陰極剝片機(jī)組常見故障分析及改造措施

陳世宏，張 航，姚軍鑑

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司金冠銅業(yè)分公司，安徽銅陵 244000）

0 引言

金冠銅業(yè)是繼美國科尼科特和山東祥光銅業(yè)后第三家采用Kennecott-Outotec 閃速熔煉及閃速吹煉工藝的冶煉廠，電解工藝采用先進(jìn)的PC（Permanent Cathode，永久不銹鋼陰極電解法）電解工藝，其中核心設(shè)備剝片機(jī)組由芬蘭奧圖泰公司成套設(shè)計(jì)制造。分析該機(jī)組使用過程中的常見故障及采取的改造措施，達(dá)到降低設(shè)備故障率，延長設(shè)備使用壽命的目的，最終提高設(shè)備使用穩(wěn)定性及可靠性。

1 陰極剝片機(jī)組作用及結(jié)構(gòu)組成

1.1 作用

陰極剝片機(jī)組主要用于將電解反應(yīng)完成的陰極銅進(jìn)行洗滌、剝離、鉚接、堆垛及打包等一系列過程，是電解銅產(chǎn)品的最后一道核心設(shè)備，設(shè)計(jì)能力700 塊/h，實(shí)際能力630 塊/h。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，機(jī)器人的實(shí)際能力僅能接近500 塊/h，與設(shè)計(jì)能力有較大差距，并且存在性能不穩(wěn)定的情況。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

陰極剝片機(jī)組主要由接收架、輸入小車、洗滌室、取板機(jī)器人、出板機(jī)器人、1 號/2 號剝片站、1 號/2 號陰極銅輸出機(jī)、堆垛機(jī)器人、銅垛輸出輸送機(jī)以及輸出小車、輸出架等組成（圖1）。

圖1 陰極剝片機(jī)組結(jié)構(gòu)組成

2 常見故障及原因分析

2.1 3#機(jī)器人堆垛不齊

剝片機(jī)組3#機(jī)器人在機(jī)組運(yùn)行不久后經(jīng)常出現(xiàn)堆垛不齊問題，夾具導(dǎo)向桿固定螺栓容易松動，夾具維護(hù)強(qiáng)度高。最初，夾具導(dǎo)向桿與安裝孔之間采用石墨銅套，導(dǎo)向桿在固定時，由于銅套的形變量很小，容易在導(dǎo)向桿上產(chǎn)生徑向力，且該徑向力大小不可控制和測量，從而導(dǎo)致4 根導(dǎo)向桿各處徑向力不同，在機(jī)組運(yùn)動時與銅套之間的摩擦力就會不同，兩邊抓手打開、關(guān)閉時呈現(xiàn)不同步的狀態(tài)。

2.2 剝片機(jī)組洗滌鏈條使用壽命較短

剝片機(jī)組洗滌鏈條使用過程主要存在以下兩方面問題：

（1）洗滌鏈條排距齒容易損壞。剝片機(jī)組洗滌鏈條使用排距齒結(jié)構(gòu)，排距齒為塑料材質(zhì)，內(nèi)襯不銹鋼板。在受到較大外力時（小車偏差或物料問題）極易發(fā)生損壞變形。損壞后即需更換，單個排距齒的價(jià)格為75 元，兩個剝片機(jī)組共2000 個排距齒，按每個排距齒使用壽命為半年計(jì)算，每年排距齒的備件費(fèi)用需要30 萬元左右。

（2）洗滌鏈條使用一段時間后出現(xiàn)負(fù)荷變大及運(yùn)行變慢的情況。原因分析：①鏈條滾子和套筒之間因磨損間隙變大，鏈條整體運(yùn)行過程中滾子不斷由滾動運(yùn)動變?yōu)榛瑒舆\(yùn)動，摩擦力不斷增大；②現(xiàn)洗滌鏈條材料均為不銹鋼316L，可以滿足現(xiàn)場pH=2～3 酸洗環(huán)境抗腐蝕性的使用要求，但其不銹鋼材料的滾子和套筒不可通過熱處理提高硬度，硬度在20 HRC 左右，硬度不足是造成二者容易磨損的主要原因。

