0 引言
鋁電解多功能機組( 以下簡稱“鋁電解機組”) 是電解鋁生產工藝中的關鍵設備之一。其中，鋁電解機組中更換陽極機構(也稱“換極裝置”)作為重要的工具部件，主要負責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的整體結構較為復雜，在設計研制的過程中經歷了很長一段時間的探索和研究并多次進行設計更改，在優化設計的過程中系統功能得以進一步完善。國內早期的換極裝置主要通過氣動控制作為陽極更換機構的主要動力源來實現，首先通過氣缸的推動力將換極裝置活動架在固定架的導向作用下降至預定位置并采用陽極夾頭夾緊陽極導桿完成碳塊夾持，下一步動作是通過氣缸的推動力將擰頭部件的活動導桿在固定導桿的導向作用下降至預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的旋轉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)，擰頭部件易產生下滑現象而需在第二天作業時重新提升機構?，F今，鋁電解機組的更換陽極機構的升降裝置已被液壓驅動系統所取代，保證了機構在工作間歇期的背壓和工作平穩性，有效地防止機構的下滑。以下針對國內鋁電解機組中更換陽極機構的結構改進做出分析并同國外ECL鋁電解機組的更換陽極機構進行對比，提出更換陽極機構的改進措施。
1.換極裝置設計改進
更換陽極裝置是由夾頭升降機構、擰頭升降機構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。夾頭升降機構是由固定架、移動架、液壓缸等主要部件組成，夾頭升降機構依靠固定行程的液壓缸活塞桿的推動來實現，活塞桿一端同固定架的耳軸相聯接，另一端和移動架的耳軸采用銷軸相聯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向作用下移動。擰頭升降機構同夾頭升降機構在工作原理上一致，采用氣缸推動使之擰頭架準確定位并完成同小盒夾具螺栓的配合，馬達旋轉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夾具的松開。
更換陽極機構工作流程: 鋁電解機組運行至電解槽上部指定位置，移動換極機構至殘極碳塊正上方，夾頭升降機構由液壓油缸推動至指定高度，陽極夾具機構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(如圖1，左圖)。隨后，擰頭機構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桿同小盒夾具完全配合，當擰頭部件定位穩定后通過馬達旋轉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和小盒夾具同時提升至車間內的殘極放置區，完成殘極碳塊更換的全過程。當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，轉動液壓馬達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 夾頭升降機構和夾具機構動作，擰頭升降機構和擰頭機構動作。
從以下幾個方面分析，更換陽極機構的結構改進設計。
1.1 動力源的設計改進
早期的動力源采用氣動系統控制，易造成運行不平穩、機構背壓不足致使機構下滑，氣囊易損壞帶來頻繁更換等問題。其中，更換陽極機構中擰頭升降機構由四鍵缸、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升降和夾具夾緊動作，同時擰頭部件的回轉依靠液壓馬達來實現。在實際的應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。二是換極機構在夜間間歇性作業時，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的穩壓背壓，造成陽極機構及擰頭架的下滑現象，降低了系統功能的完善性?，F今的設計采用液壓系統控制機構的升降代替氣動控制作為主動力源，在設備安裝調試現場通過液壓系統控制來實現液壓缸的動作和通過調節平衡閥來控制液壓缸的背壓，優點有以下兩個方面。
(一)、夾具開閉采用單作用液壓缸執行動作且靠彈簧的回彈力復位，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調壓設定5MPa的背壓來避免換極機構的大幅度下滑現象。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小時內活塞桿伸出量不得超過50毫米。雖然在原設計基礎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定較高，功率瞬間增加顯著，系統壓力過大使現場在使用時常出現擰頭架彎曲變形現象。為防止擰頭架由于系統壓力過高而致變形的現象發生，在擰頭架外側支撐板和橫向加強筋板中部增加加強筋，提高吊裝孔兩側焊接板的剛度，減少卡板支撐板的變形且增強兩支撐板中部加強結構的焊接強度。
(二)、擰頭架在更換陽極機構工作流程中主要實現動力傳遞(升降油缸和液壓馬達)、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生沖擊且由于操作者經驗不同，對卡板是否接觸到位確定不準確，造成反復升降卡板來調整卡板的接觸位置，故而作為卡板支撐件的擰頭架，經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)。以往設計的擰頭部件采用氣缸作為升降動力，主要是考慮機組經濟性和空壓機設備利用率，但現場使用反饋顯示，氣缸位置保持性、平穩性和響應性相對較差。為此，機組更換陽極機構的擰頭架升降均改為液壓系統控制較為優化。
