孙慧平，郑 超，朱杨俊，谢海杰

（1.宁波工程学院 机电工程学院,浙江宁波315000;2.宁波海伯精工机械有限公司,浙江宁波315800）

旋流电解装置自动成组开合盖技术研究

孙慧平1，郑 超1，朱杨俊1，谢海杰2

（1.宁波工程学院 机电工程学院,浙江宁波315000;2.宁波海伯精工机械有限公司,浙江宁波315800）

介绍了一种旋流电解装置的管盖自动成组开合技术及设备。该设备采用传感技术实现了锁紧机构的自动定位,采用气动浮动结构设计解决了槽盖中心位置误差大、自动对中难的问题,柔性带传动设计保证了每个槽盖的开合力矩的均匀,从而实现了快速开启与合上成组管盖,解决了人工开合盖劳动强度大、操作工人易受强腐蚀性电解液伤害的问题。

旋流电解;开合盖;自动成组；传感技术；气动浮动结构；柔性带传动

0 引言

旋流电解技术是利用溶液旋流工作方式对有价金属进行选择性电解的新技术,特别适合于冶金行业低浓度、成分复杂溶液的选择性电解分离和提纯,以及废水中重金属离子的剥离。旋流电解技术可有效改善传统平板式电解技术在电解过程中电解电流密度小、电流分布不均匀、溶液除杂难度大、工艺流程长、生产成本高、总体效率低等问题[1-3]。

由于旋流电解溶液实行闭路循环,因此生产过程中基本没有有害气体的排放,有利于环境保护。但在打开管盖取料时,管路中或多或少的残留气体会迫使强腐蚀性的电解液在管盖打开的瞬间喷出,从而伤害操作工人。另外,手工逐个打开、移走、装上和锁紧管盖需要施加比较大的力矩才能保证管路的密封性,为保证能够承受管路内的工作压力,管盖也需要有比较大的质量,操作工人的劳动强度非常大。因此,开发一种可以成组打开和合上管盖的技术装备,对增强旋流电解生产的安全性具有重要意义。

1 旋流电解装置的结构组成

旋流电解装置的结构组成见图1。

图1 旋流管的基本组成

旋流电解在图1所示的旋流管中完成,每个旋流管由旋流管盖、连接法兰、电解筒和电解液控制阀门等组成。每个旋流管可以独立工作,但在工业应用中,为达到设定的台时产量、便于控制电解过程,通常将24个旋流管集中安装,组成一个旋流电解装置模块,然后根据设计产量选取不同数量的模块组成旋流电解生产车间。每个模块中的24个旋流管分两列布置,电解液循环管路连通每一个旋流管,并集中安装在支架上,如图2所示。

图2 旋流电解模块

连接法兰用于旋流管和支架相连接,同时便于电解筒内始极片和阳极的安装。旋流管盖与连接法兰采用类似高压锅的内外扣连接,端面密封,既保证了电解时的密闭性,也便于取料时打开与装上,管盖如图3所示。

图3 管盖

电解开始时需要合上管盖,使溶液在封闭的管路中边旋转边析出有价金属。在电解完成后,先排除溶液,再打开管盖取出紧贴在始极片上的管状金属成品。因此,开合盖是旋流电解必须完成的操作步骤,目前均由人工来完成。所谓自动成组开合盖就是在没有人工干预的条件下,一次性打开12个或24个旋流管盖,在取料后再一次性合上并锁紧。

2 成组开合盖难点分析

1)旋流管由一段内径Ф212 mm、高1 600 mm左右的塑料管和两端法兰组成,并通过连接螺栓固定在焊接成形的支架上。由于塑料管与焊接支架的制造精度差、装配误差大,模块中各旋流管间的中心距误差和两排旋流管的中心距误差均达到±3 mm。为了顺利打开或合上管盖,必须使开合盖机构的施力中心与旋流管中心重合,否则由于偏心产生的附加力矩会导致管盖打不开或合不上。因此,能否实现自动开合盖机构的力矩中心在旋流管中心的快速定位,是成组自动开合盖的关键之一。

2)旋流管及盖都是PVC注塑成型零件,由于塑料的收缩率大,零件壁厚超过20 mm,冷却收缩产生的形状误差非常大。这样就导致图3中加强筋的均布误差、凸台的中心与管盖的外圆中心同轴度误差也达到几个毫米。另外,管盖与法兰的密封是通过端面压紧实现的,圆周方向并没有配合与定位要求。因此,每次开合后的管盖的中心均是变动的,增加了保证开合盖力矩中心通过管盖中心的难度。

3)为保证整个旋流电解装置能够耐强酸腐蚀,旋流管盖和法兰均不得有钢铁等材料,故无法采用电磁吸附的方法连接开合工具。同时，管盖也没有设计专门用于固定开合工具的结构,因此开合工具如何抓牢旋流盖,并保证在开启力矩、提拉力矩的作用下不松脱、位置不移动,成为需要解决的另一个难题。

