电解槽清渣装置及液压系统设计.pdf

2 0 1 3年 7月 第 4 1卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ．1 4 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 4 ． 0 2 6 电解槽清渣装置及液压系统设计 徐平 ， 汪建新 ，王秀军 1 ．内蒙古科技 大学机械 工程学院 ，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 ； 2 ．内蒙古科技大学工程训 练中心 ，内蒙古包头 0 1 4 0 1 0 摘要电解槽清渣装置属铝厂生产的辅助设备。介绍一种电解铝清渣装置的组成结构和液压系统原理，通过分析系统 工况，设计出相应液压系统 ，并完成元件选择。该系统具有设计合理、性能可靠、结构紧凑、效率高、操作简便等特点， 既节省了人力物力 ，又降低了空气污染和噪声，受到委托单位好评。 关键词电解槽清渣装置；液压系统 中图分类号T H1 3 7 ．9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 4 0 7 5 3 De s i g n o f t he Cl e a r Ce l l Sl a g De v i c e a n d Hy dr a u l i c s S y s t e m xU P i n g ．WA N G J i a n x i n ．WA N G X i u j u n 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o l ，I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ba o t o u I n n e r Mo n g o l i a 01 4 01 0， Ch i n a； 2 ． En g i n e e r i n g Tr a i n i n g Ce n t e r ，I nn e r Mo n g o l i a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o gy ， B a o t o u I n n e r Mo n g o l i a 0 1 4 0 1 0．C h i n a Ab s t r a c t C l e a r c e l l s l a g d e v i c e i s t h e a u x i l i a r y e q u i p me n t o f a l u mi n u m p l a n t p r o d u c t i o n ． T h e s t r u c t u r e o f a n a l u mi n u m c l e a r c e l l s l a g d e v i c e a n d t h e p r i n c i p l e o f i t s h y d r a u l i c s y s t e m we r e i n t r o d u c e d ．T h r o u g h an aly z i n g s y s t e m w o r k i n g c o n d i t i o n，a c o r r e s p o n d i n g h y d r a u l i c s y s t e m w a s d e s i g n e d，a n d t h e c o mp o n e n t s e l e c t i o n wa s c o mp l e t e d ．Us i n g t h e s y s t e m ，n o t o n l y ma t e ri a l r e s o u r c e i s s a v e d， b u t a l s o t h e a i r p o l l u t i o n a n d n o i s e a r e r e d u c e d ． W i t h t h e c h a r a c t e ris t i c s o f r e a s o n a b l e d e s i g n，r e l i a b l e p e r f o r ma n c e ，c o mp a c t s t ru c t u r e， h i g h e ffi c i e n c y a n d e a s y t o o p e r a t i o n ．t h e s y s t e m me e t s t h e r e q u i r e me n t s o f c o r r e s p o n d i n g i n d u s t r y ． Ke y wo r d s C l e a r c e l l s l a g d e v i c e ；Hy d r a u l i c s y s t e m 当前，大多数铝厂普遍采用冰晶石 一氧化铝熔盐 电解法，以冰晶石 一 氧化铝为电解质 ，炭素材料为两 极 ，强大 的直流 电 由阳极 导入 ，经 过 电解 质 与 铝液 层 ，而 后 从 阴 极 导 出 回 到 电 源 ，在 过 程 中 分 离 A 1 O ， ，获得液态单质铝。