鉛電解陽極板立模澆鑄液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

袁安華 袁銳波 宋 勃

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

目前， 我國鉛精煉主要采用的是電解法，在鉛的電解過程中， 需要使用鉛陽極板和陰極板。然而電解過程中電流的效率和陽極的殘極率受鉛陽極板外形的影響較為顯著，因此對鉛陽極板的生產(chǎn)有以下幾點(diǎn)要求：鉛陽極板的尺寸、重量準(zhǔn)確，厚薄均勻，表面狀態(tài)平整，四周無飛邊和毛刺，掛耳導(dǎo)電良好。 然而就目前我國的鉛電解行業(yè)來看， 鉛陽極板生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量低下，無法達(dá)到上述要求，這在很大程度上影響了鉛的電解生產(chǎn)。 另外，舊陽極板澆鑄設(shè)備效率低、能耗大。 因此，為了提高鉛陽極板的品質(zhì)，提高生產(chǎn)效率，需要對鉛陽極板品質(zhì)低的原因進(jìn)行分析并對設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 鉛陽極板品質(zhì)低的原因

鉛電解中需要的鉛陽極板是通過陽極板立模澆鑄機(jī)組生產(chǎn)出來的［1］，但是在澆鑄成型的工序中由于澆鑄系統(tǒng)的問題會使鉛陽極板出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量低下的問題。 現(xiàn)有的陽極板立模澆鑄機(jī)組在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計已經(jīng)非常合理，因此需要對其液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其控制精度提升1%以上，以保證生產(chǎn)出的鉛陽極板尺寸準(zhǔn)確、質(zhì)量合格。

2 陽極板立模澆鑄液壓系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

澆鑄系統(tǒng)是陽極板立模澆鑄系統(tǒng)的核心部分，它對澆鑄桶位置及其速度的把控將直接影響鉛陽極板的質(zhì)量，故對其精度的要求是整套設(shè)備最高的，因此，筆者決定使用電液比例方向閥對澆鑄液壓缸進(jìn)行控制［2］。

鉛陽極板鑄造所需的原料為滾燙的鉛水，在澆鑄過程中， 如果系統(tǒng)失壓將造成澆鑄桶失控，一旦滾燙的鉛水不受控制地傾瀉，將會對設(shè)備和人員造成嚴(yán)重傷害。 因此，為了提高設(shè)備的安全性，同時使設(shè)備動模擁有更高的靈活性，以便停留于行程的各個位置，需在系統(tǒng)中加入液壓鎖。

系統(tǒng)采用疊加式雙單向節(jié)流閥進(jìn)行速度控制，以保證設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 載荷的組成及計算

澆鑄液壓缸所受載荷主要由澆鑄桶和澆鑄時所承載的鉛液產(chǎn)生，其載荷類型可分為3種：工作負(fù)載、慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載。 由于本設(shè)備在零件連接處均采用的是軸承連接，因此摩擦負(fù)載可忽略不計。

澆鑄液壓缸的運(yùn)動方式為豎直往復(fù)運(yùn)動（有傾角）， 在伸出時的后半段行程與收回時的前半段行程均做減速運(yùn)動， 其余行程為勻速運(yùn)動，且最大速度出現(xiàn)在勻速運(yùn)動階段。 液壓缸最大伸長量0.3m，伸出時間3s，最大伸出速度為0.10m/s；收回時間2s，最大收回速度為0.15m/s。 現(xiàn)已知澆鑄桶的質(zhì)量為60kg，進(jìn)行澆鑄時由于澆鑄桶內(nèi)的鉛液重395kg， 故在滿載的工況下液壓缸推出時所受負(fù)載為4 550N，當(dāng)液壓缸收回時，由于部分鉛液已用于澆鑄，故負(fù)載減小，為1 600N。

加速時間為0.01s，此時計算可得：

其中，F(xiàn)出、F回分別為液壓缸推出和收回時的慣性負(fù)載，m1、m2為澆鑄前、后澆鑄桶的質(zhì)量，a1、a2分別為澆鑄液壓缸推出和收回時的加速度。 將兩類負(fù)載相加即可得到液壓缸所受負(fù)載總值：

