李清明

酒鋼集團(tuán)甘肅東興鋁業(yè)有限公司，中國(guó)·甘肅 嘉峪關(guān) 735100

1 引言

在現(xiàn)代機(jī)械生產(chǎn)中，生產(chǎn)質(zhì)量和效率與機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行息息相關(guān)，設(shè)備的正常運(yùn)行需要定期的檢修、維護(hù)保養(yǎng)才能得以保障，所以設(shè)備的維護(hù)質(zhì)量是重中之重。堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向，理論聯(lián)系實(shí)際，找出設(shè)備故障根源，才能從根本上解決問(wèn)題。

2 陽(yáng)極組裝概況

在電解鋁產(chǎn)業(yè)里陽(yáng)極組裝是電解鋁生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的工藝程序。東興鋁業(yè)有限公司陽(yáng)極組裝作業(yè)區(qū)的主要任務(wù)是殘極回收、導(dǎo)桿回收、電解質(zhì)破碎、陽(yáng)極生產(chǎn)等。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，東興鋁業(yè)陽(yáng)極組裝車間也不例外，主要生產(chǎn)線采用了加拿大奧圖泰公司提供的進(jìn)口設(shè)備。

實(shí)際生產(chǎn)中陽(yáng)極組裝生產(chǎn)線已基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，只有部分崗位還處于半自動(dòng)化。然而在機(jī)械化時(shí)代的生產(chǎn)領(lǐng)域中，設(shè)備的故障率往往直接影響著生產(chǎn)的質(zhì)量和效率?？v觀陽(yáng)極組裝幾年的生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行情況，由于設(shè)備的復(fù)雜性和運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)，其中電解質(zhì)清理機(jī)、磷鐵環(huán)壓脫機(jī)、澆鑄站相對(duì)故障較高。

3 磷鐵環(huán)壓脫機(jī)介紹

磷鐵環(huán)壓脫是陽(yáng)極組裝的一項(xiàng)必不可少的工藝，其作用是將連接導(dǎo)桿和炭塊的磷鐵環(huán)從導(dǎo)桿鋼爪上脫離開(kāi)來(lái)。主要的部件有鉗口剪力板、人字架、頂頭、主油缸、剪力板大梁、推車機(jī)等。進(jìn)口磷鐵環(huán)壓脫機(jī)與中國(guó)國(guó)產(chǎn)磷鐵環(huán)壓脫機(jī)的不同在于進(jìn)口磷鐵環(huán)壓脫機(jī)為雙刀式—主油缸上升下降一個(gè)循環(huán)只壓脫兩個(gè)鋼爪鐵環(huán)；中國(guó)國(guó)產(chǎn)磷鐵環(huán)壓脫機(jī)為四刀式，可一次壓脫四個(gè)鋼爪鐵環(huán)。如圖1所示為導(dǎo)桿組示意圖。推車機(jī)將導(dǎo)桿推入1 號(hào)壓脫位，鉗口剪力板伸出將1 號(hào)、3 號(hào)鋼爪夾緊固定，主油缸驅(qū)動(dòng)刀架上升，在頂頭與鉗口剪力板的共同作用下，磷鐵環(huán)受切應(yīng)力和壓應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)磷鐵環(huán)的強(qiáng)度極限時(shí)，磷鐵環(huán)碎裂并與鋼爪分離，主油缸上升到位后下降，主油缸、鉗口剪力板回退到初始位置，然后推車機(jī)將導(dǎo)桿推至2 號(hào)位，進(jìn)而壓脫2 號(hào)、4 號(hào)鋼爪磷鐵環(huán)。磷鐵環(huán)壓脫機(jī)是液壓設(shè)備，鉗口剪力板、頂頭刀架都是由油缸驅(qū)動(dòng)。其中剪力板油缸是型號(hào)為4.00CJJ2HCTS255AC6.00 的單活塞式單向直線往復(fù)型油缸，主油缸為柱塞式油缸，主油泵是型號(hào)為PV270R1D3T1VMRC 的柱塞泵。

