劉 煜

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

江銅集團貴溪冶煉廠電解車間于85年從日本住友金屬株式會社尼崎川副機械制造廠引進了兩臺行車和五條極板加工機組。其中，陰極整形聯(lián)動加工機組（又名始極片加工機組或1103機組）負(fù)責(zé)對始極片進行壓平、壓紋、鉚耳穿棒、排距等工作，制作成陰極、便于行車順利吊起并裝入電解槽內(nèi)。而提升機主要負(fù)責(zé)將加工處理后的陰極從1.3m平臺提升至行車可吊起的4.2m平臺，是始極片能否被行車順利吊起并進行裝槽的重要設(shè)備，它的安全穩(wěn)定運行直接影響到主工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定［1]。若因提升機頻繁掉板、吊鉤銷軸斷裂、彎曲變形等問題造成的停產(chǎn)或限產(chǎn)將帶來較大的經(jīng)濟損失。因此，探索并降低提升機的故障率極為重要。

始極片加工機組工藝流程圖見圖1。

圖1 始極片加工機組工藝流程圖

2 提升機常見故障原因分析及改進措施

2.1 吊鉤銷軸尺寸設(shè)計不合理

始極片被儲備運輸機的頂桿頂起后，到達(dá)提升機提取工位，其導(dǎo)電棒落在提升機鏈條的吊鉤上，通過鏈條的傳動，將始極片提升至4.2m的排列運輸機起始工位上（見圖2）。因此，吊鉤是提升機能否順利提運始極片的關(guān)鍵。而吊鉤是通過銷軸與鏈條安裝配合的（見圖3），因此，提升始極片時，主要由銷軸承受交變載荷作用［2]。由于吊鉤銷軸尺寸設(shè)計不合理，綜合強度不足，導(dǎo)致銷軸易過載變形、斷裂是提升機故障的主要原因。因此，合理設(shè)計吊鉤銷軸尺寸是保證提升機正常運轉(zhuǎn)的必要條件。

圖2 始極片提升示意圖

圖3 吊鉤銷軸裝配結(jié)構(gòu)

2.1.1 原因分析

（1）提升機在提升始極片的過程中，吊鉤銷軸主要受軸向力作用下的正應(yīng)力、徑向力作用下的切應(yīng)力及在提升機頂部轉(zhuǎn)動時在扭矩作用下的切應(yīng)力。

式中，P為軸向力，N；A為橫截面面積，mm2。

徑向力作用下的切應(yīng)力：軸向力作用下的正應(yīng)力：

式中，Mt為扭矩，N·M；Wt為抗扭截面模數(shù)，對于實心圓軸，

式中，Q為剪力，N；A為橫截面面積，mm2扭矩作用下的切應(yīng)力：

從（1）至（3）式中可以看出，銷軸所受的軸向力作用下的正應(yīng)力、徑向力作用下的切應(yīng)力及扭矩作用下的切應(yīng)力與銷軸直徑成反比［3]。

（2）提升始極片時，吊鉤銷軸與軸承及鏈板孔直接接觸，受始極片本身自重的作用，在接觸面上產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，當(dāng)長時間受擠壓應(yīng)力或擠壓應(yīng)力過大時，在孔、銷接觸的局部區(qū)域內(nèi)，將產(chǎn)生顯著塑性變形，以致影響孔、銷間的正常配合，從而導(dǎo)致銷軸變形、斷裂、卡死等故障［4]。

擠壓力作用下的擠壓應(yīng)力：

式中，F(xiàn)為擠壓面上的擠壓力，Abs為擠壓面的面積。

從（4）式可以看出，銷軸所受擠壓應(yīng)力與擠壓面的面積成反比，而面積故銷軸所受擠壓應(yīng)力與銷軸直徑成反比。

銷軸直徑越大其所受剪應(yīng)力越小，最大扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力也越小，銷軸直徑過小，在交變應(yīng)力的作用下，提升機頻繁動作，當(dāng)疲勞積累到一定程度而導(dǎo)致銷軸不足以承受所傳遞的彎矩和扭矩時，就會產(chǎn)生變形或剪切斷裂。

通過上述分析得出，加大銷軸的直徑可以有效解決銷軸頻繁變形、斷裂的問題。

2.1.2 改進措施

銷軸與吊鉤配合部分由于安裝了軸承，軸承承擔(dān)了大部分的力，故銷軸的該部位幾乎不會發(fā)生變形、斷裂等故障。而銷軸與鏈條裝配處無法安裝軸承，銷軸變形、斷裂等故障幾乎都來自該部位，故將銷軸與鏈板配合部位的直徑（A-A截面）由11mm增加到18mm（B-B截面），增強該部位的強度，參見圖4。

圖4 改進前后提升機銷軸對比圖

2.2 吊鉤銷軸材質(zhì)選擇不合理

吊鉤銷軸之前采用的是45鋼，為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，這種鋼中所含的硫、磷及非金屬夾雜物比碳素結(jié)構(gòu)鋼少，它不僅強度、硬度較高，且兼有較好的塑性和韌性，機械性能較為優(yōu)良［5]。然而在生產(chǎn)實踐過程中我們發(fā)現(xiàn)，加大作業(yè)量后，每個吊鉤銷軸每天要動作至少上千次，在這種交變應(yīng)力或重復(fù)應(yīng)力作用下工作，銷軸往往在工作應(yīng)力低于其屈服強度條件下發(fā)生疲勞斷裂，因此我們要選擇屈服強度更高的材料以滿足生產(chǎn)適應(yīng)性。

另外，提升機在提升始極片過程中，加載速度較快，從而導(dǎo)致銷軸受到了周期性變化的沖擊載荷作用。由于沖擊載荷的加速度高，作用時間短，使銷軸在受沖擊時，應(yīng)力分布與變形極不均勻。故對提升機銷軸來說，僅具有足夠的靜載荷強度指標(biāo)是不夠的，還須具有抵抗沖擊載荷的能力，而沖擊韌性就是反應(yīng)這一性能的指標(biāo)［6]。

因此，選擇40Cr合金鋼作為提升機銷軸的加工材料。40Cr合金鋼不僅具有更好的靜態(tài)力學(xué)性能，其動態(tài)力學(xué)性能沖擊韌性也較45鋼有了大幅度的提高，見表1。

表1 45鋼與40Cr鋼主要力學(xué)性能參數(shù)表

3 改進前后提升機故障統(tǒng)計對比

對改進前2014年及改進后2015年故障統(tǒng)計結(jié)果見表2所示。

表2 改進前后提升機故障統(tǒng)計

由表2可知，改進后平均每月?lián)p壞吊鉤數(shù)較改進前減少93.6%。

4 結(jié)語

提升機是傳統(tǒng)法電解陰極整形聯(lián)動機組的關(guān)鍵設(shè)備。其運行是否順暢，將直接影響生產(chǎn)效率。通過在生產(chǎn)過程中的不斷摸索，對關(guān)鍵部件的不斷改進，2015年提升機故障率大幅降低，極大的提升了始極片加工機組的作業(yè)率，降低了生產(chǎn)成本，為生產(chǎn)安全順行提供了強有力的技術(shù)保障。