高澤宇 王 勇 楊支海 李恒通 張元清

(1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北礦機電科技有限責任公司，北京 100160；3.云南馳宏鋅鍺股份公司會澤冶煉分公司，云南 會澤 654211)

陰極板運載裝置是全自動剝鋅機組作業(yè)流程中的關鍵設備之一，和自動行車一起用于陰極板在電解槽和自動剝鋅機組之間的轉運工作，即完成鋅電積的陰極板通過自動行車吊運至陰極板放板架，然后通過陰極板運載裝置輸入至自動剝鋅機組進行鋅片剝離。完成鋅片剝離后的陰極板再通過陰極板運載裝置輸出至放板架，然后通過自動行車吊運回電解槽重新開始電積作業(yè)[1-3]。通過運載裝置運輸陰極板，能夠保障剝鋅機組供板過程和陰極板行車放板過程沒有硬連接，使兩者作業(yè)相互獨立互不影響，從而提高剝鋅機組及陰極板行車的作業(yè)效率[4]。

在實際生產(chǎn)過程中，電積車間的運載裝置通過將陰極板導電梁懸掛于運載裝置的舉升機構上的方式，帶動整吊或部分陰極板，進行一次或多次的轉運，來完成一吊陰極板在放板架與自動剝鋅機組之間的轉運工作[4]。由于運載裝置帶板運動時運行的距離長、運行速度快、負載重量大，運載裝置為了滿足生產(chǎn)效率的需求，需要通過較大的加速度來完成快速啟停的過程，并進行精確的定位。但運載裝置快速啟停時的加減速運動會使懸掛于運載裝置上的陰極板由于慣性而產(chǎn)生較大的擺幅，從而導致運載裝置在放置陰極板時發(fā)生陰極板掉落等故障，造成設備停機、陰極板損壞，甚至設備本身的嚴重損傷。因此，對陰極板擺動的抑制對于保證自動剝鋅機設備的運行安全穩(wěn)定，以及提升運載裝置的工作效率有重要的意義。

本文結合全自動剝鋅設備的主體結構和作業(yè)流程，以及陰極板運載裝置的結構與技術參數(shù)，針對加減速運動時的慣性特性，進行了擺動抑制原理的分析，建立運載裝置在快速制動過程中，陰極板擺動角度隨運載裝置加速度變化的擺動模型，并進行仿真分析與試驗測試。

1 作業(yè)流程介紹

鋅電積作業(yè)通常采用3.2 m2的大極板進行，每槽有114塊陰極板，相鄰陰極板的間隔距離為90 mm[5]。在電積車間的實際生產(chǎn)過程中，電積陰極板的出槽是固定的奇偶方式分布，即每次取相隔的陰極板，取出的陰極板之間的間隔為180 mm[5，6]。現(xiàn)場每套自動化剝鋅設備配備2臺運載裝置：剝鋅線上的運載裝置進行送板作業(yè)，將帶鋅片陰極板從放板架運輸?shù)絼冧\傳輸鏈；刷板線上的運載裝置進行取板作業(yè)，將刷洗后的陰極板從刷洗傳輸鏈運輸?shù)椒虐寮?。陰極板行車每吊的陰極板數(shù)量為57塊，排列長度為10.3 m。運載裝置一次最多可運輸19塊陰極板，運載裝置需用3次運輸來完成[7]。陰極板運載裝置送板作業(yè)過程如圖1所示，取板作業(yè)流程與之相反。

圖1 陰極板運載裝置送板作業(yè)流程示意圖[7]

運載裝置在工作過程中不斷進行循環(huán)往復運動.以圖1所示的設備布置下的取板過程為例，當天車將一吊陰極板放置在放板架上后，運載裝置從放板位置行進至第1次運輸位，通過絲杠電機驅動陰極板托架一次托起19塊陰極板，上升到高位，通過電機減速機驅動運載裝置的車輪轉動，承載19塊陰極板向左勻速運行，直至到達運載裝置放板位置，再通過絲杠電機驅動陰極板托架下降到低位，將19塊陰極板放到剝鋅傳輸鏈的鏈條齒槽處，最后，電機減速機驅動運載裝置的車輪轉動，運載裝置空載向右勻速運行，直至達到第2次運載裝置取板初始位置。通過如上的不斷循環(huán)，運載裝置將一吊陰極板全部輸入至自動化剝鋅設備中。陰極板運載裝置如圖2所示。

圖2 陰極板運載裝置示意圖[7]

陰極板運載裝置總質量M運為2 100 kg[5]。陰極板為長1 760 mm、寬1 000 mm、厚8 mm的密度均勻的矩形鋁制薄板，每塊不帶鋅片的陰極板重為40 kg。經(jīng)過鋅電積后，陰極板兩側每一側會形成厚度為3～4 mm的鋅片，通過現(xiàn)場實際測量，每塊帶鋅的陰極板平均重量MZn為120 kg，運載裝置滿載19塊陰極板后的總質量M總為4 380 kg。

