（机械电子工程专业论文）铝电解槽清炉机开发及其挖掘头结构设计研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本课题主要研究了清炉机的研发可行性、总体方案、挖掘头的结构和几何参数 确定及主要部件截齿、齿座结构强度计算等问题。 根据铝电解质物理力学性质及其与电解槽的固结情况，结合现场清槽的工作经 验，对采用半自动化机械清理电解槽工作的可行性进行了研究，探讨了自动机械设 备清槽时应考虑的主要因素，在此基础上提出了清炉机的总体设计方案。 此专用清炉机采用一个挖掘头绕主切削机构主轴作旋转运动，既有自转，又有 横向、纵向、上下的移动，以对电解槽中电解质进行切削破碎。使用一个类似于装 载机铲斗的铲除装置铲除并向外运送已破碎的电解质。主切削机构和铲除装置安装 在小车行走机构上，通过大车行走机构的轨道实现横向行走，所有机构再通过基础 框架的轨道实现纵向行走。如此实现电解槽中电解质全方位的清理工作。 通过对掘进机挖掘头深入、详细的理论学习，结合现场清槽环境，运用现代设 计理念，仿效掘进机挖掘头设计了清炉机的主要部件挖掘头，并且确定了挖掘 头的结构和几何参数。 对镐形截齿截割机理和动力学参数计算，运用分析软件对挖掘机截齿进行有限 元分析，得出截齿工作时最易受损的位置及刀头的变形情况，为今后清炉机挖掘头 的设计和优化提供一些理论依据。 在清炉机齿座结构设计中，运用a n s y s 软件对齿座结构刚度与强度进行分析， 确定了最佳方案。 关键词：铝电解槽，电解质，清炉机，有限元分析，挖掘头 内蒙古科技大学硕：l - - 学b t 论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h em a c h i n e sf e a s i b i l i t y , o v e r a l lp r o g r a m , s t r u c t u r eo ff i r s t e x c a v a t i o n , m a j o rg e o m e t r i cp a r a m e t e r s o fm a i nc o m p o n e n t s ，a n ds t r u c t u r a ls t r e n g t h c a l c u l a t i o no f g e a rf o u n d a t i o n , e t e b a s i n go np h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o x i e so fa l u m i n u m se l e c t r o l y t e sa n di t s c o n s o l i d a t i o n 、丽t ht h ee l e c t r o l y z e r , a n dc o m b i n i n go fw o r k i n g - e x p e r i e n c ei np r o d u d n gi ti s t od i s c u s st h ef e a s i b i l i t yo ft h eu s eo fs e m i - a u t o m a t e dc l e a n i n ge l e c t r o l y z e ra n di n v e s t i g a t e t h em a i nf a c t o r so fc l e a r i n gb ya u t o m a t i cm a c h i n e r yw h i c hs h o u l db ec o n s i d e r e d b yt h i s f o u n d a t i o n , i to f f e r st h et o t a lp r o g r a mo f t h ea l u m i n u me l e c t r o l y z e r - e l e a n i n gm a c h i n e t h es p e c i a le l e c t r o l y z e r - c l e a n i n gm a c h i n eu s e saf i r s te x c a v a t i o nm o v i n gr o u n dt h e m a i nc u t t i n g - m e c h a n i s m sm a i na x i st op l a yam t a r ym o v e m e n t b o t ht h er o t a t i o n , a n d h o r i z o n t a l ，v e r t i c a l ，u pa n dd o w nm o v e m e n ti nt h ee l e c t r o l y z e r , i tl e a d st h ee l e c t r o l y t e st oc u t b r o k e n u s 啦as i m i l a rd e v i c et ot h eb u c