圖1 導(dǎo)桿組示意圖

4 “雙刀單壓”故障描述

所謂“雙刀單壓”是指導(dǎo)桿的1 號(hào)或3 號(hào)（2 號(hào)或4 號(hào)）鋼爪磷鐵環(huán)在主油缸未上升時(shí)已脫落其一或在壓脫過(guò)程中其中一個(gè)優(yōu)先壓脫，使雙頂頭中只有一副頂頭受力壓脫的過(guò)程。“雙刀單壓”會(huì)使刀架整體受力失去平衡而發(fā)生偏斜。當(dāng)出現(xiàn)“雙刀單壓”現(xiàn)象時(shí)可能產(chǎn)生以下故障：

①主頂缸無(wú)法下降；②磷鐵環(huán)壓脫無(wú)力；③鉗口剪力板無(wú)法收回；④主油缸與刀架連接螺栓斷裂；⑤零部件變形或損壞。

5 故障分析

磷鐵環(huán)壓脫機(jī)的主油缸為柱塞式液壓油缸，其特點(diǎn)是柱塞式液壓缸是一種單作用式液壓缸，靠液壓力只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，柱塞回程要靠柱塞及刀架的重量下降，往往稍有卡阻就能導(dǎo)致無(wú)法下降。導(dǎo)致主油缸無(wú)法下降有以下幾種機(jī)械原因：

一是卡阻。從磷鐵環(huán)壓脫機(jī)的實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)知，“人”字刀架兩端與固定“墻”在軌道和耐磨滑條的約束下存在一定的間隙，當(dāng)壓碎的磷鐵環(huán)碎片進(jìn)入間隙中，主油缸在下降時(shí)產(chǎn)生較大的卡阻力而無(wú)法下降。為了防止碎鐵片進(jìn)入間隙，使用鋼板將縫隙堵塞，間隙有原來(lái)的30mm縮減到10mm以內(nèi)，間隙過(guò)小。

二是摩擦。如圖2所示，假設(shè)人字架上升時(shí)沒(méi)有限制自由度，在主油缸的推動(dòng)下，只有一側(cè)頂頭與磷鐵環(huán)相互作用，另一側(cè)頂頭與鋼爪相互作用，當(dāng)左側(cè)頂頭擠壓磷鐵環(huán)時(shí)，由于刀架左側(cè)受鐵環(huán)的反作用而無(wú)法繼續(xù)上升，右側(cè)頂頭相對(duì)應(yīng)的鋼爪無(wú)磷鐵環(huán)限制，可與剪力板發(fā)生相對(duì)位移，致使刀架右側(cè)在主油缸的推動(dòng)下繼續(xù)上移，刀架為鋼結(jié)構(gòu)，自身具有一定強(qiáng)度，在保持形狀不變時(shí)向左傾斜。刀架與立板接觸而產(chǎn)生摩擦力，磷鐵環(huán)仍未碎裂，主油缸上升仍未到位，主油缸繼續(xù)施壓，在壓力增加的過(guò)程中刀架、立板、軌道間產(chǎn)生的摩擦力也隨之增大。當(dāng)摩擦力增加到一定值后，整體設(shè)備系統(tǒng)的合外力為零，此時(shí)的狀態(tài)為主油泵輸出壓力已達(dá)最大，磷鐵環(huán)未被壓碎，表現(xiàn)為壓脫機(jī)無(wú)力。在刀架與立板接觸后，刀架與立板接觸部位局部發(fā)生變形，隨摩擦力的增加，變形區(qū)域也隨之?dāng)U大，由于彈性變形，使刀架以變形能的方式儲(chǔ)存于鋼結(jié)構(gòu)。當(dāng)主油缸的推力撤銷后，鋼結(jié)構(gòu)的部分變性能釋放，刀架仍與立板接觸，并產(chǎn)生方向相反的摩擦力，當(dāng)最大靜摩擦力（滑動(dòng)摩擦力）大于相關(guān)零部件的重力和時(shí)，主油缸保持靜止，表現(xiàn)為主油缸、刀架無(wú)法下降。在現(xiàn)場(chǎng)處理此故障往往是將磷鐵環(huán)使用其他方式破碎或強(qiáng)行將剪力板打開(kāi)，使刀架變形能完全釋放，恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)。

