鏈斗式提升機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究與改進(jìn)

陳金球，湯同歡，程文炳

（銅陵有色金冠銅業(yè)分公司，安徽 銅陵 244021）

金冠銅業(yè)分公司冰銅水淬和渣水淬是閃速爐銅冶煉工藝流程中的關(guān)鍵工序，其工作原理是采用高壓水流對熔融狀態(tài)下的冰銅（渣）液進(jìn)行冷擊，被冷擊的高溫熔體爆裂成細(xì)小的水淬冰銅和水淬渣沉積在水淬池中。鏈斗式提升機(jī)將水淬冰銅和水淬渣即時(shí)打撈瀝水，然后進(jìn)入下一道工序。放銅、放渣的不均勻性，酸性水淬環(huán)境等要求鏈斗式提升機(jī)適應(yīng)生產(chǎn)工況，既要防止量大導(dǎo)致設(shè)備故障，又要保證銅渣的瀝水效果。由于鏈斗式提升機(jī)是閃速銅冶煉水淬系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其使用效果直接影響閃速爐作業(yè)率，老式鏈斗式提升機(jī)不能滿足生產(chǎn)要求，因此開發(fā)新型鏈斗撈渣機(jī)勢在必行。

1 鏈斗撈渣機(jī)概述

鏈斗撈渣機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、撈渣系統(tǒng)、卷揚(yáng)提升系統(tǒng)、機(jī)架滑軌系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鏈斗撈渣機(jī)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過頭輪軸帶動(dòng)撈渣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)；撈渣系統(tǒng)通過渣斗撈起水淬池內(nèi)的冰銅（渣）；控制系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)荷反饋到提升系統(tǒng)，提升系統(tǒng)根據(jù)反饋的負(fù)荷調(diào)整撈渣系統(tǒng)的高度以達(dá)到均勻生產(chǎn)的目的，防止撈渣量過大導(dǎo)致?lián)圃鼨C(jī)出現(xiàn)故障，同時(shí)提升系統(tǒng)在撈渣機(jī)需要檢修時(shí)將撈渣機(jī)提升到檢修平臺以便檢修作業(yè)。其特點(diǎn)有：可移動(dòng)式機(jī)體為撈渣量的自動(dòng)控制提供條件，同時(shí)方便檢修作業(yè)；撈渣量的自動(dòng)控制系統(tǒng)使撈渣機(jī)運(yùn)行負(fù)荷均勻；輸送鏈采用軸銷鏈更加適應(yīng)物料工況。

2 鏈斗撈渣機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 可移動(dòng)式機(jī)體

可移動(dòng)式鏈斗撈渣機(jī)增加了一套卷揚(yáng)提升系統(tǒng)，卷揚(yáng)提升系統(tǒng)包括電機(jī)、減速機(jī)、卷揚(yáng)裝置、定滑輪、鋼絲繩和配重等[1]。卷揚(yáng)機(jī)繩索一端與斗提機(jī)撈渣系統(tǒng)機(jī)體相連，另一端與設(shè)定的配重相連。根據(jù)設(shè)計(jì)額定撈渣量，粗略計(jì)算卷揚(yáng)提升系統(tǒng)靜態(tài)平衡狀態(tài)下的配重設(shè)置質(zhì)量。在忽略次要因素的情況下，撈渣機(jī)受力分析如圖2所示。

根據(jù)受力分析可得：

式中，mg為平均撈取物料質(zhì)量（料斗容積為0.144 m3；有效料斗數(shù)量為15個(gè)；冰銅密度為4.0 t/m3；機(jī)架1質(zhì)量為6.38 t；機(jī)架2質(zhì)量為5.3 t；鏈條質(zhì)量為1.77 t；料斗總質(zhì)量為0.115×30=3.45 t；驅(qū)動(dòng)為6.976 t；尾輪為1.29 t；機(jī)架為3 t；機(jī)架殘余物料質(zhì)量估計(jì)為3 t?？傎|(zhì)量mg為41.5 t）。