k e to fe x c a v a t o rt oe r a d i c a t ea n do u t w a r dt r a n s p o r t o f t h ee l e c t r o l y t eh a sb e e nb r o k e n t h em a i nc u t t i n g - m e c h a n i s ma n de r a d i c a t i o na r ei n s t a l l e d o nw a l k i n g - c a r sb o d y t h r o u g ht h ew a l k i n g - c a r sh o r i z o n t a lm o v i n go nt r a c la l l m e c h a n i s m su s eaf r a m e w o r kt oa c h i e v ev e r t i c a lw a l k i n go nt r a c k i no r d e rt of i n i s ht h e w o r ko f e l e c t r o l y z e r saf u l lr a n g eo f c l e a n - u p b yd e e pa n d d e t a i l e dt h e o m t i c a ls t u d yo f b o r i n gm a c h i n e st r u n c a t i o n , w ec o m b i n ew i t h t h es i t ee l e e t r o l y z e r - e l e a n i n ge n v i r o n m e n t , u s em o d e md e s i g nc o n c e p t sa n df o l l o wt h e b d 血坶m a c h i n ei sd e s i g n e dt r u n c a t i o nt od e s i g nam a i nc o m p o n e n to fe l e c t r o l y z e r - c l e a n i n g t h et r u n c a t i o ni d e n t i f i e dt h es t r u c t u r ea n dg e o m e t r i cp a r a m e t e r s c a l c u l a t i o no fk i n e t i cp a r a m e t e r so fh o - s h a p e dc u t t e rf o rc u t t i n g , iu s ea n a l y s i s s o f t w a r et oc a r r yo u tf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ee x c a v a t o r sp i c k , w o r kc o m et ot h ep i c k m o s tv u l n e r a b l es e g m e n t sl o c a t i o na n dd e f o r m a t i o n f o rf u a a e l e e t r o l y z e r - c l e a n i n g e n v i r o n m e n t sd e s i g na n do p t u n i t 翻t t i o n , t h i sa r t i c l ep r o v i d e ss o m et h e o r e t i c a lb a s i s f i n a l l y , iu s ea n s y ss o f t w a r ef o ra n d y z i n gs t i f f n e s sa n ds 舵n g t ho fs t r u c t u r a li nt h e d e s i g no f t h ee l e e t r o l y z e r - c l e a n i n gm a c h i n e sg e a rf o u n d a t i o nt od e t e r m i n et h eb e s tp r o g r a m k e yw o r d s ：a l u m i n u me k c t r o 蜘z e r , e l e c t r o l y t e ，e i e c t r o l y z e r - c l e a n i n gm a c h i n e , te a , t r u n c a t i o n - 2 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特，l i j ) j h 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的i j j 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：玺旌乏一日期掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：虹导师签名：够日期：擎盟 内蒙古科技人学硕：l - q ：位论文 引言 自从电解法炼铝问世以来，铝工业的发展速度十分惊人。