□ 程佳衛(wèi) □ 陳惠賢 □ 尹海鵬 □ 楊漢元

1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

2.金川集團(tuán)股份有限公司 甘肅金昌 737104

陰極銅剝片機(jī)組中撓曲模型的建立及其仿真

□ 程佳衛(wèi)1□ 陳惠賢1□ 尹海鵬1□ 楊漢元2

1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

2.金川集團(tuán)股份有限公司 甘肅金昌 737104

在實(shí)際生產(chǎn)中，陰極銅剝片機(jī)組常常出現(xiàn)銅板分離不開，或者極板脫鏈等故障，其最主要的原因是由于撓曲裝置中撓曲力P設(shè)計(jì)不合理造成的。通過建立撓曲裝置的三維模型，分析撓曲過程極板受力，建立撓曲的數(shù)學(xué)模型，求解出了撓曲力的作用范圍。最后利用ANSYS Workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析和撓曲模型仿真，修正了撓曲力P的作用范圍，解決了撓曲過程撓曲力P不合理的問題，為以后調(diào)試或制造陰極剝片機(jī)組提供理論依據(jù)。

陰極銅剝片機(jī)組 撓曲裝置 撓曲力 ANSYS Workbench分析

冶金行業(yè)對永久陰極剝片機(jī)組的探索在不斷的提高和完善，從1978年以來，國外通過生產(chǎn)實(shí)踐對剝片機(jī)組進(jìn)行了一系列的探索和改進(jìn)，如澳大利亞湯士威爾冶煉廠、芬蘭Outokumpu公司等［1］。我國自2003年由江銅貴溪冶煉廠引進(jìn)永久陰極剝片機(jī)組以來，行業(yè)內(nèi)以及一些大學(xué)教授都在不斷地探索和改進(jìn)永久陰極剝片機(jī)組，但其核心技術(shù)受到外方長期壟斷和技術(shù)封鎖。 在實(shí)際生產(chǎn)過程中，撓曲裝置往往出現(xiàn)銅板難分離、極板脫鏈等問題，故障的頻頻出現(xiàn)不僅影響生產(chǎn)效率，有時(shí)還可能危及生命財(cái)產(chǎn)安全［2-3］，因此，對撓曲過程的探索和研究是十分必要的。在ISA電解法冶煉銅時(shí)，銅板在長大過程中厚度不一致且不銹鋼極板和銅板結(jié)合力也不同（280～300 MPa），使撓曲裝置中油缸所需的力P很難控制。如果力太小，不能使頂部開口，即銅板和不銹鋼極板沒有分離開，在下一步鑿刀裝置中難以實(shí)現(xiàn)銅剝離。如果力太大，可能使銅板發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，使極板脫鏈，甚至使陰極銅產(chǎn)品報(bào)廢。所以研究清楚撓曲過程中不銹鋼極板變形，推導(dǎo)出撓曲過程中作用力P適合的范圍非常關(guān)鍵，同時(shí)也為整個(gè)剝片機(jī)組的自主制造奠定理論基礎(chǔ)。

1 撓曲裝置介紹及其原理分析

1.1 撓曲裝置說明

在ISA電解法中，不銹鋼極板通過在電解液中不斷析出銅離子而長大成為陰極銅，銅吸附在不銹鋼表面形成左右兩塊5～15 mm厚的銅板。不銹鋼極板為316L，按照國際標(biāo)準(zhǔn)制造；銅板大小為1 100 mm×1 000 mm。撓曲裝置是將兩塊銅板與不銹鋼極板進(jìn)行一次分離的機(jī)械設(shè)備，也即在極板的上端部撓曲開一個(gè)適當(dāng)?shù)拈_口，以便在接下來的剝離銅的鑿刀裝置中順利剝離銅產(chǎn)品。撓曲裝置是由起固定油缸和作為撓曲支撐作用的兩個(gè)支架構(gòu)成，左右兩個(gè)油缸帶動(dòng)撓曲桿，以均勻速度慢慢靠近極板［4-5］?？梢院雎云渲械呐鲎灿绊?，用極板彎曲力矩使銅板與極板分開，實(shí)現(xiàn)極板和銅板的預(yù)分離。

1.2 撓曲三維模型建立

用SolidWorks建立一個(gè)模型，為了簡化模型，用油缸的活塞桿代表撓曲桿，并省略油缸部分，用簡化的拉伸凸臺代表橫向傳送鏈，依次繪出零件，并且裝配成如圖1的撓曲模型，為了能夠更好地觀察模型，去掉其對稱的部分，保留一半。