2 擺動抑制原理

慣性是物體保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的性質，表現(xiàn)為物體對其運動狀態(tài)變化的一種阻抗程度[8]。當運載裝置負載陰極板進行水平運動啟動與制動時，陰極板會由于運載裝置的加速度變化引起的慣性而發(fā)生較大幅度的晃動。在實際工作中，陰極板運載裝置負載陰極板被舉升至高位后，先進行加速運動，達到設定速度后進行勻速運動，到達設定位置后進行減速運動，運載裝置停在設定位置后，將陰極板下降至放置架或送板鏈鏈條的齒型槽上。由于運載裝置水平位移距離長，勻速運動的時間長，因此運載裝置啟動時造成的陰極板晃動對系統(tǒng)影響較小。但在運載裝置進行制動時，由于其負載后總質量大，慣性大，若制動力較小，則會導致制動時間過長，從而影響整個剝鋅系統(tǒng)的工作效率；若制動力較大，則會導致陰極板擺動幅度過大，從而導致放板時陰極板的導電梁無法快速準確地滑入齒槽內，發(fā)生掉板故障。因此，對運載裝置制動時的陰極板擺動抑制是十分重要和必要的。

懸掛于運載裝置上的陰極板在擺動過程中，若運載裝置再次受到水平方向的外力，基于慣性的固有屬性，陰極板的擺幅會根據(jù)陰極板擺動的位姿和水平外力的方向而疊加或消減。因此，可以通過二次變速制動的方式對陰極板的擺動進行抑制，即通過二次制動來減弱或抵消陰極板由第1次制動過程而引起的擺動。同時，二次變速制動的方式可以使運載裝置在第1次制動過程中承受更大的制動力，縮短運載裝置的制動時間，提高整個剝鋅系統(tǒng)的效率。

陰極板擺動抑制示意圖如圖3所示。以運載裝置負載陰極板向左水平運動時制動為例：陰極板導電梁懸掛于運載裝置的陰極板托架上。當運載裝置在向左以速度v0做勻速運動的過程中，陰極板保持鉛直靜止狀態(tài)。當運載裝置以加速度a1進行制動時，運載裝置受到向右的制動力，懸掛在運載裝置陰極板托架上的陰極板由于慣性，向左發(fā)生擺動，最大擺角為θ1。在制動過程結束的時刻，制動力消失，此時陰極板在重力G和空氣阻力f的作用下，進行往復擺動運動。當陰極板擺動到右側，擺角為θ2處時，運載裝置再次以加速度a2進行制動直至運載裝置停止運行。運載裝置受到向右的制動力，此時擺動至右側的陰極板從而再次由于慣性，消除第1次制動時由慣性而引發(fā)的擺動，從而實現(xiàn)擺動的抑制。

圖3 陰極板擺動抑制示意圖

電積鋅后的陰極板可視為密度均勻的矩形薄板，其質心位于陰極板的幾何中心。加速度a1進行第1次制動時，在制動力的作用下，單塊陰極板向左擺動至θ1時，有：

(1)

在制動力持續(xù)作用的情況下，陰極板擺動θ1max時，陰極板因受力平衡而不再擺動，θ1max為：

(2)

式2中，MZn為帶鋅陰極板的平均質量，kg；t1為運載裝置的制動時長，s；a1為制動時的加速度，m/s2；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2；l為陰極板重心到懸掛點的距離，m；f1為第1次制動時陰極板擺動所受到的空氣阻力，N。f1可表示為：

(3)

式3中，vk為陰極板與空氣的相對速度，單位為m/s；S為陰極板的迎風面積，單位為m2；C為阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，單位為kg/m3。ρ可表示為[9]：

(4)

式4中，P為空氣壓力，Pa；Te為濕空氣的絕對溫度，K；φa為空氣的相對濕度；Ps為飽和水蒸氣分壓力，Pa。

在制動過程結束時，制動力消失，此時陰極板在重力G和空氣阻力f2的作用下向右擺動，其動力學方程可表示為：

(5)

(6)

在弱阻尼情況下，具有振幅衰減的形式解[10]為：

θ=θ1e-β tsin(ωλt+φ)

(7)

式7中，φ為初始相位；β為衰減因子；ωλ為基波角頻率，其中

(8)

可通過式7求得陰極板擺動至右側擺角為θ2處時所需的運動時間t′。此時，運載裝置再次以加速度a2進行制動直至運載裝置停止，制動時間t2與加速度a2滿足：

(9)

(10)

因此，通過設定第1次制動加速度a1、第1次制動時間t1、陰極板擺動時間t′、第2次制動加速度a2、第2次制動時間t2，即可實現(xiàn)運載裝置在制動過程中對陰極板擺動的抑制。