铝电解槽是电解铝厂必不 可少的电解铝装置，而铝电解槽中电解质的清理是摆在厂家面前的一个严峻的问题。目 前，普遍的做法是靠人工手工清理( 多用风镐破碎) ，该做法劳动强度大，工作环境十 分恶劣，清理周期长。基于国内的市场对电解质清炉机的急需和市场上该产品的空白， 包头某企业提出开发一种适应专用清理电解槽中电解质的机床的想法，并委托我校进行 研制。 对于这样一个国内无先例，国内外无借鉴具有研发性质设备，根据客户提出的要 求，即专用清理机床技术先进、结构简单、生产效率高、制造成本低、易于维护、节省 能源、降低工人劳动强度、造型美观。我校依托自己强大的设计能力，应用现代设计的 理论和方法，充分利用计算机辅助设计的强大功能，进行产品研究开发。 根据现场状况和客户要求，仿效煤田、矿山中的挖掘机和铣床铣削的原理，研发了 半自动化的专用清理设备- i 青炉机，清炉机的总体设计思想如下： 1 采用一个轴线垂直于电解槽底的旋转切削头实现电解质的破碎和剥离； 2 该切削头可在整个电解槽内工作，在空问中能够上下、左右、前后带负载移 动，以使全部电解质得到破碎； 3 使用一个类似于装载机铲斗的铲除装置铲除并向外运送已破碎的电解质； 4 使用喷雾系统对切削头和相关部位进行雾化冷却，同时减小尘土的飞扬。 为此，确定整个清炉机由工作切削装置、行走机构和操控系统等组成。 新型清炉机的研制开发，将填补国内该领域的空白，对于提高包头某企业乃至我国 铝业的装备技术水平，促进生产技术的全面进步和提高生产效率等具有重要意义。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 铝工业的发展历史 铝是当今世界上最有应用价值的金属之一。铝地壳中含量约为7 7 3 ( 重量) 仅次 于氧和硅，居第三位。目前，其产量及消费仅次于铁，被称“第二金属 。 自从电解法炼铝问世以来，铝生产量和消费量大约以平均每十年增长一倍的规模发 展，特别是近十年来，由于冶炼方法与工艺的不断改进和电力工业的发展，电价的下 降，铝工业的发展速度更是十分惊人。1 9 4 0 年全世界原铝产量不到1 0 0 万吨，到1 9 7 0 年已超过1 0 0 0 万吨，1 9 8 0 年达到1 6 5 0 万吨，1 9 9 0 年达到2 0 0 0 万吨，以后，世界上的 原铝产量和消费均以每年5 左右的速度增长，到2 0 0 1 年世界铝产量( 包括原铝和再生 铝) 和消费均已超过3 0 0 0 万吨，预计到2 0 1 0 年可能突破4 0 0 0 万吨大关。我国自2 0 世 纪8 0 年代初提出“优先发展铝 这一有色金属产业发展方针以来，铝产量有了突飞猛 进的增长，自从加入w t o 后，铝工业与世界有了进一步的融通，要在激烈的国际竞争 中立于不败之地，必须有强大的实力，产品要有市场，成本要低，才能盈利发展，才能 越走越强，这十年我国铝工业在量和质两个方面的大发展【1 3 】。 我国从1 9 9 0 年产量为1 4 6 万吨，到2 0 0 3 年已达6 1 1 2 1 万吨，增长了4 倍多。 2 0 0 4 年中国电解铝产量为9 2 7 力吨，据业内资料显示，2 0 0 5 年末，我国电解铝产量达 到9 5 0 万吨。而铝厂的规模也达到了1 4 0 多家。2 0 0 5 年单独电解铝厂产量超过2 0 万吨 的就有9 家 4 , 5 1 。 1 2 炼铝的生产工艺流程 近年来随着铝价的不断飙升，使得铝行业发展受到了一定程度的影响。而铝价的提 升不但与炼铝原材料的价格有关外，还和电解铝的加工工艺有着密切的联系。炼铝的生 产工艺流程如下图1 1 。 图1 1 炼铝的生产工艺流程 内蒙古科技大学硕士学位论文 而在我国，炼铝的工艺已经有着成熟而稳定的发展，想从中问环节提高效率，节约 开支已经是很小的发展空问了，不过我们可以利用自己的专业知识，对铝电解槽中电解 质清理这个环节进行技术改革，从而提高清渣效率，实现降低成本这一目标，就可以降 低铝价，从而加快我国的铝业发展。据初步预计，当铝钢成本比低于3 ：1 时，铝在汽 车，交通运输等工业部门及国民经济和人民生活的基础设施市场的用量将提高5 0 以 上，使铝材真正替代部分钢铁产品成为一种重要基础材料。 13 铝电解槽的作用及在生产中存在的问题 铝电解槽是电解铝厂必不可少的电解铝装置。而铝电解槽中电解质的清理是摆在厂 家面前的一个严峻的问题。铝厂中铝电解槽在寿命( 约1 年) 到期后需重新砌筑，为此 需将槽内冷却凝固后的较硬电解质彻底清理。国内绝大多数电解铝厂都采用人工方法对 铝电解槽中电解质进行清理，其方法是用风镐等简单的劳动工具对其进行清理，工人劳 动强度大，生产效率低，通常清理一个电解槽一般需要8 , - - 1 0 天左右的时间。考虑到国 内铝厂那么多的电解槽，每年的非必要的清理支出就是一个不菲的数目1 6 , 7 1 。 