真空抬包吊装横梁旋转驱动装置研发设计

张佳亮

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司， 辽宁 沈阳 110141)

0 引言

真空抬包是用于从电解槽内吸出铝液运送至铸造车间的专用设备，抬包吊装横梁的自由旋转能够决定吸出铝液的效率的高低，吊装横梁旋转驱动装置是为了自动旋转横梁而设计的专业驱动装置，自动旋转不但减轻了人工旋转横梁的劳动强度，也提高了抬包吸铝的效率。

1 背景

真空抬包的倾翻机构是采用蜗轮蜗杆传动的，传动比很大，处以自锁状态。根据抬包现场使用状况及抬包清理工艺过程，抬包在吸铝和转运过程中，抬包和吊装横梁都是直立的，不允许倾斜；在倒出铝水时是抬包倾翻；在清理抬包包体时，当包体被吊至清理机上清理之前，需要将吊装横梁旋至包体一侧躲开包口，以便进行包体内侧清理；当包体内侧被清理完后，需要将吊装横梁旋回至直立吊装位置。但无论是抬包倾翻还是吊装横梁回至直立吊装位置，都需要有外力驱动才能实现，即：驱动抬包手轮转动。

目前在国内，吊装横梁的旋转基本都是人工来完成的，即使是抬包倾翻机构中带电机，但抬包本身是不带电源的，旋转吊装横梁时也必须每次都由人工外接电源来实现，工人劳动强度大，生产效率低。国内市场上还没有能使抬包吊装横梁机构自动旋转的设备。

2 真空抬包结构及原理简介

2.1 真空抬包结构组成

真空抬包主要由吊装横梁、包盖、吸铝管、包体、蜗轮蜗杆减速、手轮、出铝管等部分组成[1]。其外形结构及组成如图1所示。

图1 真空抬包结构组成图

2.2 真空抬包的工作原理

真空抬包在电解铝行业应用非常广泛，是电解铝操作必备的重要设备之一。它是用钢铁外壳内衬耐火材料制成的较大型密封容器，靠包盖上自带的负压产生装置，使抬包内产生一定的真空度，以把冶炼好的液态铝从电解槽内抽出并转运至其它地方。真空抬包的吸入口和倒出口分别布置于包体的前后，在进行吸入和倒出动作时，均需要使用起吊设备经吊装横梁吊起真空抬包，使抬包倾转一定角度，并随着包内液面高度的变化而缓慢调整倾转角度。

2.3 真空抬包的倾翻形式

根据有色金属冶炼行业的应用特点，抬包在倾转过程中一定要平稳，不能有轻微晃动。因此，倾转机构需要克服较大的承重并要平稳缓慢倾转，任何位置都能自锁。目前在世界上，真空抬包的倾转，普遍采用的是蜗轮蜗杆传动方式，速比范围在191.9～5 394之间，分为手动倾转和电动倾转两种。当采用手动方式倾转时的作用力一般为20 kg左右，图1即是手动倾转方式的真空抬包。

3 结构设计与计算

下面主要从吊装横梁旋转驱动装置的动作分析、动力确定、机构结构确定、参数计算确定等几方面的设计过程进行论述。

3.1 动作分析

驱动装置的工作步骤要求是这样的：装置前进→旋转抬包手轮使吊装横梁由直立吊装位置转至抬包一侧→装置后退→装置再前进→反向旋转抬包手轮使吊装横梁转回直立吊装位置→装置后退，完成一个工作循环。要想使抬包吊装横梁自动旋转，必须使抬包倾翻机构的手轮自动实现自传的同时还要公转。

下面详细描述一下驱动装置的整个动作要求，根据铝包清理机现场实际布置情况，驱动装置的整个工作过程，必须要完成以下动作：

(1)整个装置要能自动前进、后退，即吊装横梁需旋转时驱动装置前进，否则后退至非工作位置，以免影响铝包清理机的正常工作。

(2)驱动装置上要有一套动力机构，在使抬包手轮旋转的同时，这套机构要能随着手轮一起以涡轮圆心为轴心运动，即：它能带动抬包手轮一起自转的同时又能随着手轮以涡轮圆心为轴心沿着手轮中心轨迹移动，此时驱动装置是固定的。

3.2 动力的确定

吊装横梁旋转驱动装置，是抬包包体清理过程中的一个辅助设备，必须安放在铝包清理机的一侧。铝包清理机的动力源是液压站，所有动作的完成都是靠液压来驱动完成。那么，驱动装置的动力源就应该首选液压驱动，而且可以和铝包清理机共用一个液压站。因为，按铝包清理机的工作程序，清理抬包的时候吊装横梁不允许旋转，抬包横梁旋转时不能清理抬包，即铝包清理和驱动装置不能同时工作，因此驱动装置可以直接利用铝包清理机的液压站，节省了一套动力设施，这样既方便，又大大降低了设备成本。

3.3 机构的确定

3.3.1 拨动机构——拨动抬包手轮转动的机构

根据动作分析，拨动机构要使抬包上的手轮旋转，就要随着手轮旋转并不断给手轮提供动力，即旋转过程中机构不能离开手轮。为此，一是要有动力，前面已经叙述过了，驱动装置的动力源是液压站，为了满足旋转要求，我们选用液压马达来驱动；二是要有着力点，抬包手轮的结构已经固定，分析手轮的结构特点，要使手轮转动，最简单可行的办法，就是直接拨动手轮的横支撑。所以机构中要有能与手轮支撑接触的直杆。因为手轮的位置是随机的，手轮上横支撑的位置也是随机的。要使直杆与手轮上横支撑的接触机率最大化，直杆的数量不能少于手轮支撑的数量。直杆在液压马达的带动下转动，从而拨动抬包手轮转动。三是拨动机构的旋转中心要与手轮的旋转中心一致。

