0 引言
鋁電解多功能機組( 以下簡稱“鋁電解機組”) 是電解鋁生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵設(shè)備之一。其中，鋁電解機組中更換陽極機構(gòu)(也稱“換極裝置”)作為重要的工具部件，主要負(fù)責(zé)陽極碳塊更換過程中的碳塊夾持、擰頭定位、擰頭松緊等功能，其設(shè)備減輕了電解槽槽前工作人員勞動強度，同時增加操作人員的安全性。
鋁電解機組中更換陽極機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在設(shè)計研制的過程中經(jīng)歷了很長一段時間的探索和研究并多次進行設(shè)計更改，在優(yōu)化設(shè)計的過程中系統(tǒng)功能得以進一步完善。國內(nèi)早期的換極裝置主要通過氣動控制作為陽極更換機構(gòu)的主要動力源來實現(xiàn)，首先通過氣缸的推動力將換極裝置活動架在固定架的導(dǎo)向作用下降至預(yù)定位置并采用陽極夾頭夾緊陽極導(dǎo)桿完成碳塊夾持，下一步動作是通過氣缸的推動力將擰頭部件的活動導(dǎo)桿在固定導(dǎo)桿的導(dǎo)向作用下降至預(yù)定位置完成擰頭定位并同小盒夾具螺栓相夾緊，緊接著通過液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)松開小盒夾具螺栓完成擰頭松開動作，從而完成陽極碳塊的順利拔出。早期的設(shè)計在實際操作過程中存在一定的不足，包括采用氣缸作為驅(qū)動形式在工作過程中自鎖能力較差，在陽極工作間歇期(夜間工作氣源不足時)，擰頭部件易產(chǎn)生下滑現(xiàn)象而需在第二天作業(yè)時重新提升機構(gòu)?，F(xiàn)今，鋁電解機組的更換陽極機構(gòu)的升降裝置已被液壓驅(qū)動系統(tǒng)所取代，保證了機構(gòu)在工作間歇期的背壓和工作平穩(wěn)性，有效地防止機構(gòu)的下滑。以下針對國內(nèi)鋁電解機組中更換陽極機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進做出分析并同國外ECL鋁電解機組的更換陽極機構(gòu)進行對比，提出更換陽極機構(gòu)的改進措施。
1.換極裝置設(shè)計改進
更換陽極裝置是由夾頭升降機構(gòu)、擰頭升降機構(gòu)和陽極夾具等部件組成同時完成碳塊夾持、擰頭定位、擰頭松緊等動作。夾頭升降機構(gòu)是由固定架、移動架、液壓缸等主要部件組成，夾頭升降機構(gòu)依靠固定行程的液壓缸活塞桿的推動來實現(xiàn)，活塞桿一端同固定架的耳軸相聯(lián)接，另一端和移動架的耳軸采用銷軸相聯(lián)接并在移動架上安裝滑板，同時采用螺栓把合使移動架在滑板的導(dǎo)向作用下移動。擰頭升降機構(gòu)同夾頭升降機構(gòu)在工作原理上一致，采用氣缸推動使之?dāng)Q頭架準(zhǔn)確定位并完成同小盒夾具螺栓的配合，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)使小盒夾具螺栓擰松。陽極夾具則采用相配套的陽極夾頭的安裝夾子和夾緊液壓缸來完成陽極的夾緊功能，靠彈簧的回彈力實現(xiàn)夾具的松開。
更換陽極機構(gòu)工作流程: 鋁電解機組運行至電解槽上部指定位置，移動換極機構(gòu)至殘極碳塊正上方，夾頭升降機構(gòu)由液壓油缸推動至指定高度，陽極夾具機構(gòu)的安裝夾子由夾具液壓缸推動打開至碳塊吊裝孔，靠彈簧力回彈使碳塊處于夾持狀態(tài)(如圖1，左圖)。隨后，擰頭機構(gòu)中的移動架隨擰頭液壓缸帶動卡板及其其他部件下降，直至卡板同擰頭部件的卡板相卡緊且陽極導(dǎo)桿同小盒夾具完全配合，當(dāng)擰頭部件定位穩(wěn)定后通過馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動擰頭擰開小盒夾具螺栓，完成碳塊夾持、擰頭定位、擰頭松緊的過程(如圖1，右圖)。