提升機(jī)靜止時(shí)，機(jī)架滾輪與軌道之間靜摩擦力：

式中，μ為不銹鋼與不銹鋼無潤滑狀況下的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取值為0.35（0.3～0.4）。

機(jī)架向下運(yùn)動(dòng)時(shí)配重力的選擇為：

機(jī)架向上運(yùn)行時(shí)配重力的選擇為：

鏈斗撈渣機(jī)配重總量的選擇為：

因此，鏈斗撈渣機(jī)總配重取36 t，東側(cè)西側(cè)配重各18 t。

另外，鏈斗撈渣機(jī)有帶軌道的固定機(jī)架，撈渣系統(tǒng)通過四組滾輪在固定機(jī)架的槽導(dǎo)軌上上下滾動(dòng)移動(dòng)。滾輪沿著鏈斗撈渣機(jī)撈渣系統(tǒng)框架兩側(cè)對稱布置，同時(shí)動(dòng)支架兩側(cè)設(shè)有防傾翻裝置，結(jié)構(gòu)如圖3所示。撈渣系統(tǒng)在導(dǎo)軌上移動(dòng)改變撈料深度，為自動(dòng)控制撈渣量的大小提供可能。

圖3 防傾翻裝置

2.2 撈渣量的自動(dòng)控制

可移動(dòng)式機(jī)體是撈渣量自動(dòng)控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，鏈斗撈渣機(jī)通過鏈斗驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流來決定撈渣系統(tǒng)本體的升降，撈渣系統(tǒng)本體利用升降控制撈渣深度來調(diào)節(jié)撈渣量。鏈斗撈渣機(jī)設(shè)有工作、檢修和非工作三種狀態(tài)。

工作狀態(tài)：鏈斗驅(qū)動(dòng)電機(jī)有4個(gè)電流值的設(shè)定，即最大電流、最小電流、最大工作電流和最小工作電流。4個(gè)電流的關(guān)系如表1所示。

表1 電流設(shè)定關(guān)系

最大電流45 A和最小電流30 A是系統(tǒng)動(dòng)作的觸發(fā)電流值，即鏈斗驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流大于45 A或者小于30 A時(shí)都會導(dǎo)致提升系統(tǒng)動(dòng)作。鏈斗驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流大于45 A時(shí)，控制系統(tǒng)會自動(dòng)啟動(dòng)卷揚(yáng)電機(jī)將撈渣系統(tǒng)上提，鏈斗驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流就會減小，當(dāng)電流減小于最大工作電流，卷揚(yáng)電機(jī)就會停止工作。同理，鏈斗驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流小于30 A時(shí)，控制系統(tǒng)會自動(dòng)啟動(dòng)卷揚(yáng)電機(jī)將撈渣系統(tǒng)下放，鏈斗驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流就會增加，電流大于最小工作電流時(shí)，卷揚(yáng)電機(jī)就會停止工作。系統(tǒng)動(dòng)作都有延時(shí)設(shè)定，設(shè)置成3 s，當(dāng)鏈斗驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流連續(xù)3 s大于45 A或者小于30 A時(shí)，提升系統(tǒng)才會動(dòng)作。

檢修狀態(tài)：提升裝置先將撈渣系統(tǒng)慢速提至水面位置，再快速提至提升調(diào)速位開關(guān)位置，最后再慢速提升至上限位開關(guān)位置處停止。在系統(tǒng)不停車情況下對鏈斗撈渣機(jī)進(jìn)行檢修。檢修結(jié)束，提升裝置先將撈渣系統(tǒng)慢速下放至調(diào)速位開關(guān)位置處，再快速下放至水面位置，最后慢速下放至下限位開關(guān)位置處停止。

非工作狀態(tài)：斗式提升機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)以低速運(yùn)行。

2.3 適應(yīng)工況的軸銷輸送鏈

鏈斗撈渣機(jī)輸送鏈條是撈渣機(jī)的關(guān)鍵部件，經(jīng)過研究分析，如果采用滾子鏈，撈渣系統(tǒng)滾子鏈滾子與軌道間為滾動(dòng)摩擦，驅(qū)動(dòng)力減少量為滑動(dòng)摩擦力與滾動(dòng)摩擦力差值：