2.3 翻轉(zhuǎn)輪故障率較高

前期翻轉(zhuǎn)輪故障是剝片機(jī)組較為常見的故障，且故障處理時間較長，主要表現(xiàn)在以下3 個方面。

（1）翻轉(zhuǎn)輪材料腐蝕。由于現(xiàn)場酸性工況環(huán)境，前期不耐酸材料翻轉(zhuǎn)輪不滿足使用要求，影響整體強(qiáng)度，存在使用隱患。

（2）翻轉(zhuǎn)輪減速機(jī)花鍵軸斷裂故障。翻轉(zhuǎn)輪減速機(jī)前期使用一段時間后容易出現(xiàn)花鍵軸斷裂故障，斷裂位置主要集中在退刀槽處。斷裂原因主要是翻轉(zhuǎn)輪受到的載荷沖擊以及不平衡慣性力的作用，另外退刀槽結(jié)構(gòu)導(dǎo)致應(yīng)力集中，容易造成疲勞斷裂。

（3）翻轉(zhuǎn)輪斷軸故障。翻轉(zhuǎn)輪斷軸故障主要是翻轉(zhuǎn)輪驅(qū)動軸在法蘭處發(fā)生斷裂，每次故障處理時間較長。故障原因主要是翻轉(zhuǎn)輪軸長期沖擊載荷作用而引起疲勞損壞。

2.4 分離架腐蝕

剝片站分離架前期使用過程中主要存在的問題是分離架本體接觸到陰極板上附著的酸液而產(chǎn)生腐蝕。原設(shè)計(jì)分離架本體為碳鋼材料，使用過程中已發(fā)生較嚴(yán)重的本體腐蝕，部分分離架本體方鋼已經(jīng)貫穿，臨時采用補(bǔ)焊的方式進(jìn)行處理，已經(jīng)對生產(chǎn)造成了較大的影響。主要原因是分離架本體材料為普通碳鋼材料，不耐酸，進(jìn)而產(chǎn)生腐蝕，原設(shè)計(jì)不適應(yīng)現(xiàn)場工況要求。

2.5 機(jī)器人存在升級等問題

剝片機(jī)組共用3 臺機(jī)器人，為庫卡品牌第二代產(chǎn)品，已停產(chǎn)多年，現(xiàn)場2#機(jī)器人碳纖維大臂控制箱螺紋孔有損傷，存在安全隱患，備件供應(yīng)價(jià)格昂貴且采購困難。

2.6 打包系統(tǒng)故障率高

剝片機(jī)組原打包系統(tǒng)自投產(chǎn)以來一直存在故障率高、使用率低的問題，主要有以下3 方面的原因：

（1）打包機(jī)機(jī)頭采用意大利孚蘭品牌（行業(yè)頂尖品牌），結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)精密，但零部件多，故障點(diǎn)多，排除故障困難，現(xiàn)場往往只能通過解體檢查排除，且需要熟練的檢修人員連續(xù)維修3～4 d，檢修周期長

（2）自動打包機(jī)使用強(qiáng)度在同行業(yè)處于非常高的狀態(tài)，單臺每天約220 捆，傳動零部件磨損量很大，一旦磨損惡化將無法運(yùn)行。打包機(jī)采用單機(jī)頭設(shè)計(jì)，同行業(yè)多采用雙機(jī)頭設(shè)計(jì)。

（3）自動打包機(jī)零件精密，備件原廠采購周期長。

3 設(shè)備改進(jìn)

3.1 3#機(jī)器人堆垛不齊問題的解決及改進(jìn)措施

針對存在的問題，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將銅套改為尼龍?zhí)?，情況稍有好轉(zhuǎn)。后通過分析將尼龍?zhí)赘臑橹本€滾動軸承。直線滾動軸承的優(yōu)點(diǎn)：①將導(dǎo)向桿與尼龍?zhí)字g的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，摩擦力大為減??；②直線滾動軸承外圈為軟材料，軸承滾子游隙較大，抵消導(dǎo)向桿受到的徑向力。

