旋流電解裝置自動(dòng)成組開(kāi)合蓋技術(shù)研究

孫慧平，鄭 超，朱楊俊，謝海杰

（1.寧波工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,浙江寧波315000;2.寧波海伯精工機(jī)械有限公司,浙江寧波315800）

旋流電解裝置自動(dòng)成組開(kāi)合蓋技術(shù)研究

孫慧平1，鄭 超1，朱楊俊1，謝海杰2

（1.寧波工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,浙江寧波315000;2.寧波海伯精工機(jī)械有限公司,浙江寧波315800）

介紹了一種旋流電解裝置的管蓋自動(dòng)成組開(kāi)合技術(shù)及設(shè)備。該設(shè)備采用傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鎖緊機(jī)構(gòu)的自動(dòng)定位,采用氣動(dòng)浮動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了槽蓋中心位置誤差大、自動(dòng)對(duì)中難的問(wèn)題,柔性帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)保證了每個(gè)槽蓋的開(kāi)合力矩的均勻,從而實(shí)現(xiàn)了快速開(kāi)啟與合上成組管蓋,解決了人工開(kāi)合蓋勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作工人易受強(qiáng)腐蝕性電解液傷害的問(wèn)題。

旋流電解;開(kāi)合蓋;自動(dòng)成組；傳感技術(shù)；氣動(dòng)浮動(dòng)結(jié)構(gòu)；柔性帶傳動(dòng)

0 引言

旋流電解技術(shù)是利用溶液旋流工作方式對(duì)有價(jià)金屬進(jìn)行選擇性電解的新技術(shù),特別適合于冶金行業(yè)低濃度、成分復(fù)雜溶液的選擇性電解分離和提純,以及廢水中重金屬離子的剝離。旋流電解技術(shù)可有效改善傳統(tǒng)平板式電解技術(shù)在電解過(guò)程中電解電流密度小、電流分布不均勻、溶液除雜難度大、工藝流程長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高、總體效率低等問(wèn)題[1-3]。

由于旋流電解溶液實(shí)行閉路循環(huán),因此生產(chǎn)過(guò)程中基本沒(méi)有有害氣體的排放,有利于環(huán)境保護(hù)。但在打開(kāi)管蓋取料時(shí),管路中或多或少的殘留氣體會(huì)迫使強(qiáng)腐蝕性的電解液在管蓋打開(kāi)的瞬間噴出,從而傷害操作工人。另外,手工逐個(gè)打開(kāi)、移走、裝上和鎖緊管蓋需要施加比較大的力矩才能保證管路的密封性,為保證能夠承受管路內(nèi)的工作壓力,管蓋也需要有比較大的質(zhì)量,操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。因此,開(kāi)發(fā)一種可以成組打開(kāi)和合上管蓋的技術(shù)裝備,對(duì)增強(qiáng)旋流電解生產(chǎn)的安全性具有重要意義。

1 旋流電解裝置的結(jié)構(gòu)組成

旋流電解裝置的結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。

圖1 旋流管的基本組成

旋流電解在圖1所示的旋流管中完成,每個(gè)旋流管由旋流管蓋、連接法蘭、電解筒和電解液控制閥門(mén)等組成。每個(gè)旋流管可以獨(dú)立工作,但在工業(yè)應(yīng)用中,為達(dá)到設(shè)定的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量、便于控制電解過(guò)程,通常將24個(gè)旋流管集中安裝,組成一個(gè)旋流電解裝置模塊,然后根據(jù)設(shè)計(jì)產(chǎn)量選取不同數(shù)量的模塊組成旋流電解生產(chǎn)車(chē)間。每個(gè)模塊中的24個(gè)旋流管分兩列布置,電解液循環(huán)管路連通每一個(gè)旋流管,并集中安裝在支架上,如圖2所示。

