阴极剥片机组常见故障分析及改造措施

陈世宏，张 航，姚军鑑

（铜陵有色金属集团股份有限公司金冠铜业分公司，安徽铜陵 244000）

0 引言

金冠铜业是继美国科尼科特和山东祥光铜业后第三家采用Kennecott-Outotec 闪速熔炼及闪速吹炼工艺的冶炼厂，电解工艺采用先进的PC（Permanent Cathode，永久不锈钢阴极电解法）电解工艺，其中核心设备剥片机组由芬兰奥图泰公司成套设计制造。分析该机组使用过程中的常见故障及采取的改造措施，达到降低设备故障率，延长设备使用寿命的目的，最终提高设备使用稳定性及可靠性。

1 阴极剥片机组作用及结构组成

1.1 作用

阴极剥片机组主要用于将电解反应完成的阴极铜进行洗涤、剥离、铆接、堆垛及打包等一系列过程，是电解铜产品的最后一道核心设备，设计能力700 块/h，实际能力630 块/h。但在实际生产过程中，机器人的实际能力仅能接近500 块/h，与设计能力有较大差距，并且存在性能不稳定的情况。

1.2 结构组成

阴极剥片机组主要由接收架、输入小车、洗涤室、取板机器人、出板机器人、1 号/2 号剥片站、1 号/2 号阴极铜输出机、堆垛机器人、铜垛输出输送机以及输出小车、输出架等组成（图1）。

图1 阴极剥片机组结构组成

2 常见故障及原因分析

2.1 3#机器人堆垛不齐

剥片机组3#机器人在机组运行不久后经常出现堆垛不齐问题，夹具导向杆固定螺栓容易松动，夹具维护强度高。最初，夹具导向杆与安装孔之间采用石墨铜套，导向杆在固定时，由于铜套的形变量很小，容易在导向杆上产生径向力，且该径向力大小不可控制和测量，从而导致4 根导向杆各处径向力不同，在机组运动时与铜套之间的摩擦力就会不同，两边抓手打开、关闭时呈现不同步的状态。

2.2 剥片机组洗涤链条使用寿命较短

剥片机组洗涤链条使用过程主要存在以下两方面问题：

（1）洗涤链条排距齿容易损坏。剥片机组洗涤链条使用排距齿结构，排距齿为塑料材质，内衬不锈钢板。在受到较大外力时（小车偏差或物料问题）极易发生损坏变形。损坏后即需更换，单个排距齿的价格为75 元，两个剥片机组共2000 个排距齿，按每个排距齿使用寿命为半年计算，每年排距齿的备件费用需要30 万元左右。

（2）洗涤链条使用一段时间后出现负荷变大及运行变慢的情况。原因分析：①链条滚子和套筒之间因磨损间隙变大，链条整体运行过程中滚子不断由滚动运动变为滑动运动，摩擦力不断增大；②现洗涤链条材料均为不锈钢316L，可以满足现场pH=2～3 酸洗环境抗腐蚀性的使用要求，但其不锈钢材料的滚子和套筒不可通过热处理提高硬度，硬度在20 HRC 左右，硬度不足是造成二者容易磨损的主要原因。

2.3 翻转轮故障率较高

前期翻转轮故障是剥片机组较为常见的故障，且故障处理时间较长，主要表现在以下3 个方面。

（1）翻转轮材料腐蚀。由于现场酸性工况环境，前期不耐酸材料翻转轮不满足使用要求，影响整体强度，存在使用隐患。

（2）翻转轮减速机花键轴断裂故障。翻转轮减速机前期使用一段时间后容易出现花键轴断裂故障，断裂位置主要集中在退刀槽处。断裂原因主要是翻转轮受到的载荷冲击以及不平衡惯性力的作用，另外退刀槽结构导致应力集中，容易造成疲劳断裂。

（3）翻转轮断轴故障。翻转轮断轴故障主要是翻转轮驱动轴在法兰处发生断裂，每次故障处理时间较长。故障原因主要是翻转轮轴长期冲击载荷作用而引起疲劳损坏。

2.4 分离架腐蚀

剥片站分离架前期使用过程中主要存在的问题是分离架本体接触到阴极板上附着的酸液而产生腐蚀。原设计分离架本体为碳钢材料，使用过程中已发生较严重的本体腐蚀，部分分离架本体方钢已经贯穿，临时采用补焊的方式进行处理，已经对生产造成了较大的影响。主要原因是分离架本体材料为普通碳钢材料，不耐酸，进而产生腐蚀，原设计不适应现场工况要求。

2.5 机器人存在升级等问题

剥片机组共用3 台机器人，为库卡品牌第二代产品，已停产多年，现场2#机器人碳纤维大臂控制箱螺纹孔有损伤，存在安全隐患，备件供应价格昂贵且采购困难。

2.6 打包系统故障率高

剥片机组原打包系统自投产以来一直存在故障率高、使用率低的问题，主要有以下3 方面的原因：

（1）打包机机头采用意大利孚兰品牌（行业顶尖品牌），结构复杂、设计精密，但零部件多，故障点多，排除故障困难，现场往往只能通过解体检查排除，且需要熟练的检修人员连续维修3～4 d，检修周期长

（2）自动打包机使用强度在同行业处于非常高的状态，单台每天约220 捆，传动零部件磨损量很大，一旦磨损恶化将无法运行。打包机采用单机头设计，同行业多采用双机头设计。

