铝电解多功能机组换极装置优化设计

991 编辑：中冶有色技术网来源：中国有色（沈阳）冶金机械有限公司

2023-02-21 13:33:52

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铝电解多功能机组( 以下简称“铝电解机组”) 是电解铝生产工艺中的关键设备之一。其中，铝电解机组中更换阳极机构(也称“换极装置”)作为重要的工具部件，主要负责阳极碳块更换过程中的碳块夹持、拧头定位、拧头松紧等功能，其设备减轻了电解槽槽前工作人员劳动强度，同时增加操作人员的安全性。

铝电解机组中更换阳极机构的整体结构较为复杂，在设计研制的过程中经历了很长一段时间的探索和研究并多次进行设计更改，在优化设计的过程中系统功能得以进一步完善。国内早期的换极装置主要通过气动控制作为阳极更换机构的主要动力源来实现，首先通过气缸的推动力将换极装置活动架在固定架的导向作用下降至预定位置并采用阳极夹头夹紧阳极导杆完成碳块夹持，下一步动作是通过气缸的推动力将拧头部件的活动导杆在固定导杆的导向作用下降至预定位置完成拧头定位并同小盒夹具螺栓相夹紧，紧接着通过液压马达的旋转松开小盒夹具螺栓完成拧头松开动作，从而完成阳极碳块的顺利拔出。早期的设计在实际操作过程中存在一定的不足，包括采用气缸作为驱动形式在工作过程中自锁能力较差，在阳极工作间歇期(夜间工作气源不足时)，拧头部件易产生下滑现象而需在第二天作业时重新提升机构。现今，铝电解机组的更换阳极机构的升降装置已被液压驱动系统所取代，保证了机构在工作间歇期的背压和工作平稳性，有效地防止机构的下滑。以下针对国内铝电解机组中更换阳极机构的结构改进做出分析并同国外ECL铝电解机组的更换阳极机构进行对比，提出更换阳极机构的改进措施。

1.换极装置设计改进

更换阳极装置是由夹头升降机构、拧头升降机构和阳极夹具等部件组成同时完成碳块夹持、拧头定位、拧头松紧等动作。夹头升降机构是由固定架、移动架、液压缸等主要部件组成，夹头升降机构依靠固定行程的液压缸活塞杆的推动来实现，活塞杆一端同固定架的耳轴相联接，另一端和移动架的耳轴采用销轴相联接并在移动架上安装滑板，同时采用螺栓把合使移动架在滑板的导向作用下移动。拧头升降机构同夹头升降机构在工作原理上一致，采用气缸推动使之拧头架准确定位并完成同小盒夹具螺栓的配合，马达旋转使小盒夹具螺栓拧松。阳极夹具则采用相配套的阳极夹头的安装夹子和夹紧液压缸来完成阳极的夹紧功能，靠弹簧的回弹力实现夹具的松开。

更换阳极机构工作流程: 铝电解机组运行至电解槽上部指定位置，移动换极机构至残极碳块正上方，夹头升降机构由液压油缸推动至指定高度，阳极夹具机构的安装夹子由夹具液压缸推动打开至碳块吊装孔，靠弹簧力回弹使碳块处于夹持状态(如图1，左图)。随后，拧头机构中的移动架随拧头液压缸带动卡板及其其他部件下降，直至卡板同拧头部件的卡板相卡紧且阳极导杆同小盒夹具完全配合，当拧头部件定位稳定后通过马达旋转带动拧头拧开小盒夹具螺栓，完成碳块夹持、拧头定位、拧头松紧的过程(如图1，右图)。紧接着逐步完成拧头部件提升、夹头提升带动阳极残极机构和小盒夹具同时提升至车间内的残极放置区，完成残极碳块更换的全过程。当更换阳极进行新阳极的安装时，铝电解机组则吊运新阳极碳块至指定残极拔出位置，主机构夹头升降油缸带动阳极移动架、拧头架、卡板以及其他部件向下运动，通过测高机构测量阳极到指定高度，然后下降卡板至同电解槽小盒夹具卡紧位置，转动液压马达带动拧头锁紧小盒夹具螺栓，拧头部件在阳极测高装置的测量下收回至预定位置，同时夹紧液压缸动作带动夹具夹头松开，上升至一定高度后靠弹簧力回弹，至此整体完成阳极新碳块的安装过程。