緊接著逐步完成擰頭部件提升、夾頭提升帶動陽極殘極機構(gòu)和小盒夾具同時提升至車間內(nèi)的殘極放置區(qū)，完成殘極碳塊更換的全過程。當(dāng)更換陽極進行新陽極的安裝時，鋁電解機組則吊運新陽極碳塊至指定殘極拔出位置，主機構(gòu)夾頭升降油缸帶動陽極移動架、擰頭架、卡板以及其他部件向下運動，通過測高機構(gòu)測量陽極到指定高度，然后下降卡板至同電解槽小盒夾具卡緊位置，轉(zhuǎn)動液壓馬達(dá)帶動擰頭鎖緊小盒夾具螺栓，擰頭部件在陽極測高裝置的測量下收回至預(yù)定位置，同時夾緊液壓缸動作帶動夾具夾頭松開，上升至一定高度后靠彈簧力回彈，至此整體完成陽極新碳塊的安裝過程。
圖1 夾頭升降機構(gòu)和夾具機構(gòu)動作，擰頭升降機構(gòu)和擰頭機構(gòu)動作。
從以下幾個方面分析，更換陽極機構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進設(shè)計。
1.1 動力源的設(shè)計改進
早期的動力源采用氣動系統(tǒng)控制，易造成運行不平穩(wěn)、機構(gòu)背壓不足致使機構(gòu)下滑，氣囊易損壞帶來頻繁更換等問題。其中，更換陽極機構(gòu)中擰頭升降機構(gòu)由四鍵缸、中空軸、缸頭等部件組成，通過壓縮空氣提供動力氣源及電磁閥控制完成其機構(gòu)升降和夾具夾緊動作，同時擰頭部件的回轉(zhuǎn)依靠液壓馬達(dá)來實現(xiàn)。在實際的應(yīng)用過程中主要存在兩個問題，一是氣動夾具的開閉依靠氣囊、動臂完成，氣囊充氣使夾頭張開，切斷氣源夾具靠彈簧復(fù)位，但在長期的使用中造成氣囊的壽命較短、安裝不便利等問題需定期更換，造成整體工作的不便利。二是換極機構(gòu)在夜間間歇性作業(yè)時，由于空壓機供氣源的間歇性供氣、儲氣罐儲能不足以及更換陽極的頻率降低致使系統(tǒng)的保壓壓力也同時降低，基本壓差維持在3MPa左右，此壓力不能提供陽極機構(gòu)的穩(wěn)壓背壓，造成陽極機構(gòu)及擰頭架的下滑現(xiàn)象，降低了系統(tǒng)功能的完善性。現(xiàn)今的設(shè)計采用液壓系統(tǒng)控制機構(gòu)的升降代替氣動控制作為主動力源，在設(shè)備安裝調(diào)試現(xiàn)場通過液壓系統(tǒng)控制來實現(xiàn)液壓缸的動作和通過調(diào)節(jié)平衡閥來控制液壓缸的背壓，優(yōu)點有以下兩個方面。
(一)、夾具開閉采用單作用液壓缸執(zhí)行動作且靠彈簧的回彈力復(fù)位，改變了因氣囊開閉造成的壓力不足、氣囊老化壽命較短等問題，解決了工具機構(gòu)在失壓時的下沉問題，夾具夾緊更加有力等問題。在換極裝置很少工作的晚間時段可通過系統(tǒng)調(diào)壓設(shè)定5MPa的背壓來避免換極機構(gòu)的大幅度下滑現(xiàn)象。通常要求液壓站在停止工作后，液壓缸吊掛一噸重物的情況下，在24小時內(nèi)活塞桿伸出量不得超過50毫米。雖然在原設(shè)計基礎(chǔ)上提高了動作效率但此液壓動力源也存在一定的問題急待解決：由于液壓缸液體壓力設(shè)定較高，功率瞬間增加顯著，系統(tǒng)壓力過大使現(xiàn)場在使用時常出現(xiàn)擰頭架彎曲變形現(xiàn)象。為防止擰頭架由于系統(tǒng)壓力過高而致變形的現(xiàn)象發(fā)生，在擰頭架外側(cè)支撐板和橫向加強筋板中部增加加強筋，提高吊裝孔兩側(cè)焊接板的剛度，減少卡板支撐板的變形且增強兩支撐板中部加強結(jié)構(gòu)的焊接強度。
(二)、擰頭架在更換陽極機構(gòu)工作流程中主要實現(xiàn)動力傳遞(升降油缸和液壓馬達(dá))、卡板支撐(擰頭部件)、擰頭支撐。擰頭和夾頭升降油缸在升降過程中，卡板和小盒夾具螺栓接觸時易產(chǎn)生沖擊且由于操作者經(jīng)驗不同，對卡板是否接觸到位確定不準(zhǔn)確，造成反復(fù)升降卡板來調(diào)整卡板的接觸位置，故而作為卡板支撐件的擰頭架，經(jīng)常承受較大沖擊作用(沖擊作用的大小取決于升降油缸推力大小)。以往設(shè)計的擰頭部件采用氣缸作為升降動力，主要是考慮機組經(jīng)濟性和空壓機設(shè)備利用率，但現(xiàn)場使用反饋顯示，氣缸位置保持性、平穩(wěn)性和響應(yīng)性相對較差。為此，機組更換陽極機構(gòu)的擰頭架升降均改為液壓系統(tǒng)控制較為優(yōu)化。