1 4 铝电解 椭炉帆的国内外发展状况 在国外发达国家，对电解槽电解质的清理已经实现了自动化。而在国内，据了解， 中国铝业集团下属的某公司在上世纪引进国外一台专用电解质清理机，经运行效果不太 好，现已停用。同时，出于购买和维护费用高昂这一主要原因，国内铝厂再没有引进国 外先进的清理设备，仍然采用费时费力的人工方法清理，所以，国内清炉机产品是一空 白。 基于国内的市场对电解质清炉机的急需和市场上该产品的空白，包头某企业提出开 发一种适应专用清理电解槽中电解质的机床的想法，并委托我校进行研制。要求这种专 用清理机床技术先进、结构简单、生产效率高、制造成本低、易于维护、节省能源、降 低工人劳动强度、造型美观。 1 5 课题研究的主要内容和需要解决的问题 1 5 1 需要解决的问题 铝电解槽为一长1 1 3 ，宽4 2 m 的长方形钢制槽体，每两电解槽相隔约1 5 m ，并且 中间有一排阳极立柱( 宽约0 5 m ) ，周边空间十分狭小，不易采用大型移动设备清理 电解槽，针对以上情况，包头某企业提出了研制专用清炉机的课题。为了使研制工作切 合实际、有的放矢，我们首先认真分析了铝电解槽的特点：( 1 ) 体积大、空间狭小； 3 内蒙古科技人学硕士学位论文 ( 2 ) 加工要求不高；( 3 ) 由于施工单位经济条件的限制，要求设备成本不宜过高。针 对以上工况特点，我们确定了以下有关清炉机的研制思路：( 1 ) 机床设计力求简单实 用，考虑到切削材质单一，切削参数变化范围十分有限，因此切削进给速度分档，铣削 速度不分档；( 2 ) 考虑到电解槽体积大，采用轨道加链轮链条模式在电解槽上进 行横向、纵向行走，采用立铣削模式对电解质截割；( 3 ) 能够高效、快捷地完成清理 工作；( 4 ) 自动化程度高；( 5 ) 低粉尘；( 6 ) 具有自动铲除、装运功能；( 7 ) 传动 平稳；( 8 ) 平均4 - - - - 6 小时完成一个电解槽的切削。 1 5 2 研究的主要内容 应用现代设计的理论和方法，充分利用计算机辅助设计的强大功能，进行产品开 发，满足设计任务的要求。具体内容如下： ( 1 ) 进行设备的总体方案设计 根据设计任务书的要求，外出现场调研，考察现有铝电解槽的结构组成、工作环 境，电解质的性质。 ( 2 ) 机构的运动学设计 对最终确定的设计方案进行结构创新设计与运动综合，以满足根据该机械的用途、 功能、和工艺条件而提出的运动规律、机构的位置或某点轨迹的要求。其内容主要包 括：机构的创新设计，机构主要尺寸的确定，机构运动参数的分析，传动比的确定与分 配等。 ( 3 ) 机械的动力学设计 在运动学设计的基础上，确定作用在机床系统各个构件上的载荷并进行机械的功率 和能量的计算。这部分内容主要包括：动力分析、功能分析、速度调节和机械的平衡 等。 ( 4 ) 结构的强度和刚度分析 借助于计算机软件a n s y s 的有限元强度和刚度分析功能，对机床主体结构等主要 受力部件进行计算，对机床进行最后完善 8 - 1 0 l 。 ( 5 ) 铝电解槽电解质专用清炉机的性能要求 铝电解槽电解质专用清炉机应以满足生产使用要求和保证生产率为前提，做到技术 先进，经济合理，运行可靠、稳定。 内颦 科技人学坝十制口论文 2 铝电解槽清炉机可行性研究及其总体方案设计 2 , 1 1 清炉工作环境和工况现状 2 ( ) 0 k a 电解槽为一长1 13 m ，宽4 2 m 的长疗形铡制槽体，具体结构和尺、j 如图2 l 所示。壮个槽体支撑在h 4 性基础上。工作时除承受铝液、炉衬和电解质的苇量外，还承 受阡l 极、阳缴* 架以及炉盖等部什的重最，蜊边环境i 分狭小这给清理i 作带来诸多 1 i 便。如图2 2 所示为拆古1 乜极、炉盖后l i ：住清理中的个铝电解槽，固态l 也解质充满 整个枘体并- ，电鲁1 1 槽壁紧密粘接，清理工作f 份困难。 罔址i l - 在清理的电解柙 内蒙古科技大学碗i 学位论文 2 1 0 电解质有关物理性质的测试 i 在确定清炉机总体设计方案之前，需详细了解电解质的机械性能，为此对现场 样品进行了碗度、抗托、抗压强度测试。见图23 25 。 内肇古丰十接人学硕十学位论文 测试结粜址表2i 。 表2 1 电解质机槭性能测试结粜 序0 试块h 、j ( r a m l 硬度破断拽荷抗爪铷g 抗拉强度 i 5 0 5 0 5 0 4 4 0 0 0 n 1 7 6 m p a 2 3 0 3 0 5 0 2 5 0 0 0 n2 78 m p a 3 3 0 x 3 0 x8 0 1 6 8 0 n65 4 m p a 莹占论：电解质抗拉强度为6 5 4 m p a ，抗j k 强鹰为”6 m i 2 78 m p a 2 为7 求合理的清理工岂，考察l u 解质的破碎性能，在铣床r 使用旋转速度为 3 0 n m i n 的硬质合金川头，采h j 多种进给量和进给速度，对样件进彳亍了校拟消炉机i 。作 的切 0 试验。见图2 6 。 ( b ) 图2 6 同志电解质在铣削后的协削面 内蒙古科技大学硕士学位论文 试验得到如下结论： 1 ) 使用硬质合金铣刀可很容易地( 与加工一般金属相比) 把电解质从母体材料上 切下： 2 ) 在适当的进给量和进给速度下，电解质可大块脱落； 3 ) 做完实验后，未见刀刃有明显磨损。