达到一定量后 ，再从电解 槽 中抽 出原铝 ，处理后获得商 品铝锭 ，副产 物废 渣沉 淀于电解槽中。为使生产正常进行 ，一段时间后 ，必 须将电解槽中废渣清除干净。这一工作 由工人手工完 成 ，劳动强度大，工作环境恶劣，效率低下。为改变 现状 ，设计了用液压系统驱动的清渣装置。 1 总体方案设计 完成清渣工作需废渣松动、清运两大工序。废渣 沉淀凝 固后有一定的强度，拟采用旋转的铣削头来完 成废渣松动；清运工序用铲车将铣削松动的废渣 ，铲 运到电解槽外停靠的汽车上运走 ，整套装置采用液压 系统驱 动。考虑 到现 场具体 情况 ，液压 系统分为液压 站和主液压系统两部分。工作时除液压站外，包含液 压主系统的其他装置用起重机吊装至电解槽上，完成 清渣工作。铣削头的旋转运动由液压马达驱动，上 升、下降由液压缸带 ；铲斗的铲渣、倾倒 、上 升、下降分别由两组液压缸带动。为使铣削头、铲斗 完成整个电解槽的清理工作 ，将铣削头组件 、铲车安 装在能够纵向平移的小车上，小车组件安装在能够横 向平移的大车上 。利用装在大车、小车上的液压马 达驱动大车、小车在 兰 兰 大 手 轨 道 其轨道 上运动 ，实 现 铲车 的横 向、纵 向平 移 ，大 车 小 车 运 行 情 况 如 图 1所 示 。 为 避免工 作 现场温 度 高 、 粉尘 量 大 损 坏设 备， 加装一套水雾化装置， 达到降温、除尘功效。 2 液压系统设计 大车 小 车轨 道 小车 轨 道 小车 大车轨道 图 1 大车小车运行示意图 液压系统包括液压站和主液压系统。通过快装插 头进行联接 。 2 ． 1 液 压站 电解槽清渣装置属铝厂生产的辅助设施。考虑到 收稿 日期 2 0 1 2 0 5 0 4 作者简介徐平 1 9 6 2 一 ，女，高级实验师，研究方向为流体传动与控制。 Em a i l P h e n i x i mu s t ． C B 。 7 6 机床与液压 第 4 1卷 工作环境温度高、清渣过程中粉尘量大，为了不影 响正常生产 ，从安全、经济角度出发，将液压站设计 成封闭式 、可运动 、快装式泵站 。根据系统工作要 求，采用轴向柱塞泵 Q 1 6 0 P C Y 1 4 ． 1 B提供动力 ，系统 工作压力 2 0 M P a ，系统最大工作流量 2 1 8 L／ m i n J 。 油箱为半封闭式 ，配备油温、液位、滤油器堵塞报警 系统，用一套水冷却装置及雾化喷头对其防尘罩及外 壁强化冷却。油箱底部除了装有4个刚性可伸缩支撑 外，还有4个轮子。工作时，将刚性支撑旋出，与地 面接触 ，如 图 2所 示 ，以 保证液压 站平稳 工作 。需 要移动时，将刚性支撑旋 轮 离地面，方便移动。液压 站设有一套开关盒，包含 电气部分、液压部分、冷 性 撑 篓 的 篓 式 接 头 ， 便图 2 油 箱 底 部 支 撑 与 轮 子 于 联 接 、拆卸 。 一⋯ ～ 2 ． 2主 液压 系统 该系统主要控制铣削头完成废渣松动、控制铲车 ．2 1 1 ． ] 。 一一 1广 。； 3 DT 7 ． 1 4 DT I I 5 D T 扭 T 9 ． 3 l 2 ． 1 l l 囱 l 2 ．2 i 7 DT I 7 ． 3 完成废渣清运工作。 2 ． 2 ． 1 铣削头运动的实现与控制 实现废渣松动 ，液压系统需要控制铣削头完成旋 转 、上下直线运动 和两个水平方 向的直线移动 。系统 原理如 图3所示 。阀7 ． 3的电磁铁 6 D T通 电 ，油液 经电液换 向阀 7 ． 3 、液控单向阀 1 2 ． 1 、单 向节流阀 9 ． 3 ，到达铣削头升降缸 1 3上腔，活塞杆带动铣削头 下降；当铣削头下降至与废渣面接触时，阀7 ． 4的电 磁铁 8 D T通电，油液经电液换向阀7 ． 4 、单向节流阀 9 ． 4 ，到达铣削头马达 1 6 ，带动铣削头旋转铣削，松 动废渣 ；铣削头垂直铣削至电解槽底 时，阀 7 ． 5的电 磁铁 1 0 D T通电，油液经调速 阀 1 4 ． 1 ，电液换 向阀 7 ． 5 ，到达小车马达 1 7 ，带动小车在轨道上平移，进 行水平纵向铣削；纵向铣削至槽壁时，阀7 ． 5断电， 阀 7 ． 6的电磁铁 1 2 D T通电 ，油液经 电液换 向阀 7 ． 6 、 到达大车马达 1 8 ，带动大车水平横向铣削；直至整 个电解槽废渣全部松动，阀 7 ． 4 、7 ． 5 、7 ． 6电磁铁断 电 ，阀 7 ． 3电磁铁 7 D T通 电 ，铣削头 在油缸 1 3带动 下 回到原位 。 D - 1 ⋯ r l l5．4 嗣 l 1 DT ] ‘ 6 r ；。 1 i 1 2 DT I ．．⋯ 1 4 ． 2I 因 I l 3 DT l 一油箱2 一滤油器3 一液压泵4 、1 5 _ _ 溢流阀5 一压力表 6 一减压阀 卜 电磁换向阀 8 _单向顺序阀 9 ’ _ 单向节流阀 1 O 一铲除升降缸 n一铲除侧翻缸 l 2 一液控单向阀 1 卜 主 切削升降缸 1 4 一可调节流阀 1 6 一主切削马达 l 7 一小车运 行 马达 1 8 _ 大车 运行 马达 图 3 主液压系统原理图 2 ． 2 ． 