圖2 摩擦示意圖

三是液壓控制組件故障，這里不做深入分析。

6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

SolidWorks 軟件是世界上第一個(gè)基于Windows 開(kāi)發(fā)的三維CAD 系統(tǒng)，其功能強(qiáng)大。在這里結(jié)合鐵環(huán)壓脫機(jī)的結(jié)構(gòu)，使用solidworks 建立三維模型，再使用solidworks simulation插件，對(duì)零部件進(jìn)行靜應(yīng)力有限元分析。已知主油泵的輸出最大壓力為2200PSI（約15MP），主油缸柱塞的直徑為429mm。刀架、柱塞、導(dǎo)桿組重力和為46.5KN。

6.1 理想狀態(tài)下磷鐵環(huán)的壓脫情況

鐵環(huán)高度為140mm，鐵環(huán)壁厚為20mm，磷鐵環(huán)的壓縮強(qiáng)度為572MP。當(dāng)導(dǎo)桿鋼爪磷鐵環(huán)的形狀、大小完全相等時(shí)，主油缸上升壓脫過(guò)程中，刀架受力前后完全對(duì)稱，磷鐵環(huán)同時(shí)破碎的狀態(tài)為理性狀態(tài)。磷鐵環(huán)通過(guò)鐵水澆鑄形成，在冷卻過(guò)程中向內(nèi)收縮，緊緊與鋼爪貼附在一起。為了便于壓脫，澆鑄之前在鋼爪表面蘸涂一層石墨。陽(yáng)極組裝澆鑄使用的鐵水標(biāo)準(zhǔn)配比見(jiàn)表1。在一般的鋼結(jié)構(gòu)及合金中P 作為有害元素，需要除去，尤其是設(shè)備的受沖擊部位。P 加入鐵水冷卻后具有冷脆效果，是冷裂紋產(chǎn)生的重要原因。然而在陽(yáng)極組裝工藝中，磷鐵環(huán)壓脫需要這一特性[1]。

表1 陽(yáng)極組裝澆鑄使用的鐵水標(biāo)準(zhǔn)配比表

在理想狀態(tài)下磷鐵環(huán)強(qiáng)度校核計(jì)算。圖3為磷鐵環(huán)示意圖，當(dāng)磷鐵環(huán)某一部位受壓后應(yīng)力超過(guò)壓縮強(qiáng)度，這一部位就會(huì)產(chǎn)生裂紋。壓脫過(guò)程中，磷鐵環(huán)的上環(huán)面受剪力板的限制，下底部在刀具頂頭的作用下擠壓，隨著主油缸的上升，刀具頂頭作用力的增加，磷鐵環(huán)所受的應(yīng)力超過(guò)其壓縮強(qiáng)度產(chǎn)生碎裂，這時(shí)頂頭的力作用于鋼爪底部，鋼爪在頂頭的作用下向上升起，磷鐵環(huán)由于剪力板的限制無(wú)法上升，這時(shí)磷鐵環(huán)與鋼爪的接觸面形成剪切力，使磷鐵環(huán)與鋼爪產(chǎn)生相對(duì)位移。從刀具頂頭的形狀不難看出，磷鐵環(huán)環(huán)壁與頂頭斜面接觸后形成漲力，在漲力的作用下，鐵環(huán)環(huán)壁向外擴(kuò)張形成拉伸應(yīng)力。當(dāng)漲力增加到某一值后磷鐵環(huán)破碎，從而磷鐵環(huán)脫離鋼爪。由于元素P 的存在，磷鐵環(huán)在低溫下為脆性材料，當(dāng)局部產(chǎn)生裂紋，在較大的外力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋會(huì)沿著薄弱面迅速擴(kuò)張[2]。

圖3 磷鐵環(huán)示意圖

6.2 “雙刀單壓”時(shí)的危害

“雙刀單壓”不但使壓脫機(jī)表現(xiàn)出無(wú)力感和主油缸無(wú)法下降，對(duì)壓脫機(jī)的零部件也造成了巨大的損害。如限制刀架自由度的耐磨塊，當(dāng)摩擦力越大，耐磨塊承受的壓力也越大，耐磨塊的損害程度也就越大；刀架傾斜，連接刀架和主油缸的螺栓斷裂；由于刀架傾斜的原因，主油缸柱塞密封組件與缸體的擠壓和摩擦增大，密封組件的壽命縮短；剪力板保護(hù)環(huán)與磷鐵環(huán)強(qiáng)壓力接觸，刀架傾斜伴隨磷鐵環(huán)與保護(hù)環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成保護(hù)環(huán)磨損等。