具体详情见照片，如图2 6 所示。 综合上述两种试验结果，可初步判断该电解质强度不高，比较脆，易断裂，很容易 采用挖掘头( 巷道掘进机或煤炭截割机) 等工具破碎。采用类似煤岩截割的方式去清理 电解槽中电解质是完全可行的。 清炉机应满足的基本要求 1 要满足工艺要求。清炉机设备的工作范围应能覆盖电解槽的槽内空间，应能实 现对电解槽进行彻底清理； 2 要求重量轻，便于安装、转运： 3 工作安全可靠，传动平稳，效率高。要有足够的强度和使用寿命，不对槽体形 成破坏，不影响周边设备的正常工作； 4 操控简单，便于维修，并具有自动安全保护功能，包括过载保护等； 5 具有自动铲除、装运功能； 6 耐热、耐烘烤。 2 2 2 总体设计方案的内容和确定原则 方案设计是整体设计的关键，是从质的方面保证设计水平的重要步骤。在此阶段 中，设计人员根据设计要求表的各项要求，运用自己所掌握的知识和经验以及在产品规 划过程中所收集到的全部资料，构思出满足设计要求的原理解答方案。原理解答方案是 一种初步考虑结构形状并能完成所需功能载体，再运用创造性激知技术制定多种方案， 通过分析一综合一评价，求得满意的原理解答方案。方案设计阶段的工作流程见图 2 7 。 总体方案的选择与确定决定着设备的使用性能、尺寸、外形、重量、生产成本等重 要方面。对于这样一个国内无先例，国内外无借鉴具有研发性质设备，能否综合考虑各 方面的因素，提出个全面优化的总体方案，关系到这一产品开发的成败【i i 1 3 1 。 总体方案设计的确定原则： 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 图2 7 方案设计阶段工作流程 ( 1 ) 保证机械装置功能实现的质量，要求设计原理正确，实现方法合理，满足产 品的功能品质要求。 ( 2 ) 满足相关的安全可靠性指标，这些指标应包括在j 下常工作条件下，对产品本 身及操作者的安全提供保证。 ( 3 ) 设计产品在工艺上要求加工装配易于实现，同时具有良好的经济性。设计者 要力求简化设计对象的旌工工艺，使生产过程简单，周期短，成本低。 ( 4 ) 在使用维护中，要求设备在较短时间内，能完成指定的维护过程。 ( 5 ) 技术经济性是以产品的技术价值与经济价值之比来衡量的，产品技术含量越 高，价格成本越低，其技术经济性越好。 ( 6 ) 创新性决定了产品的自有知识产权含量，是评价设计水平的重要依据之一。 应按照创新思维方式进行独创新颖的设计1 1 4 - 1 5 。 2 2 3 铝电解槽清炉机设计特点 机床是人类在长期生产实践中不断改进生产工具的基础上产生的。随着社会的发展 和科学技术的进步，机床设计思想也在不断改进、发展和完善。机床设计思想的主要内 容是，把实际问题简化为模型，根据提供的数据和选定的目标函数，用计算机进行分 析、计算并选定最佳方案【1 纠9 1 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 铝电解槽在寿命到期后需重新砌筑，为此需将槽内冷却凝固后的较硬电解质清理干 净。目前，普遍的做法是靠人工手工清理( 多用风镐破碎) ，该做法劳动强度大，工作 环境十分恶劣( 操作人员要忍受电解槽余热的烘烤，粉尘多) ，清理周期长( 从停炉到 完成一个电解槽的清理工作一般需要8 - 1 0 天左右的时间) 。为了缩短清炉时间，改善 工人劳动条件，研制开发半自动化的专用清理设备请炉机是必要的。 一台好的清炉机应具备以下几个方面的特点： ( 1 ) 良好的使用性能 1 ) 所有的动作都要符合清理的工艺要求； 2 ) 运动平稳准确，具有足够的强度和刚度，能保证规定的运动精度； 3 ) 可靠性高； 4 ) 使用维修方便，操作简单安全。 ( 2 ) 合理的技术性能指标 1 ) 清理后的电解槽应保证满足客户提出的要求。例如：清理后的电解槽不应出现 变形、损坏或未清理干净等情况； 2 ) 具有合理的自动化程度。要根据需要和可能性来综合考虑，不能脱离具体的条 件盲目的追求先进性； 3 ) 贯彻标准化、通用性和系列化； 4 ) 结构简单，制造容易，成本低； 5 ) 生产效率高、能耗少； 6 ) 节约材料。 ( 3 ) 其他 1 ) 减轻劳动强度，改善劳动条件，提倡绿色设计，讲究技术美学，创造文明生产 条件； 2 ) 留有发展的余地，需要改进而不致造成全机废弃。 2 2 4 总体方案确定 根据现场状况和上述基本要求，仿效煤田、矿山中的挖掘机和铣床铣削的原理，提 出清炉机的总体设计思想如下： 1 采用一个轴线垂直于电解槽底的旋转切削头实现电解质的破碎和剥离； 2 该切削头可在整个电解槽内工作，在空间中能够上下、左右、前后带负载移 动，以使全部电解质得到破碎： 3 使用一个类似于装载机铲斗的铲除装置铲除并向外运送已破碎的电解质： 4 使用喷雾系统对切削头和相关部位进行雾化冷却，同时减小尘土的飞扬。 内蒙古科技大学硕士学位论文 不。 为此，确定整个清炉机由工作切削装置、行走机构和操控系统等组成，如图2 8 所 工作赫部分篇竺装肭 清炉机 行走部分 攀曼二妻主薹毳耋嚣鬻 自动控制部分 图2 8 总体方案主要构成 显然，这是一个比较复杂的机电系统，要实现的机构动作非常多，包括切削头的旋 转、移动、升降，以及破碎后电解质的铲除和装运等。