目前已在原夾具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上在東、西、南、北4 個方向增設(shè)規(guī)整夾爪，通過氣動與系統(tǒng)連鎖，在取板放板過程中予以輔助性堆垛規(guī)整，改進(jìn)后堆垛對齊效果良好。

3.2 剝片機(jī)組洗滌鏈條使用壽命較短問題的改進(jìn)措施

（1）根據(jù)損壞原因，將排距齒活動式改為固定式，材料選用304 不銹鋼。改進(jìn)后的鏈條壽命不受影響，而排距齒則無需更換，使用壽命可達(dá)2 年以上，每年可節(jié)省排距齒費(fèi)用30 萬元。

（2）針對洗滌鏈條阻力變大問題，根據(jù)原因分析及現(xiàn)場工況要求，洗滌鏈條需同時滿足抗腐蝕性和耐磨性需求，升級改進(jìn)措施：①材質(zhì)升級：針對磨損的滾子、套筒和銷軸，選用耐腐蝕性能同樣出色的馬氏體不銹鋼2Cr13，其他部件材料保持不變；②提高硬度：將2Cr13 材料的滾子、套筒和銷軸熱處理硬度提高到40～45 HRC，硬度較以往提高一倍以上，耐磨性將大大增加。

3.3 翻轉(zhuǎn)輪改進(jìn)措施

（1）針對材料不耐酸問題，對現(xiàn)場四套翻轉(zhuǎn)輪材料全部更換為不銹鋼304 材料，已全部完成改造。

（2）翻轉(zhuǎn)輪減速機(jī)損壞和斷軸故障改進(jìn)措施：①針對翻轉(zhuǎn)輪減速機(jī)花鍵軸斷軸，從花鍵軸結(jié)構(gòu)本身入手，取消退刀槽結(jié)構(gòu)，減少應(yīng)力集中造成的不利影響；②改進(jìn)翻轉(zhuǎn)輪軸結(jié)構(gòu)，將容易發(fā)生疲勞斷裂法蘭位置增加雙鍵結(jié)構(gòu)及加大焊接面積以增強(qiáng)傳動強(qiáng)度；③將原有法蘭硬性連接改為聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)形式以釋放沖擊應(yīng)力；④由于沖擊載荷造成疲勞斷裂故障，為此，將現(xiàn)場翻轉(zhuǎn)輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將原有硬性直連接改為彈性套柱銷聯(lián)軸器形式，用于釋放整個翻轉(zhuǎn)輪受到的沖擊載荷，延長翻轉(zhuǎn)輪使用壽命。

3.4 分離架改進(jìn)措施

（1）材料改進(jìn)。將原碳鋼分離架本體材料改進(jìn)為不銹鋼06Cr19Ni10，提高耐腐蝕性能。

（2）部分結(jié)構(gòu)改進(jìn)?？紤]到現(xiàn)場安裝需要，將分離架的本體方鋼由整體焊接式改為剖分式，剖分位置在分離架的中下部，剖分面采用螺栓連接，并且通過方形定位槽實(shí)現(xiàn)定位。

3.5 機(jī)器人升級改造

3.5.1 升級后機(jī)器人優(yōu)勢

目前庫卡機(jī)器人最新產(chǎn)品為四代機(jī)器人，與現(xiàn)場二代機(jī)器人比較有如下優(yōu)勢：

（1）現(xiàn)場二代機(jī)器人大臂采用碳纖維連桿結(jié)構(gòu)，其連桿承受較大的力矩作用導(dǎo)致故障較多，四代機(jī)器人采用高鋁合金結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡潔優(yōu)化，使用性能更好且穩(wěn)定可靠。