2 铲车运动的控制 松动后的废渣，采用安装在移动小车上的铲车完 成清运至电解槽外汽车上的工作。为此，铲车需要完 成铲斗下降一铲斗倾翻、装渣一铲斗回位一铲斗提 升一铲车纵向平移一铲车横向平移一铲斗倾倒一铲车 纵向平移一铲车横向平移一回到装渣位置等动作。相 应液压 系统 原理 如 图 3 ，阀 7 ． 1的电磁 铁 2 D T通 电，油液经电液换 向阀7 ． 1 、单向节流阀 9 ． 1 ，到达 铲车升降缸 1 0 ． 1 、1 0 ． 2上腔，活塞杆带动铲斗下降； 铲斗下降至接触电解槽底部时，阀7 ． 2的电磁铁 5 D T 2 一 2 一 一 第 l 4期 徐平 等电解槽清渣装置及液压系统设计 7 7 通电，油液经电液换向阀7 ． 2 、单向节流 阀9 ． 2 ，到 达铲车倾翻缸 1 1 ． 1 、1 1 ． 2下腔 ，使铲斗倾翻，阀7 ． 5 的电磁铁 1 0 D T通电，油液经调速阀 1 4 ． 1 、电液换 向 阀7 ． 5到达小车马达 l 7 ，带动小车在轨道上平移， 铲斗装渣；装满后，阀7 ． 5的电磁铁 1 0 D T断电，阀 7 ． 2的电磁铁5 D T断电，4 D T通电，油液经电液换 向 阀7 ． 2 、平衡阀 8 ． 2 ，到达铲车倾翻缸 1 1 ． 1 、1 1 ． 2上 腔 ，使铲斗回位；阀7 ． 1 的电磁铁2 D T断电，3 D T通 电 ，油液经 电液换 向 阀 7 ． 1 、平衡 阀 8 ． 1到达铲 车升 降缸 1 0 ． 1 、1 0 ． 2下腔，活塞杆带动铲斗提升。通过 电液换向阀7 ． 5 、7 ． 6的通、断电，控制大车、小车 的运行，完成废渣清运。 2 ． 3液压 元件 选择 根据已知参数，通过计算选取主要控制元件型 号 ，见表 1 - 9 ] 。 表 1 系统的组成元件 3 电解槽清渣装置液压系统特点 该液压系统采用高压、大流量恒功率变量泵向系 统供油，可以节省能量。利用液控单向阀形成的液压 锁、管道和油液的弹性变形实现铣削头铣削过程的双 向保压 ，用远控平衡阀防止铲车纵 向、横向平移时， 因铲斗中废渣重力和 自重而 自行下落 ⋯。采用双溢 流阀来实现双向制动，当换向阀回中位时，马达在惯 性的作用下，使--N压力升高，此时靠每侧的溢流阀 限压，减缓液压冲击。马达制动过程中另一侧呈负压 状态 ，由溢流阀限压时溢流出的油液进行补充，从而 实现马达制动。驱动铲斗倾翻、升降的两个液压缸用 刚性 梁在两个液压缸 的活塞杆之间实现刚性连接 ，以 实现位移的同步。速度调节采用节流方式 ，结构简 单，易于调节。回路 中选用 Y型机能的换 向阀，当 执行元件处于预定停 留位置时 ，换 向阀中位 ，液控单 向阀、平衡阀控制油 口经过换向阀中位直接和油箱相 通 ，控制压力充分卸荷 ，液控单向阀反方向截止，液 压缸锁紧可靠。该液压系统的所有液压阀均采用板式 连接，安装在液压集成块上 ，方便装配、调整 、更 换 、维修。整套系统采用 P L C控制 ，操作简单，易 于控制，安全可靠。经过测算，采用液压系统做动力 的清渣装置 ，只需 8 h 就 能完成长 1 0 ． 2 m，宽 4 ． 6 m 的电解槽清渣工作。 4 结束语 从铝厂电解槽清渣的实际情况出发 ，通过分析工 况，设计出相应的液压系统完成各执行元件的驱动控 制。该系统具有设计方案合理、结构紧凑、效率高、 操作简便、安全可靠等特点，满足了使用厂各方面要 求，获得一致好评，将工人从繁重的劳动中解脱出 来 ，实现机械化操作，既节省了人力物力，又降低了 空气污染 和噪声 。 参考文献 【 1 】 朱新才． 液压与气压传动[ M] ． 北京 冶金工业出版社 ， 2 0 09． 【 2 】 宋丽华 ， 毛君． 四柱式液压机液压系统设计 [ J ] ． 机床与 液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 6 1 0 61 0 8 ． 【 3 】 成大先． 机械设计手册 [ M] ． 5版． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 1 0 ． 【 4 】王存觉． 工程机械液压系统及故障维修[ M ] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 5 】贾玉景． 半自动专用钻床液压电控系统设计[ J ] ． 液压 与气动， 2 0 0 9 9 4 6 ． 【 6 】赵月静． 液压实用回路 3 6 0 例[ M] ． 北京 化学工业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． 【 7 】张利平． 液压传动系统设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 5 ． 【 8 】陆一心． 液压阀使用手册 [ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 00 9． 【 9 】李壮云． 液压元件与系统[ M] _ 北京 机械工业 出版社， 2 00 5． 【 1 O 】王晔， 杨明堂． 1 5 0吨液压机液压系统设计[ J ] ． 液压与 气动， 2 0 1 0 8 5 7 6 0 ．