陽極板載運車提升卸載裝置改進與優化

李曉光

（江西銅業集團（貴溪）物流有限公司，江西 貴溪 335424）

1 引言

江銅集團物流有限公司承擔著集團內部的物流、運輸工作，其中貴溪冶煉廠區內多處堆場的陽極板需要每天進行轉運，陽極板載運車是承擔陽極板轉運的主要運輸裝備之一，主要是把熔煉車間產出的陽極板從陽極爐堆場轉運至電解車間陽極板堆場，每次轉運載重量為20 t。由于陽極板載運車是新投入使用的設備，在運行過程中存在較多問題［2］。本文重點對陽極板載運車提升卸載裝置產生變形的原因進行深入分析，并提出改進優化方案，從而確保車輛的正常運行。

2 陽極板載運車提升卸載裝置結構

陽極板載運車提升卸載裝置主要由液壓系統、提升架及相關檢測限位裝置組成。液壓系統為提升、卸載裝置提供動力，通過控制液壓缸的上升、下降來驅動提升裝置上升、下降，從而實現對陽極板的裝載、卸載。提升卸載裝置主要包括支撐橫梁、提升卸載框架、拉桿、左右限位軸承、前后限位軸承等，主要對所承載的20 t 陽極板起支撐作用。當車輛提升卸載裝置插入排列整齊的陽極板后，后視系統監控提升卸載裝置是否插入到底，確認插入到位后，液壓系統提供動力驅動提升卸載裝置將陽極板抬起，并對陽極板起限位支撐作用。提升卸載裝置主要結構如圖1 所示。

圖1 提升卸載裝置結構示意圖

3 存在的問題

陽極板載運車提升卸載裝置在使用過程中，與支撐橫梁相連接的提升卸載框架的焊接部位出現了較大程度的彎曲形變，如圖2 所示。提升卸載裝置框架立板變形造成了提升卸載裝置整體向前移位。立板向駕駛室端彎曲變形，且形變量逐漸變大，存在斷裂風險，已不能充分保證載運車的正常運行［3］。

圖2 立板彎曲變形圖

4 原因分析

4.1 提升卸載裝置缺乏自由度導致變形

陽極板提升卸載機構主要由油缸支座、油缸、銷軸、提升裝置等組成，具體結構如圖3 所示［4］。從圖示外觀可以看出，油缸上下吊耳處安裝有向心關節球軸承，具體結構如圖4 所示。油缸上下吊耳處在銷軸徑向與軸向上均可以轉動，從受力分析情況看，軸向轉動角度過大可導致提升卸載裝置立板部位在油缸作用力下發生彎曲變形。

圖3 陽極板提升機構圖

圖4 油缸安裝結構

油缸上下吊耳處在銷軸軸向方向轉動時，最大轉動角度為15°。提升卸載裝置前高后低時，前后提點高度差為210 mm，偏移角度分別為4.36°和4.32°，前底后高時，前后提點高度差為350 mm，偏移角度分別為10.64°和9.4°，具體結構如圖5所示。從圖5 可知，轉到極限位置時，均沒有超出油缸轉動的極限角度，因此提升卸載裝置自由度足夠，提升卸載機構可正常轉動，不會導致提升卸載裝置立板部位彎曲變形。

圖5 提升卸載裝置轉動極限位置

4.2 擺動撞擊導致變形

車輛運行過程中，發現限位支架所有固定螺栓松動滑絲，限位支架限位距離大，提升卸載裝置前后擺動位置大，尤其是在裝載陽極板后，因擺動撞擊可能導致提升卸載裝置立板部位變形。在出現限位支架所有固定螺栓松動滑絲時，提升卸載裝置立板已經輕微彎曲變形，采取對限位支架焊接加固修復后，發現提升卸載裝置立板彎曲變形更加嚴重，說明此處變形與限位支架損壞關聯不大。從受力分析情況看，因液壓油缸可以前后擺動，限位距離大小不會導致提升卸載裝置立板部位彎曲變形。

4.3 提升裝置傾斜重力導致變形

提升裝置為矩形框架結構，如圖6 所示。當提升裝置傾斜時，陽極板及自身重力可能將提升裝置薄弱部位壓彎變形，尤其是提升卸載框架三塊立板處更易變形。從提升卸載裝置變形位置可知，立板向前部彎曲變形，提升裝置在轉動極限位置時，所受前后方向的作用力最大，若以一半重力作用在前部油缸進行計算，陽極板及提升卸載裝置重量按11 t 計算。