若全部采用电动的方式，则不可 避免地导致体积庞大，机构复杂，重量过大等问题。考虑到清炉机中各机构都在较低的 速度下工作运行，而液压马达又具有直接带负载的特点，本装置采用全液压传动方式， 用液压缸和液压马达实现所有的运动。省去了体积相对较大的电机和减速传动装置等， 化筒了机构，缩小体积，减轻了重量。 液压站设置到地面上，用高压软管通过接口箱向清炉机供油，控制阀设置到移动小 车上，提高了控制精度，减少了拖链中管路的数量，这是较好的选择，但需要克服防热 的问题。 2 2 5 总体方案设计 如图2 9 所示为该总体方案结构原理简图。主切削机构3 和铲斗1 安装在小车行走 机构2 上，主切削机构3 可上下移动。小车行走机构2 可在大车行走机构4 的轨道上行 走i 而大车行走机构4 又能在基础框架5 行走。如此可实现全方位的清理工作。 1 工作反力的克服。小车、大车行走机构要承受来自主切削头的扭矩，水平载荷 和向上的反推力，当向上的反推力较大时，车轮2 、4 与轨道间的摩擦力会减小，甚至 小车行走机构会被顶起，车轮打滑，传动失效。为了使小车、大车行走机构能在各自轨 道上平稳运行，除采用双( 上、下) 踏面导轨外，还分别在小车、大车行走机构的两侧 各设置两个水平抗扭支承轮3 、6 ，同时还采用独立的固定链条轨道链轮1 、5 保证 大、小车行走机构两侧车轮能不打滑地同步转动，光面车轮只起支承和导向作用。固定 链条和支承轮的导轨均固定到大、小行走机构的箱型框架上，保证了运动的确定性和平 稳性，较好地解决了反力的平衡问题。抗扭装置的示意图见图2 1 0 。 内蒙古科技大学硕+ 学位论文 l2345 厂 厂 ，一 广 ， 一 一 甄 r l 一 奄3 一 - 卜嘲d 一 毒，l - 一 c 1 铲斗2 小车行走机构3 主切削机构 4 大车行走机构5 基础框架 图2 9 总体方案结构原理简图 l2 3 4 一 5 6 1 小车行走机构链轮一同定链条装置2 小车行走机构车轮 3 小车行走机构抗扭支承轮4 大车行走机构车轮 5 大车行走机构链轮一固定链条装置6 人车行走机构抗扭支承轮 图2 1 0 抗扭装置示意图 2 防热问题的解决。拆去电解槽上的电极、炉盖后，电解质温度高达8 5 0 c 左 右，人工清理时，需要将温度在自然环境下降到常温，这个过程需要3 - - 5 天，为缩短 清理时间，同时还考虑到清炉机能够安全工作，清炉机工作环境温度要求在3 0 0 c 以下 工作。在这么高温度下工作时，由于液压马达、滚动轴承等装置距离电解质很近 内蒙古科技人学硕士学位论文 ( 2 0 0 - - 5 0 0 m m ) ，经长时间烘烤后，这些部件要带高温工作，存在着安全隐患。为消 除安全隐患，采取的具体措施是：在这些部件和电解质之间增加防热隔板，该装置内采 用不锈钢材料制成的托水盘，清炉机工作时，在该托水盘内装满水。同时，为发挥挖掘 头最佳的截割性能，在其周围增加喷雾装置( 冷却水来自电解槽外的固定水箱) j 对挖 掘头周围的电解质进行瞬间冷却降温。 3 车架结构。横向( 小车) 行走轨道( 5 2 5 m ) l 和纵向( 大车) 行走轨道 ( 1 2 6 m ) l 的跨度很大，为保证清炉机运行平稳，在轨道外侧增加一箱型梁2 以提高 轨道的刚度。横向( 小车) 、纵向( 大车) 行走轨道结构示意图见图2 1l 。 】2 1 小车、小车行走机构轨道2 基础框架箱型梁 图2 1 1 小车、大车行走轨道结构示意图 4 其它问题 清炉机设备比较大，转运比较困难，因此，要在设备上有足够、合理的吊环以便于 转运；横向行走机构在转运过程中要加以固定，所以，要在设备上增加固定销装置，以 消除安全隐患。另外，整个设备需要有专门的检修、存放台架存放。 2 3 本章小结 在对铝电解槽采用机械化清炉可行性研究的基础上，提出了总体设计方案，该方案 原理正确，实现方法合理，能够满足清理电解槽中电解质的要求，对提高经济效益有重 要意义。 内蒙古科技人学硕+ 学位论文 3 挖掘头几何参数的研究及其结构设计 铝电解槽清炉机关键部件挖掘头是仿着掘进机的挖掘头设计、加工制造的。部 分断面掘进机 2 0 - 2 5 】的挖掘头按布置方式分为纵轴式和横轴式两大类，其结构形状有很多 种，但都是由头体( 又称母体) 、一螺旋叶片、齿座和截齿等组成的。掘进机挖掘头的结 构参数包括挖掘头的长度、直径、锥角、螺旋叶片的头数与升角等1 2 6 - 2 7 1 。 3 1 纵横两种挖掘头的特点及其性能比较 横轴式挖掘头采用剥削原理破落煤岩，纵轴式挖掘头则采用铣削原理破落煤岩。横 轴式挖掘头_ 般用于软岩掘进，纵轴式挖掘头则多用于硬岩掘进，因为它们分别在软岩 和硬岩中效率较高。挖掘头的形式主要是由巷道的开拓条件决定，纵轴式挖掘头和横轴 式挖掘头的主要区别在于各自的截齿排列方式不同。纵轴式挖掘头的应用范围广，。而横 轴式挖掘头的截割性能好【2 8 。2 】。可见两种挖掘头在使用中各具优缺点，因此本节重点介 绍两种挖掘头的特点以及对两种挖掘头的多个方面的性能进行综合比较，进而决定清炉 机挖掘头的布置方式。 3 1 1 纵横两种挖掘头的特点 1 挖掘头结构及外形轮廓 纵轴式挖掘头的头体为组焊式结构，挖掘头通过键与主轴相连。