式中，μk為不銹鋼間無潤滑狀態(tài)下滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取值為0.11（0.10～0.12）。

采用滾子鏈有鏈斗驅(qū)動(dòng)力小、所需電機(jī)功率小、軌道與鏈條件磨損較小的優(yōu)點(diǎn)。但是，銅冶煉撈冰銅（渣）作業(yè)含沙量大且渣硬度較高，在酸性環(huán)境運(yùn)行，滾子鏈存在諸多劣勢：鏈條材質(zhì)既要考慮耐磨性，又要考慮耐腐蝕性，選用3Cr13比較合適，馬氏體不銹鋼具有良好的淬火硬度，但淬火工藝要求非常高；鏈條因腐蝕磨損導(dǎo)致銷軸與鏈板接觸處間隙過大，內(nèi)鏈板易從銷套上脫離，鏈條易被拉壞；隨著套與銷磨損間隙變大，渣會進(jìn)入套內(nèi)，滾子套不能轉(zhuǎn)動(dòng)或被卡碎，產(chǎn)生斷鏈等缺點(diǎn)[2]。

綜合各種因素考慮使用軸銷鏈，根據(jù)計(jì)算鏈條選型。鏈條材質(zhì)：ZG35CrMo，套筒；銷軸的材質(zhì)：1Cr13；鏈條運(yùn)行速度：11 m/min；鏈條張力：82.5kN；破斷載荷≥825 kN。鏈條節(jié)距P=304.8 mm，每四節(jié)為一個(gè)單元，其中一節(jié)帶安裝座。輸送鏈結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 撈冰渣機(jī)輸送鏈結(jié)構(gòu)

3 生產(chǎn)實(shí)踐中持續(xù)改進(jìn)

鏈斗式撈渣機(jī)在生產(chǎn)實(shí)踐過程中，存在著設(shè)計(jì)不合理、選型不恰當(dāng)?shù)惹闆r。通過分析生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的問題，筆者對鏈斗進(jìn)行了優(yōu)化，并對張緊裝置、尾輪組進(jìn)行了改造。

3.1 鏈斗的優(yōu)化

在鏈斗撈渣機(jī)運(yùn)行過程中，鏈斗會出現(xiàn)變形，在鏟起物料時(shí)，鏈斗的外框會受到物料的反作用力。該反作用力的分力在垂直于鏈斗運(yùn)動(dòng)方向上對鏈斗產(chǎn)生壓力，使之發(fā)生變形；在平行于鏈斗運(yùn)動(dòng)方向上的分力作用在鏈斗以及鏈斗與鏈條的連接處，產(chǎn)生傾翻力矩和彎矩，造成鏈斗變形、連接板處螺栓斷裂等故障。

通過總結(jié)分析鏈斗運(yùn)行過程中的受力狀態(tài)，經(jīng)過三維建模和有限元分析，筆者發(fā)現(xiàn)：物料對鏈斗反作用力的力臂長度過長；鏈斗固定板的連接處剛度較弱；物料作用力與鏈斗沿口成63°角[3]。針對分析結(jié)果，可以將鏈斗固定螺栓孔的位置整體下移80 mm，縮短反作用力的力臂長度，減小傾翻力矩和彎矩；在鏈斗的背部，增加三個(gè)均勻分布的加強(qiáng)筋板，增加鏈斗背部的抗變形能力；將中間沿口支撐改到斜下方，并與沿口成63°角，減小了中間支撐受到的扭力，也保護(hù)了支撐焊縫。改進(jìn)前后鏈斗結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 改進(jìn)前后鏈斗結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的鏈斗受力狀況大大改善，承載能力大幅度提高。在相同的負(fù)載下，改進(jìn)前單位負(fù)載下最大應(yīng)力為224 MPa，改進(jìn)后單位負(fù)載下最大應(yīng)力為127.74 MPa。改進(jìn)后的鏈斗沒有出現(xiàn)變形、連接板處螺栓斷裂等故障，實(shí)踐證明受力分析與建模的正確性。