夹头升降机构和夹具机构动作，拧头升降机构和拧头机构动作。

图1 夹头升降机构和夹具机构动作，拧头升降机构和拧头机构动作。

从以下几个方面分析，更换阳极机构的结构改进设计。

1.1 动力源的设计改进

早期的动力源采用气动系统控制，易造成运行不平稳、机构背压不足致使机构下滑，气囊易损坏带来频繁更换等问题。其中，更换阳极机构中拧头升降机构由四键缸、中空轴、缸头等部件组成，通过压缩空气提供动力气源及电磁阀控制完成其机构升降和夹具夹紧动作，同时拧头部件的回转依靠液压马达来实现。在实际的应用过程中主要存在两个问题，一是气动夹具的开闭依靠气囊、动臂完成，气囊充气使夹头张开，切断气源夹具靠弹簧复位，但在长期的使用中造成气囊的寿命较短、安装不便利等问题需定期更换，造成整体工作的不便利。二是换极机构在夜间间歇性作业时，由于空压机供气源的间歇性供气、储气罐储能不足以及更换阳极的频率降低致使系统的保压压力也同时降低，基本压差维持在3MPa左右，此压力不能提供阳极机构的稳压背压，造成阳极机构及拧头架的下滑现象，降低了系统功能的完善性。现今的设计采用液压系统控制机构的升降代替气动控制作为主动力源，在设备安装调试现场通过液压系统控制来实现液压缸的动作和通过调节平衡阀来控制液压缸的背压，优点有以下两个方面。

(一)、夹具开闭采用单作用液压缸执行动作且靠弹簧的回弹力复位，改变了因气囊开闭造成的压力不足、气囊老化寿命较短等问题，解决了工具机构在失压时的下沉问题，夹具夹紧更加有力等问题。在换极装置很少工作的晚间时段可通过系统调压设定5MPa的背压来避免换极机构的大幅度下滑现象。通常要求液压站在停止工作后，液压缸吊挂一吨重物的情况下，在24小时内活塞杆伸出量不得超过50毫米。虽然在原设计基础上提高了动作效率但此液压动力源也存在一定的问题急待解决：由于液压缸液体压力设定较高，功率瞬间增加显著，系统压力过大使现场在使用时常出现拧头架弯曲变形现象。为防止拧头架由于系统压力过高而致变形的现象发生，在拧头架外侧支撑板和横向加强筋板中部增加加强筋，提高吊装孔两侧焊接板的刚度，减少卡板支撑板的变形且增强两支撑板中部加强结构的焊接强度。

(二)、拧头架在更换阳极机构工作流程中主要实现动力传递(升降油缸和液压马达)、卡板支撑(拧头部件)、拧头支撑。拧头和夹头升降油缸在升降过程中，卡板和小盒夹具螺栓接触时易产生冲击且由于操作者经验不同，对卡板是否接触到位确定不准确，造成反复升降卡板来调整卡板的接触位置，故而作为卡板支撑件的拧头架，经常承受较大冲击作用(冲击作用的大小取决于升降油缸推力大小)。以往设计的拧头部件采用气缸作为升降动力，主要是考虑机组经济性和空压机设备利用率，但现场使用反馈显示，气缸位置保持性、平稳性和响应性相对较差。为此，机组更换阳极机构的拧头架升降均改为液压系统控制较为优化。

1.2 拧头升降油缸位置的设计改进

铝电解机组换极装置中拧头升降机构原设计是将液压缸放置在移动架的内侧，可保证移动架在液压缸的推动下沿导向方向运行。现有的更改设计是将拧头升降油缸设定在移动架和固定架的外侧，这样可有效的便于使用过程中的维护、维修。同时，液压缸在移动架槽钢内，可有效节省设备空间(如图2)。

早期拧头机构升降油缸在移动架内侧，改进后拧头机构升降油缸在移动架外侧

图2 早期拧头机构升降油缸在移动架内侧，改进后拧头机构升降油缸在移动架外侧。

同时效仿法国ECL铝电解机组，将拧头升降油缸设定在移动架的外侧，便于设备检修的同时，节省了设备占用空间使结构更加紧凑(如图3)

图3 法国ECL电解车的换极装置结构

1.3 拧头架防颤动的设计改进

铝电解机组拧头架原设计采用四个螺栓把合的预紧力来维持拧头架和阳极支架的联接，同时，拧头架后部安装弹簧装置目的是压紧拧头架防止因拧头拧紧过程中产生晃动，拧头架中拧头座的导向辊始终保持沿阳极夹具中的导板移动，以便起到导向拧头架的运动方向(如图4)。

图4 早期拧头架四个螺栓及弹簧装置的固定方式

其中，阳极拧头在使用中存在扭力不足问题，现场应及时调整液压马达输出转矩达到规定值，并用扭矩测量仪检测扭力矩，当扭力较大的情况下，拧头架更易产生晃动现象，前期的改进措施之一是通过更改阳极拧头的旋转花键轴材质来提高拧头强度。由于螺栓摩擦力相对拧头移动架运动产生的拉力较小，时常产生拧头架晃动和螺栓的预紧力不足造成频繁螺栓脱落和频繁更换螺栓的现象，为客户生产造成不便。