刀架端面與立板之間的距離為30mm 時(shí)，不受耐磨塊的影響，壓脫過(guò)程中刀架在主油缸最大壓力的推動(dòng)下，零部件各部位的應(yīng)力分布、位移變化、變形分布仿真分析圖。從應(yīng)力分布圖中可看出，磷鐵環(huán)整體應(yīng)力已超壓縮強(qiáng)度，且最高應(yīng)力達(dá)1810.2MP，由此可知主油缸輸出壓力還未到達(dá)最大，磷鐵環(huán)已破碎。

使用控制變量法，設(shè)刀架與立板的間距為變量1，主油缸的推力為變量2，頂頭的中心距為變量3。取變量1 為10mm、20mm、30mm，取變量2 為1010750N、1200000N、1500000N、2121500N， 變量3 為700mm、350mm。 使用solidworks 分別對(duì)以上數(shù)據(jù)建模分析計(jì)算，從節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力變化和節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)變變化可知節(jié)點(diǎn)的變形符合胡克定律：

式中，NF為截面的拉力或壓力；L為NF方向的長(zhǎng)度；E為材料的彈性模量；A為截面的橫截面積；ΔL為材料的拉伸或壓縮變量；σ 為正應(yīng)力。

從有限元節(jié)點(diǎn)最大位移變化圖中可知，隨著間隙的減小，節(jié)點(diǎn)的位移明顯減小，這是由于間隙變小，在推力的作用下，左側(cè)頂頭受到限制，刀架傾斜，與立板內(nèi)側(cè)接觸產(chǎn)生摩擦，并限制了節(jié)點(diǎn)位移的變化；理想狀態(tài)下主油缸最大輸出壓力時(shí)磷鐵環(huán)承受頂頭的作用力為，此時(shí)磷鐵環(huán)的應(yīng)力為1604.8MP，應(yīng)變?yōu)?.582×10-3，無(wú)論是應(yīng)力還是應(yīng)變?cè)凇半p刀單壓”時(shí)總小于理想狀態(tài)下，以此證明了“雙刀單壓”過(guò)程中產(chǎn)生阻力，致使磷鐵環(huán)破碎的推力值提高，提高的力抵消產(chǎn)生的摩擦力和內(nèi)力。隨著刀架的傾斜，連接主油缸的結(jié)合面也隨之傾斜，主油缸柱塞在螺栓和缸體的共同作用下有傾斜趨勢(shì)，致使連接螺栓產(chǎn)生巨大拉力，生產(chǎn)過(guò)程中往復(fù)的交變使螺栓的疲勞強(qiáng)度減低而斷裂[3]。

7 結(jié)語(yǔ)

雙刀式磷鐵環(huán)壓脫機(jī)在壓脫時(shí)，由于出現(xiàn)“雙刀單壓”現(xiàn)象，使刀架傾斜，與零部件的相互作用，造成主油缸表現(xiàn)無(wú)力；刀架無(wú)法下降；主油缸與刀架連接螺栓斷裂等故障。所以間隙的調(diào)整直接影響鐵環(huán)的破碎、螺栓的使用壽命及刀架的自鎖（刀架、鐵環(huán)、剪力板、立板的相互作用）。耐磨塊磨損一定程度后及時(shí)更換，以防與軌道間隙過(guò)大而失效，加強(qiáng)鋼爪校直工藝效果，防止因鋼爪嚴(yán)重變形，澆鑄后的磷鐵環(huán)幾何尺寸發(fā)生嚴(yán)重變化而不易碎裂；加強(qiáng)蘸石墨工藝效果，防止因過(guò)大的磷鐵環(huán)貼附力而不易脫落；加強(qiáng)殘極壓脫工藝，減少斷爪和脫環(huán)導(dǎo)桿量，進(jìn)而減少“雙刀單壓”的頻率；通過(guò)靜應(yīng)力分析，頂頭中心距越小，其效果越接近理想狀態(tài)，“單刀雙壓”造成的危害也就越小。