纵轴式挖掘头的外 形轮廓有球形、球柱形、球锥形和球锥柱形四种，其中球锥形挖掘头得到了较多的应 用。 横轴式挖掘头的头体多为厚钢板的组焊结构或螺钉联结结构。横轴式挖掘头的形状 较为复杂，其外形的包络面( 线) 一般是由几段不同曲面( 线) 组合而成。 2 截齿 纵横两种挖掘头都普遍采用镐形截齿。为保证挖掘头具有较大的单齿截割力和挖掘 头的平稳性，一般纵轴式挖掘头的截齿个数为2 0 - 5 0 个，横轴式挖掘头可安装5 0 - 1 0 0 个，软的煤岩取低值，硬的煤岩取高值。 纵轴式挖掘头的截齿均按螺旋线方式分布在头体上，螺旋线头数一般为2 3 条。 横轴式挖掘头的截齿数量较多，且按空间螺旋线方式分布在挖掘头体上，螺旋线头数为 ， l 4 条。 3 挖掘头工作情况 纵轴式挖掘头在掘进巷道时，挖掘头首先要钻进工作面一定深度，然后横向摆动截 割，达到巷道边界后，沿垂直方向截割一定高度，再水平摆动截割，如此循环往复，直 内蒙古科技大学硕士学位论文 到完成对全工作面的截割。横轴式挖掘头在掘进巷道时，也是在工作面的某一位置沿巷 道掘进方向切进一定深度，然后挖掘头上下和左右摆动扩大截割范围，实现对全工作面 的截割，但要注意的是，由于横轴式挖掘头和结构所限，不允许完全作垂直摆动截割。 3 1 - 2 纵横两种挖掘头的性能比较 1 截齿截割力 将两类截齿截割力比较，在中硬或硬岩的条件下，横轴式和纵轴式挖掘头均采用水 平摆动截割时，横轴式两个挖掘头中只有一个参加截割。对于单个截齿受力而言，纵轴 式挖掘头中有效单刀截割力稍大于横轴式挖掘头。 2 掏槽的进给力 挖掘头掏槽时，纵轴式的推进方向几乎垂直于截割力方向，因而只需较小的进给 力，而且截割深度可由几厘米到整个挖掘头长度任选。横轴式的推进方向与截割力方向 几乎一致，必须用较大的进给力。如果由行走机构进给掏槽，则应加大行走功率。而且 截割深度最大不能超过2 3 截割直径，这不便于挖柱窝。 3 巷道轮廓 由于纵轴式挖掘头为锥体外形，如果挖掘头和悬臂的转动点与巷道轮廓相适应，可 切出光滑巷道轮廓。对于横轴式挖掘头，无论其外形尺寸如何确定，在现有悬臂设计的 情况下，也不能一次轻而易举的切出光滑的巷道轮廓来，只有用挖掘头反复截割，并且 操作技术好，才能掘出平整的想到轮廓。 4 工作稳定性一 纵轴式挖掘头在摆动截割时，机器受到的侧向力较大，为了提高机器的稳定性，机 器重量较大。与纵轴式挖掘头相比，横轴式挖掘头接触岩石的面积小得多，所以横轴式 挖掘头比较容易实现稳定截割。纵轴式挖掘头截割时载荷产生的使机器不稳定的力矩与 机器重力的力矩在两个相互垂直的平面，无助于减轻机器的不稳定现象，因此，横轴式 掘进机比纵轴式掘进机稳定，而且横轴式掘进机的重量可以做的较轻，单在使用时不如 纵轴式布置方便。 5 粉尘与喷雾 纵轴式挖掘头由于挖掘头是埋在被截割煤岩中工作，且转速低，因而产尘量少。横 轴式挖掘头转速高、齿数较多，且不被煤岩所包埋，因而产尘量较多。 为了灭尘，同时又冷却刀齿，避免产生火花，两类挖掘头都装设内外喷雾，外喷雾 是装在截割臂上，内喷雾的压力水管是装在挖掘头内部，分配到每个截齿喷嘴。纵轴式 挖掘头实现内喷雾比较容易，在截割时，所有喷嘴都工作。横轴式挖掘头的旋转方向是 内蒙古科技大学硕士学位论文 垂直于截割臂，要求有选择的喷雾，只有当截齿与煤岩接触时才喷雾，不接触煤岩的截 齿停止喷雾，否则影响司机操作。实现有选择喷雾，其结构比较复杂、故障较多。 6 生产能力 根据英国和奥地利掘进机公司现场实验，纵轴式和横轴式的截割功率相同，当被截 割岩石的硬度相同时，横轴式掘进机比纵轴式掘进机生产的能力几乎高出一倍，当然横 轴式截齿消耗也高一些。 根据纵轴式和横轴式各自的特点以及相互性能比较，结合清炉工作环境和工况现状 以及电解质的物理性质，挖掘头的布置方式采用纵轴式比较适合清炉机的设计、现实操 作和工作。通过对掘进机的纵轴式挖掘头中的参数进行详细分析确定，设计出铝电解槽 清炉机中的关键部件挖掘头，进而确定挖掘头的结构和几何参数。 3 2 纵轴式挖掘头 3 2 1 结构形式的确定 3 3 1 1 头体结构 纵轴式掘进机挖掘头的形状通常有圆柱形、圆锥形和圆锥加圆柱形几种，如图3 1 所示。 日卫 了 ( a )( b )( c ) 图3 1 挖掘头的头体形状 柱形挖掘头( 图3 1 a ) 横向摆动截割时，截齿的轴线平行于工作面煤壁表面，截齿 受力较好，挖掘头轴向载荷小，但会截出锯齿形的巷道顶板和地板，如图3 2 a 所示。这 样，给支护工作带来困难，巷道平整度也不易保证，掘进机工作后尚需人工辅助铲平 顶、底板，增加了辅助工序时间和劳动强度。如果不采取有效措施，钻进工作面也比较 困难。 因为在钻进过程中，主要是由位于挖掘头前端、靠近煤壁表面的部分截齿工作，磨 损比较严重。为了使柱形挖掘头形成扩散形的钻孔轮廓，可采用变高度螺旋叶片，即叶 片的高度沿挖掘头轴线方向从前往后是逐渐增加的。这样，既可满足钻孑l 轮廓的要求， 又增大了排屑能力，可防止挖掘头堵塞。但是，由于截齿位于叶片上，虽然在轮廓尺寸 一定的条件下截齿受力不变，可是叶片增高后使力臂加长，为保持原有的刚度，就要加 内蒙古科技大学硕士学位论文 大叶片厚度，这将造成挖掘头重量增加，对掘进机的稳定性不利。