1.2 擰頭升降油缸位置的設(shè)計改進
鋁電解機組換極裝置中擰頭升降機構(gòu)原設(shè)計是將液壓缸放置在移動架的內(nèi)側(cè)，可保證移動架在液壓缸的推動下沿導(dǎo)向方向運行?，F(xiàn)有的更改設(shè)計是將擰頭升降油缸設(shè)定在移動架和固定架的外側(cè)，這樣可有效的便于使用過程中的維護、維修。同時，液壓缸在移動架槽鋼內(nèi)，可有效節(jié)省設(shè)備空間(如圖2)。
圖2 早期擰頭機構(gòu)升降油缸在移動架內(nèi)側(cè)，改進后擰頭機構(gòu)升降油缸在移動架外側(cè)。
同時效仿法國ECL鋁電解機組，將擰頭升降油缸設(shè)定在移動架的外側(cè)，便于設(shè)備檢修的同時，節(jié)省了設(shè)備占用空間使結(jié)構(gòu)更加緊湊(如圖3)
圖3 法國ECL電解車的換極裝置結(jié)構(gòu)
1.3 擰頭架防顫動的設(shè)計改進
鋁電解機組擰頭架原設(shè)計采用四個螺栓把合的預(yù)緊力來維持?jǐn)Q頭架和陽極支架的聯(lián)接，同時，擰頭架后部安裝彈簧裝置目的是壓緊擰頭架防止因擰頭擰緊過程中產(chǎn)生晃動，擰頭架中擰頭座的導(dǎo)向輥始終保持沿陽極夾具中的導(dǎo)板移動，以便起到導(dǎo)向擰頭架的運動方向(如圖4)。
圖4 早期擰頭架四個螺栓及彈簧裝置的固定方式
其中，陽極擰頭在使用中存在扭力不足問題，現(xiàn)場應(yīng)及時調(diào)整液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到規(guī)定值，并用扭矩測量儀檢測扭力矩，當(dāng)扭力較大的情況下，擰頭架更易產(chǎn)生晃動現(xiàn)象，前期的改進措施之一是通過更改陽極擰頭的旋轉(zhuǎn)花鍵軸材質(zhì)來提高擰頭強度。由于螺栓摩擦力相對擰頭移動架運動產(chǎn)生的拉力較小，時常產(chǎn)生擰頭架晃動和螺栓的預(yù)緊力不足造成頻繁螺栓脫落和頻繁更換螺栓的現(xiàn)象，為客戶生產(chǎn)造成不便。
現(xiàn)今，通過借鑒法國ECL電解車的彈簧平衡裝置，將換極機構(gòu)同擰頭架的聯(lián)接采用在換極機構(gòu)的上部加裝固定的吊架并采用銷軸裝配聯(lián)接。同時，加裝活節(jié)螺栓和彈簧機構(gòu)來維持兩部件之間的平衡，當(dāng)彈簧受拉或受壓時，靠彈簧力將擰頭架在外力沖擊下復(fù)位并在導(dǎo)向輥導(dǎo)向作用下沿移動架行走，彈簧裝置起到減少擰頭架擺動及減少擰頭振動的作用。ECL電解車將彈簧裝置移動至移動架的側(cè)面，節(jié)省了馬達(dá)后部空間并保證系統(tǒng)運行的有效性。
圖5 擰頭架的結(jié)構(gòu)形式
現(xiàn)今做出進一步設(shè)計，將原僅靠螺栓預(yù)緊力來維持預(yù)緊的現(xiàn)象更換為固定架上把合相配套的耳軸連接。同時，擰頭架中的空心導(dǎo)套、花鍵軸與上、下部分聯(lián)軸器之間的聯(lián)接原為彈簧銷軸聯(lián)接，時有發(fā)生彈簧銷退出、擰頭脫落現(xiàn)象，現(xiàn)更改為40Cr銷軸聯(lián)接，增加了系統(tǒng)的可靠性，保證了擰頭架固定導(dǎo)桿同液壓缸耳軸的有效聯(lián)接。
1.4 絕緣系統(tǒng)的設(shè)計改進
鋁電解機組換極裝置的絕緣系統(tǒng)中，早期設(shè)計只是在陽極移動架同陽極夾具之間增加絕緣板，但由于電解槽的壓力較低，而電解車的工況電壓為380V,致使電壓在壓差的條件下傳導(dǎo)(電流產(chǎn)生運動)并通過陽極移動架傳導(dǎo)至擰頭架部件的上部而至整個換極機構(gòu)，因此原有的絕緣裝置喪失其原本的絕緣目的。
