劉 煜

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠電解車間于85年從日本住友金屬株式會(huì)社尼崎川副機(jī)械制造廠引進(jìn)了兩臺(tái)行車和五條極板加工機(jī)組。其中，陰極整形聯(lián)動(dòng)加工機(jī)組（又名始極片加工機(jī)組或1103機(jī)組）負(fù)責(zé)對(duì)始極片進(jìn)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(jī)主要負(fù)責(zé)將加工處理后的陰極從1.3m平臺(tái)提升至行車可吊起的4.2m平臺(tái)，是始極片能否被行車順利吊起并進(jìn)行裝槽的重要設(shè)備，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到主工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定［1]。若因提升機(jī)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(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，探索并降低提升機(jī)的故障率極為重要。

始極片加工機(jī)組工藝流程圖見圖1。

圖1 始極片加工機(jī)組工藝流程圖

2 提升機(jī)常見故障原因分析及改進(jìn)措施

2.1 吊鉤銷軸尺寸設(shè)計(jì)不合理

始極片被儲(chǔ)備運(yùn)輸機(jī)的頂桿頂起后，到達(dá)提升機(jī)提取工位，其導(dǎo)電棒落在提升機(jī)鏈條的吊鉤上，通過鏈條的傳動(dòng)，將始極片提升至4.2m的排列運(yùn)輸機(jī)起始工位上（見圖2）。因此，吊鉤是提升機(jī)能否順利提運(yùn)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(shí)，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(jì)不合理，綜合強(qiáng)度不足，導(dǎo)致銷軸易過載變形、斷裂是提升機(jī)故障的主要原因。因此，合理設(shè)計(jì)吊鉤銷軸尺寸是保證提升機(jī)正常運(yùn)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(jī)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(jī)頂部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(duì)于實(shí)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(shí)，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(zhǎng)時(shí)間受擠壓應(yīng)力或擠壓應(yīng)力過大時(shí)，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(jī)頻繁動(dòng)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(shí)，就會(huì)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(jìn)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(huì)發(fā)生變形、斷裂等故障。而銷軸與鏈條裝配處無(wú)法安裝軸承，銷軸變形、斷裂等故障幾乎都來(lái)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(qiáng)該部位的強(qiáng)度，參見圖4。

圖4 改進(jìn)前后提升機(jī)銷軸對(duì)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(qiáng)度、硬度較高，且兼有較好的塑性和韌性，機(jī)械性能較為優(yōu)良［5]。然而在生產(chǎn)實(shí)踐過程中我們發(fā)現(xiàn)，加大作業(yè)量后，每個(gè)吊鉤銷軸每天要?jiǎng)幼髦辽偕锨Т?，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(qiáng)度條件下發(fā)生疲勞斷裂，因此我們要選擇屈服強(qiáng)度更高的材料以滿足生產(chǎn)適應(yīng)性。

另外，提升機(jī)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(shí)間短，使銷軸在受沖擊時(shí)，應(yīng)力分布與變形極不均勻。故對(duì)提升機(jī)銷軸來(lái)說，僅具有足夠的靜載荷強(qiáng)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(jī)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(dòng)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(jìn)前后提升機(jī)故障統(tǒng)計(jì)對(duì)比

對(duì)改進(jìn)前2014年及改進(jìn)后2015年故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2所示。

表2 改進(jìn)前后提升機(jī)故障統(tǒng)計(jì)

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

4 結(jié)語(yǔ)

提升機(jī)是傳統(tǒng)法電解陰極整形聯(lián)動(dòng)機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備。其運(yùn)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(duì)關(guān)鍵部件的不斷改進(jìn)，2015年提升機(jī)故障率大幅降低，極大的提升了始極片加工機(jī)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(qiáng)有力的技術(shù)保障。