（2）二代產(chǎn)品的操作軟件版本為5.2，軟件功能較少，編程復(fù)雜、示教困難。而最新的四代機(jī)器人操作軟件版本已達(dá)到8.5.6，現(xiàn)階段軌跡調(diào)整較麻煩，新版本機(jī)器人程序修改及軌跡示教都較為容易實(shí)現(xiàn)。

（3）二代機(jī)器人現(xiàn)場控制柜內(nèi)部電子元器件繁多，整合性較差，備件供應(yīng)困難。四代機(jī)器人現(xiàn)場控制柜背部電子元器件整合性較好，總體元器件數(shù)量少了很多，備件準(zhǔn)備較為容易。

（4）四代機(jī)器人軌跡更圓滑，降低了物料擺動的可能。

3.5.2 2#機(jī)器人升級改造

針對現(xiàn)場2#機(jī)器人存在碳纖維大臂隱患問題，優(yōu)先對其進(jìn)行升級改造，同時對比選型產(chǎn)品，將二代機(jī)器人負(fù)載能力180 kg同步升級為四代機(jī)器人負(fù)載能力240 kg，提高了機(jī)器人本身負(fù)載能力，從而提高機(jī)器人使用穩(wěn)定性。

3.5.3 其余機(jī)器人升級改造

其余機(jī)器人升級改造同樣迫在眉睫，也在逐步推進(jìn)，將分步實(shí)施升級改造。

3.6 打包機(jī)系統(tǒng)改造

針對現(xiàn)場原有打包機(jī)系統(tǒng)存在的問題，將打包機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行雙機(jī)頭改造，降低打包機(jī)使用頻次，減少磨損，提高零部件的使用壽命。改造后打包機(jī)系統(tǒng)不僅具體原打包機(jī)所用功能外，增加步進(jìn)顯示屏（顯示打包機(jī)各個工位狀態(tài)，含報(bào)警等功能），便于及時準(zhǔn)確的判斷故障發(fā)生的位置，解決了現(xiàn)在故障排除較為困難的問題；還具有反吹掃鐵屑等功能。

4 使用效果

通過現(xiàn)場一系列改進(jìn)措施，前期故障已全部得到解決，使用壽命整體延長，設(shè)備穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng)。

（1）3#機(jī)器人堆垛不齊問題得以解決，安裝后運(yùn)行情況良好，使用1 年以上未發(fā)生故障，通過增設(shè)規(guī)整夾爪，夾具堆垛對齊已得到進(jìn)一步改善并持續(xù)穩(wěn)定。

（2）洗滌鏈條及排距齒改進(jìn)后，使用壽命預(yù)計(jì)可達(dá)24 個月以上，已遠(yuǎn)高于原6 個月的使用時間，改進(jìn)前后備件費(fèi)用基本相同。

（3）目前現(xiàn)場4 套翻轉(zhuǎn)輪驅(qū)動已全部改造完成，驅(qū)動減速機(jī)和翻轉(zhuǎn)輪軸的使用壽命大大增加，預(yù)計(jì)在24 個月以上。

（4）目前現(xiàn)場4 個分離架已全部完成改造及更換，使用效果良好，預(yù)計(jì)使用壽命可達(dá)10 年以上，徹底解決了設(shè)備存在的隱患，為穩(wěn)定生產(chǎn)提供了有效保證。

（5）機(jī)器人升級工作已陸續(xù)開展，目前已成功實(shí)施2#機(jī)器人升級改造且運(yùn)行良好，后續(xù)將持續(xù)開展剩余機(jī)器人的升級改造。

（6）打包機(jī)系統(tǒng)已成功實(shí)施改造，由原單機(jī)頭改造為雙機(jī)頭，目前雙機(jī)頭打包系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足自動打包的生產(chǎn)需求，打包率可達(dá)到100%。

5 結(jié)語

剝片機(jī)組在使用過程中存在的問題，通過不斷的實(shí)踐及改進(jìn)，對其不適應(yīng)的地方進(jìn)行加以改進(jìn)、改造，提高了設(shè)備穩(wěn)定性及使用可靠性，已完全能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求。