阳极组装车间残极压脱机结构优化与改造

引言

阳极作为铝电解生产的“心脏”部件，其组装质量直接影响电解槽电流效率与铝产品纯度。在阳极组装流程中，残极压脱是关键环节——需将电解后残留的炭块（残极）与钢爪分离，实现钢爪循环利用。残极压脱机通过液压驱动压头施加压力，使残极沿钢爪根部断裂分离，其结构设计与性能参数需匹配残极强度、钢爪材质特性及生产节拍要求。开展残极压脱机结构优化与改造研究，具有重要的现实意义。

1 残极压脱机工作原理

残极压脱机主要由压脱机构、定位系统、液压系统、机架四部分组成：工作时，天车将带有残极的钢爪吊至设备工作台，定位系统通过挡块与传感器确定钢爪位置；液压系统驱动主压缸带动压头下行，对残极施加垂直压力（通常为 800-1200kN）；当压力达到残极与钢爪的结合强度阈值时，残极沿钢爪根部断裂，完成分离；最后，输送装置将残极与钢爪分别送至后续处理工序。

2 残极压脱机存在问题分析

2.1 框架结构强度不足

原设备框架采用普通 Q235 钢材焊接而成，在长期交变载荷作用下，焊接应力集中部位出现多处裂纹。通过有限元分析发现，在最大工作载荷 160吨工况下，框架最大应力达到 285MPa，超过材料的许用应力，这是导致框架开裂的主要原因。

2.2 液压系统稳定性差

液压系统存在泄漏、压力波动大等问题。油温在连续工作时可达 65^∘ C 以上，导致密封件老化加速。液压缸不同步现象严重，同步误差最大可达 12mm ，影响压脱质量。

2.3 定位装置精度不足

残极定位采用机械限位方式，定位精度差，重复定位误差达 ±8mm_o 导致压脱时受力不均，经常出现磷铁环压不干净或残极破损等问题。

2.4 夹持装置刚性过强，钢爪损伤严重

刚性夹板的夹持面为平面结构，与钢爪的弧形表面接触面积小，夹紧时局部压力集中（可达 50MPa 以上），导致钢爪表面出现划痕、凹坑；同时，夹板无缓冲结构，夹紧动作瞬间冲击力大，易造成钢爪与残极连接处的焊缝开裂，缩短钢爪复用次数（从原 15 次降至 10 次以下）。

2.5 自动化程度低，人工依赖度高

控制系统缺乏智能检测与调整功能：一是需人工将残极吊装至压脱工位，通过肉眼对齐钢爪与压头中心，对齐误差超 2mm 时易引发偏载；二是压脱压力固定，无法根据残极硬度（受电解工艺影响，残极硬度波动范围达 15-25HB）调整压力，硬度高时压脱不彻底，硬度低时易压碎残极；三是需人工检查压脱结果，漏检或误判率达 8% ，导致不合格钢爪流入下一工序。

2.6 压脱机构受力不均，压脱效果差

单侧液压缸驱动的压脱机构存在“受力偏载”问题：压脱时主压头仅对残极单侧施加压力，导致残极与钢爪接触面受力不均，易出现两种故障是残极局部未脱离，需二次压脱，降低效率；二是钢爪因单侧受力过大发生弯曲，据统计，该问题导致的钢爪报废率占总损伤率的 65% 。此外，导向柱与主压头的配合间隙过大（约 0.5-0.8mm ），压脱过程中主压头易偏移，进一步加剧受力不均。

3 残极压脱机结构优化改造方案

3.1 压脱机构对称化改造

（1）双侧液压缸驱动设计。将原单侧液压缸改为双侧对称液压缸（型号 CD250B，缸径 160mm ），通过同步阀控制两缸伸出速度差 ⩽0.5mm/s ，确保主压头受力均衡。同时，优化主压头结构：将压头接触面设计为与残极匹配的弧形（曲率半径 500mm ），增大接触面积，使压脱力均匀传递至残极与钢爪接触面，避免局部应力集中。（2）导向系统精度提升。更换导向柱材质为 40CrNiMoA，表面镀铬处理（硬度达 HRC55-60），减小与主压头的配合间隙至 0.1-0.2mm ；新增导向套润滑系统，采用自动黄油润滑（每2 小时注油一次），降低导向柱磨损，确保主压头运行平稳，偏移量控制在 0.3mm 以内。