圖2 旋流電解模塊

連接法蘭用于旋流管和支架相連接,同時(shí)便于電解筒內(nèi)始極片和陽(yáng)極的安裝。旋流管蓋與連接法蘭采用類(lèi)似高壓鍋的內(nèi)外扣連接,端面密封,既保證了電解時(shí)的密閉性,也便于取料時(shí)打開(kāi)與裝上,管蓋如圖3所示。

圖3 管蓋

電解開(kāi)始時(shí)需要合上管蓋,使溶液在封閉的管路中邊旋轉(zhuǎn)邊析出有價(jià)金屬。在電解完成后,先排除溶液,再打開(kāi)管蓋取出緊貼在始極片上的管狀金屬成品。因此,開(kāi)合蓋是旋流電解必須完成的操作步驟,目前均由人工來(lái)完成。所謂自動(dòng)成組開(kāi)合蓋就是在沒(méi)有人工干預(yù)的條件下,一次性打開(kāi)12個(gè)或24個(gè)旋流管蓋,在取料后再一次性合上并鎖緊。

2 成組開(kāi)合蓋難點(diǎn)分析

1)旋流管由一段內(nèi)徑Ф212 mm、高1 600 mm左右的塑料管和兩端法蘭組成,并通過(guò)連接螺栓固定在焊接成形的支架上。由于塑料管與焊接支架的制造精度差、裝配誤差大,模塊中各旋流管間的中心距誤差和兩排旋流管的中心距誤差均達(dá)到±3 mm。為了順利打開(kāi)或合上管蓋,必須使開(kāi)合蓋機(jī)構(gòu)的施力中心與旋流管中心重合,否則由于偏心產(chǎn)生的附加力矩會(huì)導(dǎo)致管蓋打不開(kāi)或合不上。因此,能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)合蓋機(jī)構(gòu)的力矩中心在旋流管中心的快速定位,是成組自動(dòng)開(kāi)合蓋的關(guān)鍵之一。

2)旋流管及蓋都是PVC注塑成型零件,由于塑料的收縮率大,零件壁厚超過(guò)20 mm,冷卻收縮產(chǎn)生的形狀誤差非常大。這樣就導(dǎo)致圖3中加強(qiáng)筋的均布誤差、凸臺(tái)的中心與管蓋的外圓中心同軸度誤差也達(dá)到幾個(gè)毫米。另外,管蓋與法蘭的密封是通過(guò)端面壓緊實(shí)現(xiàn)的,圓周方向并沒(méi)有配合與定位要求。因此,每次開(kāi)合后的管蓋的中心均是變動(dòng)的,增加了保證開(kāi)合蓋力矩中心通過(guò)管蓋中心的難度。

3)為保證整個(gè)旋流電解裝置能夠耐強(qiáng)酸腐蝕,旋流管蓋和法蘭均不得有鋼鐵等材料,故無(wú)法采用電磁吸附的方法連接開(kāi)合工具。同時(shí)，管蓋也沒(méi)有設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)用于固定開(kāi)合工具的結(jié)構(gòu),因此開(kāi)合工具如何抓牢旋流蓋,并保證在開(kāi)啟力矩、提拉力矩的作用下不松脫、位置不移動(dòng),成為需要解決的另一個(gè)難題。

4)為保證開(kāi)合蓋的生產(chǎn)效率,同時(shí)降低整個(gè)自動(dòng)開(kāi)合蓋設(shè)備的成本,需要在一個(gè)動(dòng)力源的作用下打開(kāi)或合上一組旋流管蓋。如何保證每個(gè)管蓋的反作用不會(huì)影響力的施加,不會(huì)因每個(gè)管蓋摩擦力的不同而造成無(wú)法一次性打開(kāi),是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)合蓋的第四個(gè)難點(diǎn)。

3 自動(dòng)成組開(kāi)合蓋的解決方案

針對(duì)上述開(kāi)合蓋難題,本文設(shè)計(jì)了如圖4所示的開(kāi)合蓋機(jī)構(gòu)。

圖4 開(kāi)合蓋機(jī)構(gòu)示意

圖4所示的開(kāi)合蓋機(jī)構(gòu)由吊鉤、安裝支架、主從動(dòng)錐齒輪、氣缸、齒形帶及齒形帶輪、回轉(zhuǎn)氣缸、可升降扳手、氣漲套等組成,其工作步驟如下：