2.3 澆鑄液壓缸的選取

在已知系統(tǒng)壓力的情況下，根據(jù)液壓缸應(yīng)提供的推力，初選液壓缸內(nèi)徑40mm，計算可得此時液壓缸可提供的推力為10 053.1N，活塞桿收回時可提供的拉力為6 900.5N，能夠滿足設(shè)備需要［3］。選擇速度比值為1.46， 計算可得活塞桿直徑為22.4mm。

由于澆鑄液壓缸尺寸不大，行程較長，故需要對液壓缸行程進(jìn)行校核，以驗(yàn)證活塞桿最大允許長度L是否在規(guī)定范圍內(nèi)，校核公式如下：

式中 d——活塞桿的直徑，m；

n——末端條件系數(shù)；

nk——安全系數(shù)，nk＞6；

p——活塞桿縱向壓縮負(fù)載，N。

經(jīng)查表，取n=1、nk=7，代入式（1）可得：

由于設(shè)備行程為0.3m， 顯然該結(jié)果滿足需要。

綜上，內(nèi)徑40mm、活塞桿直徑22.4mm的液壓缸符合設(shè)備需要， 并最終選用CDT3MP5/40/22.4/300F1X/B11HHDMWW型液壓缸作為本系統(tǒng)的澆鑄液壓缸。

2.4 澆鑄液壓缸流量計算

已知液壓缸大腔面積為1 256.6mm2， 小腔面積為862.6mm2，液壓缸位移0.3m，伸出時間3s，計算可得液壓缸伸出所需流量為7.5L/min， 收回所需流量為7.8L/min。

3 PID反饋比例閥控澆鑄系統(tǒng)仿真

3.1 比例換向閥建模分析

為了使模型更接近實(shí)際情況，使用HCD庫搭建比例換向閥模型，將所需元件拖入面板后進(jìn)行連接，組成比例換向閥模型，如圖1所示［4］。

圖1 比例換向閥仿真模型

3.2 比例閥控澆鑄系統(tǒng)PID設(shè)計

為了提升系統(tǒng)性能， 采用PID算法對系統(tǒng)進(jìn)行控制，并結(jié)合實(shí)際需要，筆者基于AMESim設(shè)計了一種比例自適應(yīng)PID算法（圖2）［5］。 該算法的積分與微分環(huán)節(jié)按常規(guī)PID算法設(shè)定， 比例環(huán)節(jié)則依據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值的差值， 經(jīng)絕對值處理后對比例系數(shù)進(jìn)行選擇。 比例自適應(yīng)PID算法的比例系數(shù)區(qū)間為1～12，此時比例系數(shù)不再為一個固定值，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行合理選擇，這不僅增加了反饋調(diào)節(jié)的快速性，也提高了控制精度。

圖2 比例自適應(yīng)PID算法仿真模型

AMESim基礎(chǔ)液壓元件庫提供的參數(shù)包括［6］：液壓缸內(nèi)徑40mm，活塞桿直徑22.4mm，液壓缸可伸出長度0.35m。 根據(jù)設(shè)計方案要求，在仿真模擬時加入了液壓鎖與單向節(jié)流閥， 并為簡化仿真程，采用液壓基本庫搭建模型。 系統(tǒng)負(fù)載由信號對質(zhì)量塊進(jìn)行輸入， 進(jìn)而加載至執(zhí)行液壓缸處，比例閥控系統(tǒng)為提高定位精度，在液壓缸的出口處設(shè)置了一個位移傳感器以便在系統(tǒng)中形成閉環(huán)控制，傳感器發(fā)出的位移信息將反饋至控制輸入端，對輸入信號加以修正，進(jìn)而提高控制精度。PID反饋比例閥控澆鑄系統(tǒng)AMESim仿真總圖如圖3所示。

圖3 PID反饋比例閥控澆鑄系統(tǒng)模型

3.3 PID反饋比例閥控澆鑄系統(tǒng)性能特性分析

模型建立完畢，進(jìn)行運(yùn)行仿真，設(shè)仿真時間為10s，時間間隔為0.01s，得到系統(tǒng)無桿腔壓力與流量曲線如圖4所示（1bar=0.1MPa）。可以看出，液壓缸在啟動階段依舊存在波動，但波動量較比例閥控澆鑄系統(tǒng)已有了明顯的改觀，有明顯減小的趨勢。