3.2 激光 +^， 伺服电机双精度定位

（1）激光定位模块加装。在工作台两侧加装 2 台激光位移传感器（精度 ±0.1mm ），实时检测钢爪与压头的轴线偏差；传感器数据传输至 PLC控制系统，通过算法计算偏差量，为伺服电机调整提供依据。（2）伺服定位机构改造。将原机械挡块替换为“X/Y 轴伺服调整平台”：X 轴（横向）与 Y 轴（纵向）分别由伺服电机驱动滚珠丝杠，带动工作台移动，调整精度达 ±0.5mm ；定位时，PLC 根据激光传感器数据控制伺服电机动作，自动补偿吊装偏差，确保压头与钢爪轴线偏差 ⩽2mm ，从根本上解决对位偏差问题。

3.3 缓冲装置设计：液压 + 橡胶复合缓冲

（1）液压缓冲回路加装。在主压缸进油管路中加装溢流阀与蓄能器组成的缓冲回路：压脱初期，溢流阀缓慢开启，控制压缸下行速度从 50mm/s 降至 20mm/s ；当压力接近残极分离阈值时，蓄能器吸收部分压力波动，避免压力骤升；通过 AMESim 仿真，缓冲后压脱冲击载荷降低 60% ，最大瞬时压力波动从 ±80kN 降至 ±20kN 。（2）橡胶缓冲垫安装。在压头底部与工作台表面加装聚氨酯缓冲垫（硬度 60ShoreA，厚度 10mm ）：压脱时缓冲垫吸收部分垂直冲击力，同时避免压头与钢爪直接刚性接触；试验表明，加装缓冲垫后钢爪根部疲劳应力降低 35% ，有效延长钢爪使用寿命。

3.4 液压系统升级改造

采用大流量双泵合流系统，提高系统响应速度。增加油液冷却装置，将工作油温控制在 45^∘ °C 以下。安装高精度同步阀和位置传感器，实现液压缸同步精度误差不超过 ±1mm 。选用高性能密封件，彻底解决泄漏问题。

3.5 自动化控制系统升级

（1）智能检测模块集成。工位定位检测：在压脱工位安装激光位移传感器（型号 LK-G80，精度 ±0.01mm ），自动检测残极与钢爪的对齐偏差，偏差超 1mm 时触发报警，禁止压脱；残极硬度检测：新增超声波硬度计（型号 MH510），压脱前自动检测残极表面硬度，根据硬度值自动调整压脱压力（硬度 15-20HB 时压力 32MPa ，20-25HB 时压力 38MPa）；压脱结果检测：安装工业相机（型号 MV-CA050-10GM），通过机器视觉识别钢爪表面是否残留残极（识别精度 0.1mm ），不合格品自动触发分拣装置。（2）PLC 控制系统重构。采用西门子 S7-1200PLC 作为控制核心，编写控制程序实现“自动定位→硬度检测→压力调整 $$ 压脱 $$ 结果检测→分拣”全流程自动化。新增触摸屏（型号 KTP1200），实时显示设备运行参数（压脱压力、夹紧力、故障信息），支持参数设定与历史数据查询（存储 1 年数据），方便运维人员监控与分析。

结语

本次残极压脱机结构优化改造，通过“压脱机构对称化、夹持装置柔性化、控制系统自动化”的协同设计，有效解决了原设备受力不均、钢爪损伤、自动化程度低的问题。改造后的设备运行稳定性显著提升，压脱效率与钢爪保护效果优化，同时降低人工依赖与运维成本，为阳极组装车间的高效、稳定生产提供了可靠保障。后续可进一步研究残极成分对压脱参数的影响，通过大数据分析实现压脱参数的自学习优化，进一步提升设备适应性。

参考文献

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