现今，通过借鉴法国ECL电解车的弹簧平衡装置，将换极机构同拧头架的联接采用在换极机构的上部加装固定的吊架并采用销轴装配联接。同时，加装活节螺栓和弹簧机构来维持两部件之间的平衡，当弹簧受拉或受压时，靠弹簧力将拧头架在外力冲击下复位并在导向辊导向作用下沿移动架行走，弹簧装置起到减少拧头架摆动及减少拧头振动的作用。ECL电解车将弹簧装置移动至移动架的侧面，节省了马达后部空间并保证系统运行的有效性。

拧头架的结构形式

图5 拧头架的结构形式

现今做出进一步设计，将原仅靠螺栓预紧力来维持预紧的现象更换为固定架上把合相配套的耳轴连接。同时，拧头架中的空心导套、花键轴与上、下部分联轴器之间的联接原为弹簧销轴联接，时有发生弹簧销退出、拧头脱落现象，现更改为40Cr销轴联接，增加了系统的可靠性，保证了拧头架固定导杆同液压缸耳轴的有效联接。

1.4 绝缘系统的设计改进

铝电解机组换极装置的绝缘系统中，早期设计只是在阳极移动架同阳极夹具之间增加绝缘板，但由于电解槽的压力较低，而电解车的工况电压为380V,致使电压在压差的条件下传导(电流产生运动)并通过阳极移动架传导至拧头架部件的上部而至整个换极机构，因此原有的绝缘装置丧失其原本的绝缘目的。

耳轴部件、各轴套部件的绝缘

图6 耳轴部件、各轴套部件的绝缘

通过后期的改进设计，已在液压缸的耳轴部件、各轴套部件均增加了绝缘装置(如图6)，可有效防止各部件之间电流传导，保证整体装置的绝缘性。

1.5 拧头移动架卡阻的设计改进

铝电解机组换极装置的拧头架固定导杆采用材质Q345B且在焊接后进行滑动槽的铣槽工序，由于操作者在铣槽过程中进给量偏大造成局部应力过大，故而需要在工序中指定具体进给量的要求，可避免因进给量过大造成应力集中而产生零件的变形。在固定架同移动架的相对运动过程中，因应力变形可使滑条在固定架滑槽的行走间存在卡阻和跑偏的现象且易产生刮碰液压缸平衡阀的现象，专业的液压生产厂家已重新设计，将液压缸的接油管路做成弯管，避免阳极装置在升降过程中同叠加在液压缸接油油路中的平衡阀相碰撞。

后续可建议采用打壳机构中滚轮的运动方式来设计固定导杆和移动导杆间的相对运动，防止移动导杆的偏移。

1.6 阳极夹具的设计改进

夹头对位不准或夹持阳极途中夹头自行打开而出现非常危险的掉块情况。对位不准主要是对位卡板调整不到位或调整支座及调整螺钉整体强度不够，螺钉头部堆萎或弯曲直接影响间隙变化而造成夹头对位不准。阳极调运过程中夹头油缸应始终处于夹紧自锁状态，液压锁的控制压力及油缸密封件可靠性应定期检查调整。

2.结论

铝电解多功能机组换极装置的设计优化后运行更加灵活、安全、可靠,克服了以往机构的缺点,总结如下：

1.采用液压控制作为主动力源，可有效避免因气囊开闭造成的压力不足、气囊老化、寿命较短等问题，解决了换极装置在背压不足时造成的下沉问题，使夹具夹持更加有力。

2.将拧头升降油缸设定在移动架和固定架的外侧，便于在使用过程中的维护、维修。同时，液压缸在移动架上，可有效的节省设备空间。

3.更改弹簧平衡装置的位置，起到减少拧头架摆动及减少拧头振动的作用，将弹簧装置移动至移动架的侧面，节省了马达后部空间并保证系统运行的有效性。

4.液压缸的耳轴部件、各轴套部件均增加绝缘，可有效防止各部件之间电流传导，保证整体装置的绝缘性。

5.拧头移动架在铣削滑槽过程中要求进给量，避免因进给量过大造成应力集中而产生的零件变形，防止拧头架运动中卡阻现象。

6.增加液压锁，在阳极调运过程中夹头油缸应始终处于夹紧自锁状态，并对液压锁的控制压力及油缸密封件可靠性定期检查调整。

深入对铝电解多功能机组换极装置的研究，是现代化生产的需求和企业技术水平提升的重要方面。