_k—起重機運行速度,m/s,V_k=120?m/min=2?m/s;

η—運行機構(gòu)傳動效率,取η=0.95;

m—運行機構(gòu)電動機臺數(shù);

G—穩(wěn)態(tài)負(fù)載系數(shù),G=1。

P_j=P_m+P_p+P_w=5518.5N+97.5N+0N=5616N

式中P_m—摩擦阻力,N;

P_p—坡道阻力,N;

P_w—風(fēng)阻力,N。

P_m=P₁+P₂+P₃=5518.5?N

式中P₁—車輪軸承中的摩擦力,N;

P₂—車輪的滾動摩擦力,N;

P₃—每個車輪輪緣與軌道間的摩擦力,N。

P₃=μP/4=0.05×3.9×10⁵/4?N=4875?N。

式中P—車輪輪壓,N,P=P_G+P_Q=280?000+110 000=3.9×10⁵?N;

D—車輪直徑,mm,D=400 mm;

d—車輪軸樞直徑,mm,d=72 mm;

μ—車輪軸承摩擦系數(shù),μ=0.015~0.02,調(diào)心滾子軸承取0.02。

式中f—車輪的滾動摩擦系數(shù),mm,f=0.6 mm。

表1車輪的摩擦滾動摩擦系數(shù)f ?mm

鋼軌	車輪直徑
	100	150	200	300	400	500	600	700	800	900	1 000
平頂鋼軌	0.25		0.30		0.50		0.60		0.70	0.80
凸頂鋼軌	0.30		0.40		0.60		0.80		1.00	1.20

初步確定電機功率:

設(shè)計所選電機型號FA107/GDRE DV112M4/BE?5HF/TH/V,功率4?kW,速比146.49,轉(zhuǎn)速為1 460 r/min,滿足要求。電機空心軸直徑Φ90H7。防護等級IP55,F級絕緣。

3、自動化的提升

目前,鋅電解車間行車尚無自動化、無人化、信息化的產(chǎn)品出現(xiàn),長期處于人工操作來完成車間的各項操作任務(wù),操作人員勞動強度大,安全性差。鋅電解專用起重機依靠自動檢測技術(shù)、控制技術(shù)等方法,提升現(xiàn)有車間設(shè)備,可以在接收地面設(shè)備發(fā)出的無線控制指令的情況下,自動完成相應(yīng)指令的作業(yè)工作。

自動定位要求大車能夠以最優(yōu)化的速度從當(dāng)前位置到達(dá)根據(jù)作業(yè)方案指定的電解槽上方。大車位置檢測使用2個激光測距儀,測距儀安裝在大車的同一側(cè),分別位于靠近兩邊軌道位置,激光反射板安裝在車間墻面上。兩個測量信號互為判斷可靠性,在吊裝槽位于更靠近某一測距儀下方時,使用此測距儀測量信號作為大車位置信號。測距儀測量信號通過PROFIBUS-DP通訊進入PLC系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)通過激光檢測的距離來確定起重機所在的位置,在接收到需要到達(dá)的目標(biāo)位置時,起重機可自動巡航,行使到目的地。

全自動化設(shè)計是通過自動控制平臺來最大限度發(fā)揮鋅電解操作機組的效用。在這個控制平臺下,鋅電解操作機組所有的操作都將在計算機的控制下進行,能夠?qū)崿F(xiàn)計劃、協(xié)調(diào)和組織所有設(shè)備和吊運設(shè)備之間的任務(wù)和互動的功能。

自動控制平臺的模塊化設(shè)計,使得整套系統(tǒng)在任何時候都只執(zhí)行唯一必須的動作,保障正常運轉(zhuǎn),并且還可以實現(xiàn)對生產(chǎn)的集中控制,通過對整個過程的優(yōu)化管理實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)。此外,還能提高陰極質(zhì)量,降低能耗,以及減少添加劑的消耗量,設(shè)備還易于維護。

正因為有了全自動控制系統(tǒng),全程跟蹤才成為可能,全程跟蹤涵蓋了電極的運入和運出,各種動作和工藝步驟。此外,全程跟蹤也是提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的有效工具。

4、結(jié)語

鋅電解專用起重機借鑒自動化領(lǐng)域先進技術(shù)在相關(guān)行業(yè)的成功應(yīng)用經(jīng)驗,將多項先進技術(shù)進行融合,用有限元分析可實現(xiàn)輕量化設(shè)計,用自動化實現(xiàn)了智能化控制,無論是機組的對位還是運行過程中的高度控制技術(shù)都有了很大提高,安全性能也有了保障。