1)12組開(kāi)合蓋機(jī)構(gòu)呈直線狀固定在安裝支架上,其理論間距與旋流管間距相同。安裝支架上設(shè)有兩吊鉤用于和行車(chē)相聯(lián),移動(dòng)行車(chē)可使開(kāi)合蓋設(shè)備移動(dòng)到任意需要取出電解筒料的旋流管模塊上方。

2)移動(dòng)到位后開(kāi)合蓋設(shè)備整體緩慢下降,當(dāng)內(nèi)置于可升降扳手下端的傳感器與旋流管蓋的加強(qiáng)筋板接觸時(shí),傳感器得到信號(hào)啟動(dòng)回轉(zhuǎn)氣缸緩慢轉(zhuǎn)動(dòng),使可升降扳手轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。當(dāng)扳手兩翅狀鋼板到達(dá)加強(qiáng)筋間的空隙時(shí),傳感器信號(hào)消失,切斷回轉(zhuǎn)氣缸供氣。由于扳手的兩片鋼板與旋流管蓋加強(qiáng)筋之間的間隙可以做得比較大,可以使之非常容易地落入加強(qiáng)筋之間的間隙中。

3)在自重作用下，扳手下端與旋流管蓋底部接近時(shí),傳感器再次得到信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)先使氣漲套充氣,由于氣漲套是柔性材料,可以自動(dòng)消除不同心誤差,使?jié)q出的鍵條與旋流管蓋的Ф210內(nèi)孔漲緊并固定,然后再次啟動(dòng)回轉(zhuǎn)氣缸,使扳手與加強(qiáng)筋緊緊扣住。

4)開(kāi)合蓋機(jī)構(gòu)與旋流管蓋連接成一體后,啟動(dòng)氣缸拉動(dòng)齒形帶,帶動(dòng)齒形帶輪,再帶動(dòng)主從動(dòng)錐齒輪,使扳手轉(zhuǎn)動(dòng),打開(kāi)旋流管蓋。特別注意一點(diǎn),從動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向必須與回轉(zhuǎn)氣缸鎖緊方向相反。因?yàn)椴捎昧巳嵝缘凝X形帶,帶長(zhǎng)和齒形均有一定的變形量,可以消除12組開(kāi)合蓋機(jī)構(gòu)中心不在同一條直線上的誤差,順利帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

5)由于類(lèi)似高壓鍋的鎖扣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),每組旋流管蓋鎖緊的角度不同,打開(kāi)它需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也不同,所以每一個(gè)開(kāi)合蓋機(jī)構(gòu)的齒形帶輪需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度也不同。但所有的齒形帶輪是由一條齒形帶驅(qū)動(dòng)的,可能會(huì)產(chǎn)生已打開(kāi)或合上的管蓋繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),重新合上或打開(kāi)。為此,特別設(shè)計(jì)了定力矩銷(xiāo)機(jī)構(gòu),當(dāng)蓋打開(kāi)時(shí)或者沒(méi)有合上時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)所需的力矩很小,此時(shí)齒形帶輪在主動(dòng)錐齒輪上空轉(zhuǎn),使已打開(kāi)或合上蓋的部分機(jī)構(gòu)不再轉(zhuǎn)動(dòng),而還沒(méi)有打開(kāi)的部分機(jī)構(gòu)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),直到所有管蓋打開(kāi)。12組管蓋均打開(kāi)或合上時(shí),所需拉力會(huì)出現(xiàn)大幅變動(dòng),氣缸力矩傳感器采集到此變動(dòng)信號(hào)時(shí),切斷供氣、停止拉動(dòng)。

