广西百矿铝业有限公司 广西百色 533600
摘要：主要介绍了一种新型铝导杆吊具，并对新吊具进行模拟受力分析。此种吊具结构简单，制作方便，坚固耐用的优点。在生产过程中不但简化吊装步骤，节省吊装时间，减少生产成本，提高生产效率，减轻工人劳动强度，是一种值得普及的吊具。
关键词：铝导杆；吊具；应力；荷载
1.前言
在电解原铝的生产中，需要用到电解阳极，电解阳极主要由碳块和阳极导杆两大部分组成，而阳极导杆可分为铝导杆、复合块、钢爪三部分组成。铝导杆作为阳极导杆的主要组成部分之一，它的工作面与阳极平衡母线通过小盒卡具压紧接触，把直流电导入阳极炭块，其起到导电作用。每根铝导杆重量约100Kg。 在实际工作中，由于铝导杆长时间使用，端面存在不同程度损坏，须对其进行修复，按照正常生产的情况计算，每年需要修复加工约6000根。
而铝导杆修复的主要步骤为：用吊具将铝导杆吊至放置处，待修复完成后，再用吊具将铝导杆吊至放置处。可见，吊具是铝导杆修复加工过程中不可或缺的工具之一。在实际生产中，铝导杆成排摆放，空隙小，使用扁平吊装带吊装铝导杆时，操作工须先用撬棍撬开一定间隙，再放下吊装带进行捆绑，捆绑好后吊往铣床，待摆好导杆后，解开吊装带才可以进行加工，整个过程共需要360秒钟。而且，用扁平吊装带吊装有棱角的导杆，易磨损崩裂，按照正常使用量，平均每月磨损4根，如此耽误工作进程，修复效率低，需进行加班修复才能满足生产需求。
使用扁平吊装带产生问题较多，必须找到一种新的吊具，取代原来的捆绑方式，简化吊装步骤，节省吊装时间，且选用材料不易磨损，才能满足生产需求
本文介绍了一种新型铝导杆吊运工具，不但克服了扁平吊装带本身存在的缺点，还加快了吊运速度，从而提高生产效率。
2.新型铝导杆吊具的设计方案
从目前查阅到的资料来看[1]，关于铝导杆专用吊具的论述几乎没有，未找到可借鉴的资料。于是，根据实际生产经验及咨询同行，提出了三种吊具设计方案。
2.1 “ 8”字型活动式吊具
“ 8”字型活动式吊具，它由支架、活动轴、钢丝绳、橡胶垫以及机械臂手组成，试验过程中发现，由于铝导杆堆放空隙小，吊具体积大，操作工需撬开一定空隙才能安放吊具，通过试验得出该吊具具有良好的安全性能。但是用此吊具吊装时间长，制作难度大，不符合实际生产要求，因此此方案被否定。
2.2 “∧”字型吊具
“∧”字型吊具，它由钢丝绳和套环组成，此吊具结构简单，容易制作，但通过试验发现，使用“∧”字型吊具时需2名操作工同时进行，操作繁琐，消耗时间长，不符合实际生产要求，因此，该方案不被采用。
2.3 “U”字型吊具
“U”字型吊具由钢丝绳、钢板以及吊耳组成，结构简单，容易制作，但通过试验发现，操作工需要撬开一定空隙才能安放吊具。操作繁琐，消耗时间长，同样不符合实际生产要求。因此，该方案也不被采用。
2.4 “匚”字型吊具
上述三种吊具不符合实际生产要求，但是，在试验中发现，U字型吊具接触面为底面，可以将其侧转90度，用侧面受力，将“U”字型转变成“匚”字型吊具，如此，可以省略撬开铝导杆的步骤。通过模拟试验发现，使用“匚”字型吊具，只需将吊具套上导杆，吊至铣床，再取出吊具便可进行加工。操作简单，整个吊装过程时间仅为140秒，符合实际生产要求，于是决定采用匚”字型吊具。
3.新型铝导杆吊具的研制
3.1 吊具尺寸
“匚”字型吊具的尺寸取决于铝导杆的尺寸，经过对铝导杆宽度和高度的测量，所得数据如下表：
由表2可知，45#钢的屈强比最高，因此决定采用45#钢作为吊具的制作材料。
3.3 钢板的厚度选择
厚度初步选定为20mm，并对其加以验证。由于悬臂钢板边界条件和荷载的整体性，把悬臂钢板划分成若干个等宽单元悬臂梁。单元悬臂梁的截面为正方形，其宽度与厚度相等。
3.4 吊环材料的选择
材料选用现有HRBφ14 mm钢筋，长度450mm，人工弯折成边长100 mm的等边三角形吊环。通过查阅资料，得出 HRBφ14 mm钢筋的抗拉强度和屈服强度分别为550MPa和385MPa。利用有限元软件对吊环进行受力分析，由分析结果可知，当吊装100kg的铝导杆时，吊环的最大应力为200.6MPa，均小于HRBφ14 mm钢筋的强度，所选材料符合要求。因此，选用HRBφ14 mm钢筋做吊具的吊环材料。
3.5 吊环位置的选择
对吊具的吊环位置又深入探讨研究，提出了吊环中间位置和中心线偏右位置两种焊接位置，经过分析讨论得出：当吊环在中间位置时，钢板受力较平均，且起吊平衡性较好，但吊装导杆过程中，因晃动而存在导杆向前滑落的安全隐患，因此不采用。而当吊环位于中心线偏右位置时，在吊装导杆过程中，吊具向后倾斜一定角度，导杆晃动时也不会向前滑落，因此采用吊环中心线偏右的焊接位置。考虑吊具的宽度为210mm，中心线距边线为105mm，吊环边长100 mm，因此确定焊接线中心位置偏右50mm。如图所示。
接着，对吊环中心线偏右位置进行受力分析，根据物理学上的受力分析，中心线偏右位置时，吊环和焊接点的受力偏大，后面我们会进行分析。
3.6焊接方式的选择
对于普通焊条焊接和二氧化碳焊接方式，经过查阅资料[3]，得出二氧化碳焊丝的屈服强度和抗拉强度分别为500MPa和1200MPa，强度远远大于普通焊丝强度。由于吊具长期用于生产，对强度要求较高，而气焊广泛适用于焊接低碳钢材料，能较好地控制变形，因此选用二氧化碳焊丝焊接方式。
4.新型铝导杆吊具的受力分析
图11为焊接部位受力分析，焊接部位应力较大，为41.28MPa，但远远小于二氧化碳焊丝的强度极限。
4.4不同荷载的计算分析
由上面计算可知，吊杆承受质量为100kg的导杆的最大应力为200.6MPa，现分别取外形尺寸不变，但质量分别为100kg、120kg、140kg、160kg、180kg的导杆进行最大应力及焊接部位最大应力的变化分析，结果如下图曲线。
5 结论
新型铝导杆吊具的成功研制，使单根铝导杆的吊装时间由360s减少为140s，同时减少了扁平吊带的更换频率，单个吊具全年可带来经济效益5360元。新型铝导杆吊具提高了工作效率，保证铝导杆能及时修复，有效的节约了人、材、物力，为公司带来了很好的经济效益，是一种值得普及的新型吊具。
参考文献：
[1]韩丹群，程然. 阳极导杆修复[J]. 轻金属，2001，（09）：35-36.
[2]孟成. 45号钢的概况及热处理方法[J]. 中国新技术新产品，2011，（09）：125-126.
[3]陈科. 二氧化碳气体保护焊的焊接性能及其应用[J]. 造船技术，1979，（05）：14-22.
论文作者:农世文,黄炎
论文发表刊物:《基层建设》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/16
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