恒壓式變量柱塞泵輸出流量與壓力曲線如圖5所示，可以看出，當(dāng)負(fù)載壓力升高時，恒壓式變量柱塞泵可有效保持輸出壓力不變，輸出流量與壓力雖在系統(tǒng)啟動環(huán)節(jié)存在波動，但波動均在規(guī)定范圍內(nèi)。

圖4 PID反饋比例閥控澆注系統(tǒng)液壓缸無桿腔壓力與流量曲線

圖5 恒壓式變量柱塞泵輸出流量與壓力曲線

圖6 PID反饋比例閥控澆注系統(tǒng)輸出位置曲線

PID反饋比例閥控澆注系統(tǒng)輸出位置曲線如圖6所示，其中輸入轉(zhuǎn)角設(shè)定值為45°。 可以看出，澆鑄斗轉(zhuǎn)角為45.07°，與設(shè)定值相差0.07°，計算得到PID 反饋比例閥控澆鑄系統(tǒng)定位精度為0.16%，遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的生產(chǎn)要求。 實(shí)際生產(chǎn)的鉛陽極板質(zhì)量為294kg±4kg，加工精度小于1.3%，可見PID反饋比例閥控澆鑄系統(tǒng)可使控制精度大幅提高，穩(wěn)定性較好，滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

4 新舊設(shè)備產(chǎn)品對比

為驗(yàn)證PID反饋比例閥控澆注系統(tǒng)的先進(jìn)性， 現(xiàn)對新舊設(shè)備所生產(chǎn)的鉛陽極板進(jìn)行對比。為使測試實(shí)驗(yàn)具有一定指導(dǎo)意義，新舊設(shè)備實(shí)驗(yàn)所選用鉛陽極板均為檢測當(dāng)天于新舊設(shè)備生產(chǎn)產(chǎn)品中隨機(jī)選取的，被抽檢的鉛陽極板數(shù)量均為20塊，新舊鉛陽極板選取樣本范圍均大于500塊，具有一定的代表性。 實(shí)地測量數(shù)據(jù)見表1、2，觀察發(fā)現(xiàn)，新設(shè)備所生產(chǎn)的鉛陽極板長度誤差很小。

依據(jù)設(shè)計需要，鉛陽極板產(chǎn)品的設(shè)計尺寸為1 290mm，將表1、2中的數(shù)據(jù)輸入至Matlab軟件，得到產(chǎn)品實(shí)際尺寸與規(guī)定尺寸的誤差曲線如圖7所示。 可以看出，舊設(shè)備生產(chǎn)的鉛陽極板尺寸誤差在3.0%以內(nèi)，新設(shè)備生產(chǎn)的鉛陽極板尺寸誤差在1.3%以內(nèi)，精度提升了1%以上，效果明顯。

表1 舊設(shè)備生產(chǎn)鉛陽極板實(shí)測長度 mm

表2 新設(shè)備生產(chǎn)鉛陽極板實(shí)測長度 mm

圖7 產(chǎn)品實(shí)際尺寸與規(guī)定尺寸的誤差曲線

5 結(jié)論

5.1 通過對鉛電解陽極板立模澆鑄機(jī)組的液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化， 即將原系統(tǒng)變?yōu)镻ID反饋比例閥控澆鑄系統(tǒng)， 使?jié)茶T系統(tǒng)的定位精度達(dá)到了0.16%，滿足定位精度要求。

5.2 仿真結(jié)果表明，筆者設(shè)計的PID反饋比例閥控澆鑄系統(tǒng)較為穩(wěn)定，完全可以滿足生產(chǎn)需要。

5.3 近3個月的生產(chǎn)結(jié)果表明， 優(yōu)化后的陽極板立模澆鑄機(jī)組澆鑄出來的鉛陽極板尺寸、重量準(zhǔn)確，厚薄均勻，表面狀態(tài)平整，四周無飛邊毛刺，掛耳導(dǎo)電良好。