而且，这种叶片加工 比较困难，给生产带来不便。 对于锥形加柱形的挖掘头( 图3 1 b ) ，由于截齿的布置是其轴线垂直于头体母线， 锥段上的截齿是向工作面煤壁方向倾斜的，这样有利于挖掘头钻进工作面。而柱段上截 齿的轴线垂直于钻进方向，横向摆动截割时受力较好，但在钻进时截齿承受较大的侧向 载荷，容易造成断齿、齿座脱落等现象。这种挖掘头的形状复杂，制造麻烦，在两部分 衔接处，截齿排列比较困难。 显然，锥形挖掘头( 图3 1 c ) 能很好地适应钻孔轮廓要求，是保证钻进容易的最佳 选择，也能保证截割出来的巷道表面平整( 图3 2 b ) 。虽然横向摆动截割时截齿受有偏 载，但如能合理地排列截齿，可改善截齿的受力。而且其结构简单、制造容易，因此， 应优先选用这种形状的挖掘头。 ( b ) 图3 2 挖掘头形状与顶底板表面形状的关系 2 叶片结构 掘进机挖掘头上的螺旋叶片是用来排屑的( 将截落的煤岩及时排出，以减小截割阻 力) ，其结构型式有3 种。 一种是采用搭接方式，即由若干块金属板分别焊接在两个相邻的齿座间，构成连续 的螺旋叶片。 第二种是把几段钢板分段滚压，再连接成整体叶片。 第三种方法是将连续的钢板整体成形，然后直接缠绕在挖掘头的头体上，构成光滑 的、整体的螺旋叶片。 综上所述，应根据实际的设备情况、工艺水平和技术力量等因素，综合考虑来确定 螺旋叶片的具体结构型式。 3 截齿的类型与数量 选择截齿类型时，应综合考虑煤岩的坚固性、抗截强度、脆性程度、所含夹石层的 软硬等因素。 一般来说，煤质坚硬、节理和层理都不明显、裂隙不发达的煤巷，可选用刀形齿。 但因其径向安装( 截齿轴线沿挖掘头的半径方向) ，刀体部分承受弯矩较大，容易断 裂，所以刀体应具有较高的强度。 内蒙古科技大学硕士学位论文 对于煤质硬而脆、且含有硬夹石的煤层，应选用镐形齿。这种截齿强度大、耐磨， 而且截割阻力的方向近于截齿的轴线方向，齿身所受的弯矩小；齿的固定方法也较简 单。如果设计合理，可使截齿在截割过程中旋转，自磨刃，保持齿尖的锐利，减小截割 阻力，延长截齿寿命。所以，这种截齿在掘进机挖掘头上使用较多。所以，铝电解槽清 炉机床上的挖掘头也采用镐形齿。 截齿的数量与截齿的截割能力和机器工作的平稳性有关。在挖掘头功率一定的条件 下，截齿个数越多，每个截齿具有的截割能力就越小，而且使切屑厚度减小、截割粉尘 增多。因此，截齿的数量不宜过多。但截齿个数太少又使每个截齿的截割阻力增大，需 采用强度较大的截齿而且容易造成挖掘头载荷的波动。为保证挖掘头具有较大的单齿 截割力和挖掘头工作的平稳性。一般，纵轴式掘进机挖掘头的截齿个数应在2 0 5 0 内 选取，其中，软的煤岩取低值，煤岩较硬时取高值。 3 2 2 结构参数的研究【5 l l 挖掘头的长度 纵轴式掘进机挖掘头的长度是指挖掘头沿轴线方向的长度，其值大小不仅影响掘进 机工作的循环时间，而且还和煤岩的性质及其压张效应有关。因此，必须台理地选取。 图3 3 煤壁的压张效应 被截割魄煤岩在煤层中处于三向挤压应力状态，在掘进过程中，由于工作面空间的 出现，煤岩应力的分布有所改变，使其和附近的煤岩体产生拉伸变形，从而引起煤岩体 的抗截强度降低，这一现象称为压张效应( 见图3 3 ) 。压张的程度与煤岩的特性、围 岩的特点、掘进的棚距和断面高度、掘进工作面的裸露时间有关。煤岩体的节理层理越 完全、硬度越低，工作面的裸露时间越长、工作面越高，压强效应就越明显，压张带也 越宽。对煤岩而吉，在掘进过程中压张带的宽度一般为工作面高度的3 0 ；而对于比较 内蒙古科技大学硕士学位论文 硬的岩石，图3 3 煤壁的压张效应压张带小于工作面高度的2 0 。因此，挖掘头的长度 应设计在压张带尺寸范围内。 若挖掘头较长，虽对提高掘进机的生产率有利，但却使截割阻力和比能耗增加。如 果截割功率不能满足要求，可能因阻力太大，使悬臂摆动速度降低，截割循环的时间加 长，影响掘进速度。如果挖掘头设计得太短，虽然可以利用自由面和地压作用，但由于 钻进深度小，将使掘进机速度降低。通常，纵轴式掘进机挖掘头的长度等于掘进机的最 大掏槽深度( 见图3 4 ) ，即最大进刀量h ，它的大小与煤岩特性和截割的循环速度有 关。另外，还要考虑使掘进机的进刀量与棚距相适应，它们之间应满足以下关系： l o k l = s k 2 式中i 0 - _ 掘进机挖掘头的轴向进刀量； k l 进刀次数； 争枷间距离； k 2 架棚数。 图3 4 最大掏槽深度 ( 式3 1 ) 这样，当掘进机进刀k 1 次时，应架设k 2 架棚，从而避免了由于进刀数或者架棚数 不是整数而造成的掘进速度降低或空顶距离过大的现象。棚距要根据工作面的地质条件 确定，一般在0 6 - - 一1 0 m 范围内。通常，纵轴式掘进机挖掘头的长度可取5 0 0 一 8 0 0 m m ，大功率的掘进机可取为1 0 0 0 m m 左右。 2 挖掘头的直径 挖掘头的直径通常指其平均直径，它决定着掘进机的生产率和截齿的截割能力，并 与巷道断面大小有关。掘进机的理论生产率q r ( m 3 h ) a t = 6 0 2 0 d l u b ( 式3 2 ) 内蒙古科技人学硕士学位论文 d 挖掘头的平均直径( m ) ； i 广- - 挖掘头的