（3）自动打包机零件精密，备件原厂采购周期长。

3 设备改进

3.1 3#机器人堆垛不齐问题的解决及改进措施

针对存在的问题，在原结构的基础上将铜套改为尼龙套，情况稍有好转。后通过分析将尼龙套改为直线滚动轴承。直线滚动轴承的优点：①将导向杆与尼龙套之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，摩擦力大为减小；②直线滚动轴承外圈为软材料，轴承滚子游隙较大，抵消导向杆受到的径向力。

目前已在原夹具结构基础上在东、西、南、北4 个方向增设规整夹爪，通过气动与系统连锁，在取板放板过程中予以辅助性堆垛规整，改进后堆垛对齐效果良好。

3.2 剥片机组洗涤链条使用寿命较短问题的改进措施

（1）根据损坏原因，将排距齿活动式改为固定式，材料选用304 不锈钢。改进后的链条寿命不受影响，而排距齿则无需更换，使用寿命可达2 年以上，每年可节省排距齿费用30 万元。

（2）针对洗涤链条阻力变大问题，根据原因分析及现场工况要求，洗涤链条需同时满足抗腐蚀性和耐磨性需求，升级改进措施：①材质升级：针对磨损的滚子、套筒和销轴，选用耐腐蚀性能同样出色的马氏体不锈钢2Cr13，其他部件材料保持不变；②提高硬度：将2Cr13 材料的滚子、套筒和销轴热处理硬度提高到40～45 HRC，硬度较以往提高一倍以上，耐磨性将大大增加。

3.3 翻转轮改进措施

（1）针对材料不耐酸问题，对现场四套翻转轮材料全部更换为不锈钢304 材料，已全部完成改造。

（2）翻转轮减速机损坏和断轴故障改进措施：①针对翻转轮减速机花键轴断轴，从花键轴结构本身入手，取消退刀槽结构，减少应力集中造成的不利影响；②改进翻转轮轴结构，将容易发生疲劳断裂法兰位置增加双键结构及加大焊接面积以增强传动强度；③将原有法兰硬性连接改为联轴器结构形式以释放冲击应力；④由于冲击载荷造成疲劳断裂故障，为此，将现场翻转轮驱动结构进行改造，将原有硬性直连接改为弹性套柱销联轴器形式，用于释放整个翻转轮受到的冲击载荷，延长翻转轮使用寿命。

3.4 分离架改进措施

（1）材料改进。将原碳钢分离架本体材料改进为不锈钢06Cr19Ni10，提高耐腐蚀性能。

（2）部分结构改进。考虑到现场安装需要，将分离架的本体方钢由整体焊接式改为剖分式，剖分位置在分离架的中下部，剖分面采用螺栓连接，并且通过方形定位槽实现定位。

3.5 机器人升级改造

3.5.1 升级后机器人优势

目前库卡机器人最新产品为四代机器人，与现场二代机器人比较有如下优势：

（1）现场二代机器人大臂采用碳纤维连杆结构，其连杆承受较大的力矩作用导致故障较多，四代机器人采用高铝合金结构，结构简洁优化，使用性能更好且稳定可靠。

（2）二代产品的操作软件版本为5.2，软件功能较少，编程复杂、示教困难。而最新的四代机器人操作软件版本已达到8.5.6，现阶段轨迹调整较麻烦，新版本机器人程序修改及轨迹示教都较为容易实现。

（3）二代机器人现场控制柜内部电子元器件繁多，整合性较差，备件供应困难。四代机器人现场控制柜背部电子元器件整合性较好，总体元器件数量少了很多，备件准备较为容易。

（4）四代机器人轨迹更圆滑，降低了物料摆动的可能。

3.5.2 2#机器人升级改造

针对现场2#机器人存在碳纤维大臂隐患问题，优先对其进行升级改造，同时对比选型产品，将二代机器人负载能力180 kg同步升级为四代机器人负载能力240 kg，提高了机器人本身负载能力，从而提高机器人使用稳定性。

3.5.3 其余机器人升级改造

其余机器人升级改造同样迫在眉睫，也在逐步推进，将分步实施升级改造。

3.6 打包机系统改造

针对现场原有打包机系统存在的问题，将打包机系统进行双机头改造，降低打包机使用频次，减少磨损，提高零部件的使用寿命。改造后打包机系统不仅具体原打包机所用功能外，增加步进显示屏（显示打包机各个工位状态，含报警等功能），便于及时准确的判断故障发生的位置，解决了现在故障排除较为困难的问题；还具有反吹扫铁屑等功能。

4 使用效果

通过现场一系列改进措施，前期故障已全部得到解决，使用寿命整体延长，设备稳定性进一步加强。

（1）3#机器人堆垛不齐问题得以解决，安装后运行情况良好，使用1 年以上未发生故障，通过增设规整夹爪，夹具堆垛对齐已得到进一步改善并持续稳定。

（2）洗涤链条及排距齿改进后，使用寿命预计可达24 个月以上，已远高于原6 个月的使用时间，改进前后备件费用基本相同。

（3）目前现场4 套翻转轮驱动已全部改造完成，驱动减速机和翻转轮轴的使用寿命大大增加，预计在24 个月以上。

（4）目前现场4 个分离架已全部完成改造及更换，使用效果良好，预计使用寿命可达10 年以上，彻底解决了设备存在的隐患，为稳定生产提供了有效保证。

（5）机器人升级工作已陆续开展，目前已成功实施2#机器人升级改造且运行良好，后续将持续开展剩余机器人的升级改造。

（6）打包机系统已成功实施改造，由原单机头改造为双机头，目前双机头打包系统运行稳定，能够满足自动打包的生产需求，打包率可达到100%。

5 结语

剥片机组在使用过程中存在的问题，通过不断的实践及改进，对其不适应的地方进行加以改进、改造，提高了设备稳定性及使用可靠性，已完全能够满足现场生产需求。