圖6 提升裝置圖

受力作用如圖7 所示，前后方向上所受彎矩N1=FL1sina=11000×9.8×0.22×sin9.4°=3865.7 N·m。

圖7 受力作用圖

彎曲變形位置截面圖如圖8 所示，前后方向上抗彎模量W1=6×1/6×bh2=65×12×12=9360 mm3，則所受應力σ=N1/W1=413 MPa，大于Q355B 鋼板的屈服強度（345 MPa）。

圖8 彎曲部位截面圖

可見，此處存在強度不足問題。雖然實際使用過程中，因為承載時傾斜角度并未達到9.4°，沒有導致立板瞬時彎曲，但在使用過程中立板仍會慢慢彎曲。現場使用時，提升卸載裝置插入陽極板提起后，需要后翹，使提起的陽極板與擺放的陽極板分離，因此提升裝置傾斜重力是導致變形的原因之一。

4.4 提升裝置硬性碰撞沖擊導致變形

載運車在裝載和卸載時，偶爾出現的緊急剎車以及提升卸載裝置與陽極板的硬性碰撞，會產生很大的制動減速度從而產生慣性力。而提升卸載裝置上部支撐橫梁及拉桿重量較大，總重量約為580 kg，上部支撐橫梁及拉桿由于負載慣性大會產生很大的向后慣性力［5］。提升卸載框架三塊豎直的立板，在前后反向上的承載能力很弱，難以支撐緊急制動及硬性碰撞時上部支撐橫梁及拉桿產生的慣性力，長時間使用就會產生變形。

若以沖擊產生加速度為2g 計算，則上部產生沖擊力F=2mg=580×9.8=11368 N，力矩距離L1=710 mm，前后方向上抗彎模量W2=12×1/6×b×h2=65×12×12=18720 mm2，則所受應力σ=FL/W2=431.2MPa。可見，所受應力遠大于立板材料Q355B 鋼板的屈服強度［6］，很容易使立板變形。一般劇烈沖擊時產生的加速度會遠大于2 g，可能達到8 g，這種情況下，立板更易彎曲變形［7］。

通過對提升卸載機構擺動情況、承載及沖擊受力情況分析可知，硬性碰撞時上部支撐橫梁產生的沖擊力是立板變形的主要原因。另外，提升卸載框架立板處結構強度弱［8］，提升卸載裝置傾斜時無法滿足陽極板及提升卸載裝置自身重力也是變形的一個重要原因。

5 改進優化

5.1 立板位置加強

從上述分析可知，需對提升卸載裝置立板進行加強，如圖9 所示。立板加強后，提升桿總成可能會變成薄弱點，對此處再進一步加強，以便提升強度。現場焊接時因框架立板已經存在變形，加強板需要根據現場實際情況進行配加工，以適應現場空間，同時對所有焊接位置進行打磨、除銹補漆。

圖9 加強板焊接圖

5.2 強度驗算

5.2.1 立板處強度計算

圖10 加強后立板處截面

5.2.2 提升桿強度計算

加強后提升桿截面如圖11 所示。進行傾斜時重力載荷計算：前后方向上抗彎模量129962.7 mm3，所受彎矩N2=FL2sin a=11000×9.8×0.6×sin9.4°=10542.8 N·m，則所受應力σ=N1/2=40.1 MPa，遠小于Q355B 鋼板的屈服強度。進行沖擊橫向載荷計算校核：沖擊力產生加速度按8 g 計算，力矩作用距離L2為392 mm，則所受應力σ=8mg L2/4=8×580×9.8×392/（4×129962.7）=34.3 MPa，遠小于Q355B 鋼板的屈服強度。

圖11 加強后提升桿截面

5.3 改進優化效果

通過對提升卸載裝置立板和提升桿總成進行焊接立板加強后，經過強度驗算，立板處強度、提升桿強度以及傾斜時重力載荷均遠小于Q355B 鋼板的屈服強度345 MPa，滿足了提升卸載裝置立板部位的強度要求［10］，車輛現已行駛500 余公里，轉運陽極板10000 余噸，再未出現提升卸載裝置立板變形的問題。通過實施此改進方案，解決了提升卸載裝置因傾斜重力和硬性碰撞沖擊導致陽極板載運車提升卸載裝置變形的問題。

6 結束語

通過對提升裝置立板變形分析，找出了立板變形的原因，并制定了解決措施。通過增加加強板，立板強度大大增強。經過校核分析計算，加強后技術狀態可以滿足實際使用要求。陽極板載運車提升卸載裝置的改進與優化，徹底解決了提升卸載裝置立板的變形問題，保障了車輛的正常使用，提高了生產效率。