3 仿真與試驗分析

實際生產(chǎn)過程中，為保證在放置陰極板時不發(fā)生掉落等故障，陰極板的擺動幅度通常不能超過30 mm，即最大擺角θmax不能超過0.017 rad。每塊帶鋅的陰極板平均重量MZn為120 kg。陰極板長1.76 m、寬1.00 m，面積為1.76 m2，陰極板重心到懸掛點的距離為0.88 m。運載裝置負載陰極板后，水平勻速運動時的速度v0為0.5 m/s。

采用二次變速制動的陰極板擺動抑制方法，以運載裝置負載陰極板向左水平運動時制動為例計算。在t=0時刻對運載裝置進行制動，設定制動加速度a為0.5 m/s2，方向向右。g為重力加速度，則由式1可知，陰極板向左擺動時的最大擺角θmax為0.050 98 rad。

在陰極板擺動的過程中，陰極板與空氣的相對速度vk為0.25 m/s，阻力系數(shù)C為1.15(通過查詢機械工程手冊[11]可知)。通過現(xiàn)場測量計算[9]，空氣壓力P為102 kPa，濕空氣的絕對溫度T為290.75 K，空氣的相對濕度φa為58.9%，飽和水蒸汽分壓力Ps為0.65 kPa。由式4可得，空氣密度ρ為1.195 kg/m3，空氣阻力f1為0.076 N。根據(jù)式1可知，當制動時長t1為0.32 s時，陰極板擺角可至θmax。

設定第1次制動時間t1為0.5 s，制動結束時，運載裝置繼續(xù)向左勻速運動，速度v0′為0.25 m/s。此時，陰極板在重力和空氣阻力的作用下向右擺動，由式7可得，陰極板擺動至右側最大擺角處的時間t擺為0.9 s，擺角θ2為0.050 93 rad。

設定陰極板擺動時間t′為0.9 s，運載裝置此時進行第2次制動，據(jù)式9和式10計算，可得制動加速度a2為0.35 m/s2，方向向右，第2次制動的制動時間t2為0.72 s。

按如上參數(shù)設定，使用二次變速制動的方法，運載裝置在制動過程中的陰極板的擺動角度、運載裝置的運行速度、以及運載裝置的制動距離隨時間的理論變化如圖4所示。

如圖4所示，在制動過程結束時，陰極板的擺角在0 rad小幅震蕩。通過理論計算可知，運載裝置總制動時間為2.12 s，制動距離為0.52 m。

圖4 二次變速制動時各參數(shù)隨時間的變化仿真圖

在采用常規(guī)制動方式時，若滿足與二次變速制動方法相同的制動時間，即制動時間tN為2.12 s，則所需的制動加速度aN為：

(11)

aN為0.24 m/s2，方向向右。此時陰極板的最大擺動角度為0.024 5 rad，大于最大擺角θmax。若滿足陰極板的擺動角度小于θmax，則運載裝置所能承受的最大制動加速度aNmax為：

aNmax=gtanθmax

(12)

經(jīng)計算，aNmax為0.16 m/s2，方向向右。此時制動時間tN為3.13 s，制動距離為0.78 m。相比之下，使用二次變速制動方法進行制動時，制動時間減少了32.2%，制動距離減少了33.3%。

按照上述參數(shù)對a1、t1、t′、a2和t2進行設定后，使運載裝置負載陰極板進行現(xiàn)場試驗測試。通過測量陰極板在擺動時，陰極板下端偏離中心位置的距離de來計算陰極板的擺角θ為：

(13)

制動過程中擺角θ的實車測量與理論計算仿真數(shù)據(jù)圖如圖5所示。陰極板運載裝置采用二次變速制動的方法進行制動時，其所負載的陰極板擺動規(guī)律與仿真結果一致。從圖5也可看出，當運載裝置完成制動過程停止運動后，陰極板仍有小幅度的擺動。這是因為，在運載裝置停止時，所懸掛的陰極板在鉛直位仍存在有小的擺動角速度而造成的，但由于該擺動幅度很小，并不會造成掉板等故障發(fā)生，可以忽略不計。同時，雖然現(xiàn)場的酸霧較重，空氣密度和阻力系數(shù)的變化較大，但對于運載裝置和陰極板擺動的運動過程影響較小，可以忽略不計。該組參數(shù)可應用于現(xiàn)場的實際生產(chǎn)過程。

圖5 制動過程中擺角θ的實車測量與理論計算仿真數(shù)據(jù)圖

4 結論

采用二次變速制動方式的陰極板運載裝置，在其負載陰極板進行制動時，運載裝置的制動時間可減少32.2%，制動距離減少33.3%，可有效抑制陰極板在運載裝置快速制動時的大幅度擺動，解決陰極板在放置時因擺動而極易發(fā)生掉落，以及運載裝置在快速制動的情況下無法精準定位的問題，有望提高生產(chǎn)效率，降低人工和運營成本，結果可為實現(xiàn)濕法鋅冶煉全流程自動化以及建設智能化工廠奠定基礎。