6)完成開(kāi)蓋后,直接引導(dǎo)行車(chē)上升,完成整個(gè)開(kāi)蓋過(guò)程。

7)合蓋過(guò)程與開(kāi)蓋過(guò)程類(lèi)似,行車(chē)到達(dá)旋流管模塊時(shí)下降,使管蓋對(duì)準(zhǔn)旋流管,轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)氣缸即可鎖緊。而壓緊管蓋與旋流管所需的力,整個(gè)裝置的自重已足以提供。管蓋全部合上后,氣漲套放氣和回轉(zhuǎn)氣反向微動(dòng),使設(shè)計(jì)與管蓋松開(kāi)后,再引導(dǎo)行車(chē)上升,離開(kāi)操作工位,即完成合蓋過(guò)程。

4 應(yīng)用實(shí)效

本設(shè)備已完成了樣機(jī)的試制,并進(jìn)行了初步的試驗(yàn)。其試運(yùn)行結(jié)果與人工操作相比,開(kāi)蓋時(shí)間節(jié)省了10%,而合蓋時(shí)間減少了30%,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 人工/自動(dòng)開(kāi)盒蓋時(shí)間對(duì)比 s

從開(kāi)合蓋時(shí)間上來(lái)看,使用自動(dòng)成組開(kāi)蓋與合蓋裝置所節(jié)省的時(shí)間有限,但對(duì)降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度與提高生產(chǎn)安全性效果顯著。以一個(gè)配置20個(gè)模塊的旋流電解車(chē)間一次開(kāi)蓋與合蓋為例進(jìn)行計(jì)算,每個(gè)蓋質(zhì)量約為5 kg,完成一次操作所需要搬運(yùn)的質(zhì)量為4 800 kg。因此,本裝置的成功研制具有重要的生產(chǎn)實(shí)際意義,可得出如下結(jié)論：1)采用氣動(dòng)控制方式可以實(shí)現(xiàn)旋流電解裝置的自動(dòng)化成組開(kāi)合蓋；2)成組開(kāi)合蓋技術(shù)及裝置可以有效地降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,保證安全生產(chǎn)；3）本設(shè)備可以有效改進(jìn)勞動(dòng)條件,使工人免受強(qiáng)酸強(qiáng)堿氣體的侵害。

[1]鄧 濤.旋流電解技術(shù)在銅電解凈化生產(chǎn)中的運(yùn)用[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2013,34(5):22-25.

[2]范 亞,張 苓,張 穎,等.旋流電解用鈦陽(yáng)極的制備及性能研究[J].濕法冶金,2013,32(3):179-180,193.

[3]鄧 濤.旋流電解技術(shù)及應(yīng)用[J].世界有色金屬,2012(12):34-37.

Research on Automatic Grouping Opening/closing Cover Technology of Swirl Electrolysis Device

SUN Hui-ping1,Zheng Chao1,ZHU Yang-jun1,XIE Hai-jie2
(1.School of Mechanical and Electronics Engineering of Ningbo University of Technology,Ningbo,Zhejiang 315000,China; 2.Ningbo Haibo Precision Machniery Manufacturing Co.,Ltd.,Ningbo,Zhejiang 315800,China;)

The paper analyzes an automatic grouping opening-closing technology of pipe/cover and equipment for swirl electrolysis device.The equipment adopts sensing technology for implementation of automatic positioning of locking mechanism.Application of pneumatic floating structure design can resolve many problems,such as big error in tank cover central position,difficult automatic centering,design of flexible belt drive can ensure even opening/closing moment of every tank cover to achieve rapid opening/closing of grouped pipe cover,and can resolve the problems of large labor strength of opening/closing cover by hand and harm to operation workers susceptible to highly corrosive electrolyte.

swirl electrolysis device;opening/closing cover;automatic grouping;sensing technology;pneumatic floating structure; flexible belt drive

TF351

B

1004-4345（2014）01-0000-00

2013-10-12

孫慧平(1965—),男,教授,主要從事機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)及教學(xué)研究工作。