降低始极片加工机组提升机故障率实践

2019-09-24刘煜

铜业工程 2019年4期

刘煜

（江西铜业集团有限公司贵溪冶炼厂，江西贵溪 335424）

1 引言

江铜集团贵溪冶炼厂电解车间于85年从日本住友金属株式会社尼崎川副机械制造厂引进了两台行车和五条极板加工机组。其中，阴极整形联动加工机组（又名始极片加工机组或1103机组）负责对始极片进行压平、压纹、铆耳穿棒、排距等工作，制作成阴极、便于行车顺利吊起并装入电解槽内。而提升机主要负责将加工处理后的阴极从1.3m平台提升至行车可吊起的4.2m平台，是始极片能否被行车顺利吊起并进行装槽的重要设备，它的安全稳定运行直接影响到主工艺的生产稳定［1]。若因提升机频繁掉板、吊钩销轴断裂、弯曲变形等问题造成的停产或限产将带来较大的经济损失。因此，探索并降低提升机的故障率极为重要。

始极片加工机组工艺流程图见图1。

图1 始极片加工机组工艺流程图

2 提升机常见故障原因分析及改进措施

2.1 吊钩销轴尺寸设计不合理

始极片被储备运输机的顶杆顶起后，到达提升机提取工位，其导电棒落在提升机链条的吊钩上，通过链条的传动，将始极片提升至4.2m的排列运输机起始工位上（见图2）。因此，吊钩是提升机能否顺利提运始极片的关键。而吊钩是通过销轴与链条安装配合的（见图3），因此，提升始极片时，主要由销轴承受交变载荷作用［2]。由于吊钩销轴尺寸设计不合理，综合强度不足，导致销轴易过载变形、断裂是提升机故障的主要原因。因此，合理设计吊钩销轴尺寸是保证提升机正常运转的必要条件。

图2 始极片提升示意图

图3 吊钩销轴装配结构

2.1.1 原因分析

（1）提升机在提升始极片的过程中，吊钩销轴主要受轴向力作用下的正应力、径向力作用下的切应力及在提升机顶部转动时在扭矩作用下的切应力。

式中，P为轴向力，N；A为横截面面积，mm2。

径向力作用下的切应力：轴向力作用下的正应力：

式中，Mt为扭矩，N·M；Wt为抗扭截面模数，对于实心圆轴，

式中，Q为剪力，N；A为横截面面积，mm2扭矩作用下的切应力：

从（1）至（3）式中可以看出，销轴所受的轴向力作用下的正应力、径向力作用下的切应力及扭矩作用下的切应力与销轴直径成反比［3]。

（2）提升始极片时，吊钩销轴与轴承及链板孔直接接触，受始极片本身自重的作用，在接触面上产生挤压应力，当长时间受挤压应力或挤压应力过大时，在孔、销接触的局部区域内，将产生显著塑性变形，以致影响孔、销间的正常配合，从而导致销轴变形、断裂、卡死等故障［4]。

挤压力作用下的挤压应力：

式中，F为挤压面上的挤压力，Abs为挤压面的面积。

从（4）式可以看出，销轴所受挤压应力与挤压面的面积成反比，而面积故销轴所受挤压应力与销轴直径成反比。

销轴直径越大其所受剪应力越小，最大扭转剪应力也越小，销轴直径过小，在交变应力的作用下，提升机频繁动作，当疲劳积累到一定程度而导致销轴不足以承受所传递的弯矩和扭矩时，就会产生变形或剪切断裂。

通过上述分析得出，加大销轴的直径可以有效解决销轴频繁变形、断裂的问题。

2.1.2 改进措施

销轴与吊钩配合部分由于安装了轴承，轴承承担了大部分的力，故销轴的该部位几乎不会发生变形、断裂等故障。而销轴与链条装配处无法安装轴承，销轴变形、断裂等故障几乎都来自该部位，故将销轴与链板配合部位的直径（A-A截面）由11mm增加到18mm（B-B截面），增强该部位的强度，参见图4。

图4 改进前后提升机销轴对比图

2.2 吊钩销轴材质选择不合理

吊钩销轴之前采用的是45钢，为优质碳素钢，这种钢中所含的硫、磷及非金属夹杂物比碳素结构钢少，它不仅强度、硬度较高，且兼有较好的塑性和韧性，机械性能较为优良［5]。然而在生产实践过程中我们发现，加大作业量后，每个吊钩销轴每天要动作至少上千次，在这种交变应力或重复应力作用下工作，销轴往往在工作应力低于其屈服强度条件下发生疲劳断裂，因此我们要选择屈服强度更高的材料以满足生产适应性。

另外，提升机在提升始极片过程中，加载速度较快，从而导致销轴受到了周期性变化的冲击载荷作用。由于冲击载荷的加速度高，作用时间短，使销轴在受冲击时，应力分布与变形极不均匀。故对提升机销轴来说，仅具有足够的静载荷强度指标是不够的，还须具有抵抗冲击载荷的能力，而冲击韧性就是反应这一性能的指标［6]。

因此，选择40Cr合金钢作为提升机销轴的加工材料。40Cr合金钢不仅具有更好的静态力学性能，其动态力学性能冲击韧性也较45钢有了大幅度的提高，见表1。