4)为保证开合盖的生产效率,同时降低整个自动开合盖设备的成本,需要在一个动力源的作用下打开或合上一组旋流管盖。如何保证每个管盖的反作用不会影响力的施加,不会因每个管盖摩擦力的不同而造成无法一次性打开,是实现自动开合盖的第四个难点。

3 自动成组开合盖的解决方案

针对上述开合盖难题,本文设计了如图4所示的开合盖机构。

图4 开合盖机构示意

图4所示的开合盖机构由吊钩、安装支架、主从动锥齿轮、气缸、齿形带及齿形带轮、回转气缸、可升降扳手、气涨套等组成,其工作步骤如下：

1)12组开合盖机构呈直线状固定在安装支架上,其理论间距与旋流管间距相同。安装支架上设有两吊钩用于和行车相联,移动行车可使开合盖设备移动到任意需要取出电解筒料的旋流管模块上方。

2)移动到位后开合盖设备整体缓慢下降,当内置于可升降扳手下端的传感器与旋流管盖的加强筋板接触时,传感器得到信号启动回转气缸缓慢转动,使可升降扳手转动一个角度。当扳手两翅状钢板到达加强筋间的空隙时,传感器信号消失,切断回转气缸供气。由于扳手的两片钢板与旋流管盖加强筋之间的间隙可以做得比较大,可以使之非常容易地落入加强筋之间的间隙中。

3)在自重作用下，扳手下端与旋流管盖底部接近时,传感器再次得到信号。控制系统先使气涨套充气,由于气涨套是柔性材料,可以自动消除不同心误差,使涨出的键条与旋流管盖的Ф210内孔涨紧并固定,然后再次启动回转气缸,使扳手与加强筋紧紧扣住。

4)开合盖机构与旋流管盖连接成一体后,启动气缸拉动齿形带,带动齿形带轮,再带动主从动锥齿轮,使扳手转动,打开旋流管盖。特别注意一点,从动锥齿轮的转动方向必须与回转气缸锁紧方向相反。因为采用了柔性的齿形带,带长和齿形均有一定的变形量,可以消除12组开合盖机构中心不在同一条直线上的误差,顺利带动齿轮转动。

5)由于类似高压锅的锁扣机构设计,每组旋流管盖锁紧的角度不同,打开它需要转动的角度也不同,所以每一个开合盖机构的齿形带轮需要转动的角度也不同。但所有的齿形带轮是由一条齿形带驱动的,可能会产生已打开或合上的管盖继续转动,重新合上或打开。为此,特别设计了定力矩销机构,当盖打开时或者没有合上时,转动所需的力矩很小,此时齿形带轮在主动锥齿轮上空转,使已打开或合上盖的部分机构不再转动,而还没有打开的部分机构继续转动,直到所有管盖打开。12组管盖均打开或合上时,所需拉力会出现大幅变动,气缸力矩传感器采集到此变动信号时,切断供气、停止拉动。

6)完成开盖后,直接引导行车上升,完成整个开盖过程。

7)合盖过程与开盖过程类似,行车到达旋流管模块时下降,使管盖对准旋流管,转动回转气缸即可锁紧。而压紧管盖与旋流管所需的力,整个装置的自重已足以提供。管盖全部合上后,气涨套放气和回转气反向微动,使设计与管盖松开后,再引导行车上升,离开操作工位,即完成合盖过程。

4 应用实效

本设备已完成了样机的试制,并进行了初步的试验。其试运行结果与人工操作相比,开盖时间节省了10%,而合盖时间减少了30%,具体数据见表1。

表1 人工/自动开盒盖时间对比 s

从开合盖时间上来看,使用自动成组开盖与合盖装置所节省的时间有限,但对降低工人的劳动强度与提高生产安全性效果显著。以一个配置20个模块的旋流电解车间一次开盖与合盖为例进行计算,每个盖质量约为5 kg,完成一次操作所需要搬运的质量为4 800 kg。因此,本装置的成功研制具有重要的生产实际意义,可得出如下结论：1)采用气动控制方式可以实现旋流电解装置的自动化成组开合盖；2)成组开合盖技术及装置可以有效地降低工人的劳动强度,保证安全生产；3）本设备可以有效改进劳动条件,使工人免受强酸强碱气体的侵害。

[1]邓 涛.旋流电解技术在铜电解净化生产中的运用[J].有色冶金设计与研究,2013,34(5):22-25.

[2]范 亚,张 苓,张 颖,等.旋流电解用钛阳极的制备及性能研究[J].湿法冶金,2013,32(3):179-180,193.

[3]邓 涛.旋流电解技术及应用[J].世界有色金属,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

孙慧平(1965—),男,教授,主要从事机电产品设计及教学研究工作。