3.3.2 拨盘公转机构——带动拨动机构随着手轮一起，以涡轮圆心为轴心沿着手轮中心运动轨迹移动真空抬包手轮自身有一套传动机构，拨动机构是另一套传动机构，两套机构分别在两个设备上，要实现两套机构动作完全统一、运行轨迹一致，这是非常困难的。首先，在保证拨动机构的旋转中心与手轮的旋转中心一致的同时，还必须保证手轮公转中心与拨盘机构公转中心一致，同时还要保证两套机构所有的运动速度一致。最后，经过全面分析研究，采用通过抬包手轮的公转运动带动拨动机构一起转动。即拨动机构拨动手轮转动的同时，自身被手轮公转时带动，一起随手轮运动。涡轮圆心O是手轮和拨动机构沿圆弧运动的公转圆心；O1是手轮和拨盘自身的自转中心，如图2所示。

图2 拨盘转动轨迹图

3.3.3 移动小车——带动拨动机构和拨盘公转机构前后运动的机构

根据铝包清理机现场实际布置情况，拨动机构和拨盘公转机构的工作位置距地面有一定的距离，要使两个机构在工作位置时能前后运动，还要保证运动过程中不偏移、不摆动，运行平稳，最好的方法就是把整个机构做成带动力的移动小车，将拨动机构和拨盘公转机构设置在小车上[2]。为了保证小车运动的平稳性，并降低小车运行时的动力消耗，小车必须有车轮[3]，并在固定的轨道中运行，由液压缸来驱动。

3.3.4 滑道基座——移动小车的运行轨道兼驱动装置基座

按正常设计，驱动装置是安放在铝包清理机的一侧，滑道基座应该固定在铝包清理机一侧的地面上。但考虑到驱动装置的安装位置精度，将滑道基座与铝包清理机基座连在一起最为合适。因此，轨道可直接固定在铝包清理机的机座上。

综上所述，驱动装置的所有机构已完全确定，整体驱动装置主要由拨动机构、拨盘公转机构、移动小车、滑道基座四部分组成。驱动装置结构简图如图3所示。

图3 驱动装置结构图

4 参数的选择确定

4.1 油缸行程L

根据铝包清理机结构布置情况，拨盘机构与铝包清理机之间的最小距离，不能小于400 mm，否则会影响铝包清理机的正常操作。所以确定油缸行程：L=400 mm[4]。

4.2 油缸驱动力F

油缸所需的驱动力F，主要是克服移动小车前后运动时，小车自重m产生的摩擦力。即[5]：

F=μmg=0.06×1 000×9.8=588N

式中F—油缸的驱动力，N；

μ—摩擦系数；查资料[5],钢与钢之间的滚动摩擦，取μ=0.06；

m—移动小车的自重kg，移动小车的总重量m=1 000 kg；

g—重力加速度9.8 m/s。

考虑可能出现的各种偏差，如机械、液压设计制造偏差、液压管路中的压力损失、设备使用安全系数等，所以确定油缸的额定工作压力：F=1 000 N。

4.3 液压马达转动力矩M

对拨动机构、拨盘公转机构的机械设计结构进行分析，两种机构在运动过程中所要克服的阻力，就是马达所需要的最小转动力矩。它主要由以下几方面组成：抬包手轮的转动力矩M1；拨动机构和拨盘公转机构在随着手轮一起公转时，其自身重量产生的力矩M2；吊装横梁重量产生的阻力矩M3；液压马达克服前述的三种力运动时，在公转轴心处产生的摩擦力矩可忽略；即：M=M1+M2+M3。

M1：根据生产铝包厂家提供的数据，6 t抬包手轮外圆旋转力矩为95 N·m，即M1=95 N·m。

M2：拨动机构和拨盘公转机构在随着手轮一起公转时，其轨迹是一段圆弧线，O是两个机构的公转中心；O1是吊装横梁在直立吊装位置时，两个机构的自转中心；O2是吊装横梁被旋转至抬包一侧，铝包清理机工作时，两个机构的自转中心[5]，如图4所示。

图4 拨盘公转弧线图

式中m—两个机构的总重量，kg；按设计所得，m=40.52 kg；

R—公转半径，m，实际测量得R=0.495 m；

g—重力加速度，9.8 m/s；

θ1—公转中心半径与水平方向的夹角；按最不理想状态考虑，即：取拨动机构运动产生的最大力矩处，θ1=45°；

M3—按工作过程中，吊装横梁最大倾角时计算，此时吊装横梁与水平方向的夹角为45°，即：

M3=m3gR3cosθ2=G3gR3cosθ2=80×9.8×1.1×cos45≈610 N·m

式中m3—吊装横梁的重量，kg；实际测量m=80 kg；

R3—吊装横重心旋转半径，m，实际测量得R3=1.1 m；

G—重力加速度，9.8 m/s2；

θ2—吊装横梁与水平方向的最大倾斜角，实际测量得θ2=45°。

所以：M=M1+M2+M3=95+139+610≈844 N·m。

考虑可能出现的各种偏差，如机械、液压设计制造偏差、液压管路中的压力损失、设备使用安全系数等，选择液压马达转动力矩：M=1 500 N·m。

5 结论

真空抬包吊装横梁旋转驱动装置使出铝作业和铝包清理工作的生产效率得到进一步突破和提高，对行业内产品的科技创新、升级换代将起到良好的带头作用。同时，吊装横梁旋转驱动装置所涉及的技术，不但填补了该行业的空白，对无人化车间的发展进程也起到了极其重要的推动作用。