1.2 擰頭升降油缸位置的設計改進
鋁電解機組換極裝置中擰頭升降機構原設計是將液壓缸放置在移動架的內側，可保證移動架在液壓缸的推動下沿導向方向運行?，F有的更改設計是將擰頭升降油缸設定在移動架和固定架的外側，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，可有效節省設備空間(如圖2)。
圖2 早期擰頭機構升降油缸在移動架內側，改進后擰頭機構升降油缸在移動架外側。
同時效仿法國ECL鋁電解機組，將擰頭升降油缸設定在移動架的外側，便于設備檢修的同時，節省了設備占用空間使結構更加緊湊(如圖3)
圖3 法國ECL電解車的換極裝置結構
1.3 擰頭架防顫動的設計改進
鋁電解機組擰頭架原設計采用四個螺栓把合的預緊力來維持擰頭架和陽極支架的聯接，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生晃動，擰頭架中擰頭座的導向輥始終保持沿陽極夾具中的導板移動，以便起到導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，現場應及時調整液壓馬達輸出轉矩達到規定值，并用扭矩測量儀檢測扭力矩，當扭力較大的情況下，擰頭架更易產生晃動現象，前期的改進措施之一是通過更改陽極擰頭的旋轉花鍵軸材質來提高擰頭強度。由于螺栓摩擦力相對擰頭移動架運動產生的拉力較小，時常產生擰頭架晃動和螺栓的預緊力不足造成頻繁螺栓脫落和頻繁更換螺栓的現象，為客戶生產造成不便。
現今，通過借鑒法國ECL電解車的彈簧平衡裝置，將換極機構同擰頭架的聯接采用在換極機構的上部加裝固定的吊架并采用銷軸裝配聯接。同時，加裝活節螺栓和彈簧機構來維持兩部件之間的平衡，當彈簧受拉或受壓時，靠彈簧力將擰頭架在外力沖擊下復位并在導向輥導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面，節省了馬達后部空間并保證系統運行的有效性。
圖5 擰頭架的結構形式
現今做出進一步設計，將原僅靠螺栓預緊力來維持預緊的現象更換為固定架上把合相配套的耳軸連接。同時，擰頭架中的空心導套、花鍵軸與上、下部分聯軸器之間的聯接原為彈簧銷軸聯接，時有發生彈簧銷退出、擰頭脫落現象，現更改為40Cr銷軸聯接，增加了系統的可靠性，保證了擰頭架固定導桿同液壓缸耳軸的有效聯接。
1.4 絕緣系統的設計改進
鋁電解機組換極裝置的絕緣系統中，早期設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(電流產生運動)并通過陽極移動架傳導至擰頭架部件的上部而至整個換極機構，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，保證整體裝置的絕緣性。
1.5 擰頭移動架卡阻的設計改進
鋁電解機組換極裝置的擰頭架固定導桿采用材質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力集中而產生零件的變形。在固定架同移動架的相對運動過程中，因應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象且易產生刮碰液壓缸平衡閥的現象，專業的液壓生產廠家已重新設計，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。
后續可建議采用打殼機構中滾輪的運動方式來設計固定導桿和移動導桿間的相對運動，防止移動導桿的偏移。
1.6 陽極夾具的設計改進
夾頭對位不準或夾持陽極途中夾頭自行打開而出現非常危險的掉塊情況。對位不準主要是對位卡板調整不到位或調整支座及調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。陽極調運過程中夾頭油缸應始終處于夾緊自鎖狀態，液壓鎖的控制壓力及油缸密封件可靠性應定期檢查調整。
2.結論
鋁電解多功能機組換極裝置的設計優化后運行更加靈活、安全、可靠,克服了以往機構的缺點,總結如下：
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.將擰頭升降油缸設定在移動架和固定架的外側，便于在使用過程中的維護、維修。同時，液壓缸在移動架上，可有效的節省設備空間。
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面，節省了馬達后部空間并保證系統運行的有效性。
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，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力集中而產生的零件變形，防止擰頭架運動中卡阻現象。
6.增加液壓鎖，在陽極調運過程中夾頭油缸應始終處于夾緊自鎖狀態，并對液壓鎖的控制壓力及油缸密封件可靠性定期檢查調整。
深入對鋁電解多功能機組換極裝置的研究，是現代化生產的需求和企業技術水平提升的重要方面。
[參考文獻]
1 成大先.機械設計手冊(第五版，第5卷) [M]，北京：化學工業出版社，2008.
2.宋錦春，蘇東海，張志偉.液壓與氣壓傳動[M]，科學出版社，2006.
3.張質文.起重機設計手冊[M]，北京：中國鐵道出版社，1997.
4.GB/T 3811-2008，起重機設計規范[M]，北京：中國標準出版社，2008.
431
0 
分享 0
舉報 0
收藏 0
反對 0
點贊 0
中冶有色技術平臺
換一批
評論 （0條）