3.2 張緊裝置的改造

在輸送鏈運(yùn)行過程中，軸銷與鏈孔磨損會導(dǎo)致鏈條節(jié)距變大，累計(jì)達(dá)到一定的程度，會造成尾輪齒擠壓鏈條，致使鏈條受損斷裂。而鏈斗撈渣機(jī)尾輪張緊裝置主要作用則是調(diào)整因不均勻磨損導(dǎo)致兩條鏈條長短誤差而帶來的跑偏情況。改進(jìn)前，張緊裝置采用兩根張緊絲桿調(diào)節(jié)尾輪的方式，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)前的尾輪張緊裝置

張緊裝置的設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)其功能。首先對鏈條的張緊必須將撈渣系統(tǒng)提升到檢修位置，同時(shí)滑軌長期在渣池酸性環(huán)境，有腐蝕與卡塞情況，絲桿張緊需要的扭力非常大。其次，鏈條跑偏調(diào)整需要在撈渣系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)過程中進(jìn)行。因此，鏈條過長與跑偏情況時(shí)有發(fā)生，鏈條的磨損與損傷大大降低了輸送鏈的壽命。借鑒傳統(tǒng)鏈斗式提升機(jī)張緊裝置經(jīng)驗(yàn)，將張緊裝置設(shè)置在頭輪組的位置，結(jié)構(gòu)如圖7所示。利用兩個(gè)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)分別調(diào)整兩條輸送鏈的張緊度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鏈斗撈渣機(jī)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)跑偏的調(diào)整。

圖7 改進(jìn)后的頭輪張緊裝置

3.3 尾輪組的改造

鏈斗撈渣機(jī)尾輪組長期處于渣池中運(yùn)行，工作環(huán)境很惡劣。前期設(shè)計(jì)為了防止帶溫的酸性水對軸承的影響，對密封性考慮得非常多，卻帶來了諸多未預(yù)想到的問題：整個(gè)尾輪組制造裝配要求非常高；給脂裝置長期處于溫度較高的渣水中，造成潤滑脂變硬，堵塞管道，無法達(dá)到加脂的目的；輪齒裝配緊密需要足夠大的力才能使尾輪齒旋轉(zhuǎn)，加上張緊裝置不能適時(shí)對輸送鏈張緊，尾輪齒基本處于不能旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，增加了輸送鏈條與輪齒的磨損（鏈條與輪齒之間滾動(dòng)摩擦變成了滑動(dòng)摩擦）等。改造前尾輪結(jié)構(gòu)如圖8所示。

通過鏈斗撈渣機(jī)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，渣水溫度在60°左右，尾輪軸承所處位置深度不超過2 m，水溫水壓對軸承座影響不會太大。因此，只要保證尾輪組裝配與運(yùn)行期間軸承座腔內(nèi)充滿足夠多的潤滑脂，采用普通軸承座加上雙層橡膠骨架油封就可以滿足要求。改進(jìn)后的尾輪組結(jié)構(gòu)如圖9所示。改進(jìn)后的尾輪組不但結(jié)構(gòu)簡單，制造費(fèi)用低，而且確保軸承不會受到影響，尾輪組也一直處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖8 改進(jìn)前的尾輪組

圖9 改進(jìn)后的尾輪組

4 結(jié)語

新型鏈斗式提升機(jī)采用了有可移動(dòng)式機(jī)體、撈渣量可控的自動(dòng)控制系統(tǒng)，軸銷型輸送鏈能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的需要，達(dá)到新型鏈斗式提升機(jī)開發(fā)的目的。通過幾年的生產(chǎn)實(shí)踐，隨著鏈斗的優(yōu)化以及張緊裝置和尾輪組改進(jìn)的完成，鏈斗撈渣機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性得到大幅提高，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)在銅冶煉行業(yè)得到了推廣，取得了良好的社會效益。