圖6 耳軸部件、各軸套部件的絕緣
通過后期的改進設(shè)計，已在液壓缸的耳軸部件、各軸套部件均增加了絕緣裝置(如圖6)，可有效防止各部件之間電流傳導(dǎo)，保證整體裝置的絕緣性。
1.5 擰頭移動架卡阻的設(shè)計改進
鋁電解機組換極裝置的擰頭架固定導(dǎo)桿采用材質(zhì)Q345B且在焊接后進行滑動槽的銑槽工序，由于操作者在銑槽過程中進給量偏大造成局部應(yīng)力過大，故而需要在工序中指定具體進給量的要求，可避免因進給量過大造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生零件的變形。在固定架同移動架的相對運動過程中，因應(yīng)力變形可使滑條在固定架滑槽的行走間存在卡阻和跑偏的現(xiàn)象且易產(chǎn)生刮碰液壓缸平衡閥的現(xiàn)象，專業(yè)的液壓生產(chǎn)廠家已重新設(shè)計，將液壓缸的接油管路做成彎管，避免陽極裝置在升降過程中同疊加在液壓缸接油油路中的平衡閥相碰撞。
后續(xù)可建議采用打殼機構(gòu)中滾輪的運動方式來設(shè)計固定導(dǎo)桿和移動導(dǎo)桿間的相對運動，防止移動導(dǎo)桿的偏移。
1.6 陽極夾具的設(shè)計改進
夾頭對位不準(zhǔn)或夾持陽極途中夾頭自行打開而出現(xiàn)非常危險的掉塊情況。對位不準(zhǔn)主要是對位卡板調(diào)整不到位或調(diào)整支座及調(diào)整螺釘整體強度不夠，螺釘頭部堆萎或彎曲直接影響間隙變化而造成夾頭對位不準(zhǔn)。陽極調(diào)運過程中夾頭油缸應(yīng)始終處于夾緊自鎖狀態(tài)，液壓鎖的控制壓力及油缸密封件可靠性應(yīng)定期檢查調(diào)整。
2.結(jié)論
鋁電解多功能機組換極裝置的設(shè)計優(yōu)化后運行更加靈活、安全、可靠,克服了以往機構(gòu)的缺點,總結(jié)如下：
1.采用液壓控制作為主動力源，可有效避免因氣囊開閉造成的壓力不足、氣囊老化、壽命較短等問題，解決了換極裝置在背壓不足時造成的下沉問題，使夾具夾持更加有力。
2.將擰頭升降油缸設(shè)定在移動架和固定架的外側(cè)，便于在使用過程中的維護、維修。同時，液壓缸在移動架上，可有效的節(jié)省設(shè)備空間。
3.更改彈簧平衡裝置的位置，起到減少擰頭架擺動及減少擰頭振動的作用，將彈簧裝置移動至移動架的側(cè)面，節(jié)省了馬達(dá)后部空間并保證系統(tǒng)運行的有效性。
4.液壓缸的耳軸部件、各軸套部件均增加絕緣，可有效防止各部件之間電流傳導(dǎo)，保證整體裝置的絕緣性。
5.擰頭移動架在銑削滑槽過程中要求進給量，避免因進給量過大造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生的零件變形，防止擰頭架運動中卡阻現(xiàn)象。
6.增加液壓鎖，在陽極調(diào)運過程中夾頭油缸應(yīng)始終處于夾緊自鎖狀態(tài)，并對液壓鎖的控制壓力及油缸密封件可靠性定期檢查調(diào)整。
深入對鋁電解多功能機組換極裝置的研究，是現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求和企業(yè)技術(shù)水平提升的重要方面。
[參考文獻]
1 成大先.機械設(shè)計手冊(第五版，第5卷) [M]，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.
2.宋錦春，蘇東海，張志偉.液壓與氣壓傳動[M]，科學(xué)出版社，2006.
3.張質(zhì)文.起重機設(shè)計手冊[M]，北京：中國鐵道出版社，1997.
4.GB/T 3811-2008，起重機設(shè)計規(guī)范[M]，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：中國有色（沈陽）冶金機械有限公司
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