▲圖1 撓曲裝置的三維模型

2 撓曲力的計(jì)算

2.1 撓曲力學(xué)模型分析

撓曲力是撓曲裝置中由撓曲油缸帶動(dòng)的撓曲桿加載在陰極極板上的彎曲力。通過研究薄板小撓度問題知道，可以求解出板面內(nèi)的正應(yīng)力σx、σy和XY面內(nèi)的切應(yīng)力τxy，但薄板撓曲過程不符合小撓度的條件［6］。再用材料力學(xué)中梁彎曲理論和薄板在V型模中彈性彎曲對比，求出的力P相差不大［7］，而在實(shí)際生產(chǎn)中也要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理調(diào)整，只是粗略知道一個(gè)范圍。其解并不要求十分精確。所以本文應(yīng)用材料力學(xué)梁彎曲理論建立數(shù)學(xué)模型求解，如圖2所示。

m-m截面為銅板長大截止面，m-m到A只有不銹鋼極板，沒有兩側(cè)銅板，P為未知力，但是銅板與不銹鋼極板結(jié)合力為300 MPa（取最大值）。L=80 mm，h= 15+3+15=33 mm，由靜力平衡可求得A、B處支反力FA=FB=P/2，m-m截面彎矩為M=PL/2，剪力為：FS=P/2。

2.2 正應(yīng)力計(jì)算

如圖2（b）所示，m-m的矩形截面極慣性矩為 Ix= bh3/12，抗彎截面因數(shù)為：

▲圖2 撓曲過程的力學(xué)模型

正應(yīng)力為：

由于不銹鋼極板許用應(yīng)力為137 MPa，所以：

所以P≤621.6 kN。

2.3 切應(yīng)力的計(jì)算

在計(jì)算彎曲力P作用下，銅板與不銹鋼極板接觸面上的切應(yīng)力由材料力學(xué)中矩形梁彎曲切應(yīng)力計(jì)算得到：

由材料力學(xué)公式得：

▲圖3 ANSYS Workbench初始分析圖

▲圖4 ANSYS Workbench最終分析圖

在m-m截面處，由于不銹鋼極板厚度為3 mm，所以銅板與極板交界處（x=1.5 mm）的靜矩為：

計(jì)算m-m截面切應(yīng)力：

則P≥223.2 kN，所以油缸輸出的撓曲力的范圍為：223.2 kN≤P≤621.6 kN，具體數(shù)值還要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行合理調(diào)試，總之以實(shí)現(xiàn)銅板與不銹鋼剝離、且不損壞極板為目的進(jìn)行調(diào)試。

3 撓曲模型的仿真

3.1 撓曲模型靜力學(xué)分析

用SolidWorks建立撓曲模型，經(jīng)分析去掉對撓曲力影響不大的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到簡化模型的作用。然后輸入到ANSYS Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析［8］。在固定支架的中心位置處加載。將力P=223.2 kN轉(zhuǎn)化為面力Fx，加載在中心0.1 mm×1 000 mm的面積上，作靜力分析。這樣近似處理對撓曲力的影響很小，結(jié)果如圖3所示。

3.2 撓曲力的修正

從ANSYS Workbench分析結(jié)果來看，銅板與極板頂端接觸面的應(yīng)力約為207～278 MPa，這還不能實(shí)現(xiàn)銅板和極板的預(yù)剝離，所以要調(diào)整載荷，使圖中最大切應(yīng)力區(qū)的下限值不小于300 MPa，見表1。

經(jīng)過反復(fù)調(diào)整最終確定撓曲力P=322.9 kN。靜力分析結(jié)果如圖4所示，陰極銅板與不銹鋼極板頂端交接面處的切應(yīng)力大于或者等于300 MPa。即只要加載力P在621.6 kN≥P≥322.9 kN范圍，即可實(shí)現(xiàn)銅板與不銹鋼極板的預(yù)分離。

表1 載荷與預(yù)剝離截面切應(yīng)力關(guān)系

4 結(jié)束語

本文通過對比建立了簡化的撓曲模型，再經(jīng)過力學(xué)計(jì)算確定了撓曲桿力P力的范圍，最后通過SolidWorks建 立 三 維 模 型 ， 然 后 通 過 ANSYS Workbench進(jìn)行靜力學(xué)模擬仿真，并且修正了力P的取值范圍，最終確定了撓曲力的范圍，解決了一直以來由于撓曲力未知而引起的各種問題，給陰極剝片機(jī)組的調(diào)試提供有力的依據(jù)，并為以后自主制造陰極剝片機(jī)組提供理論依據(jù)。

［1］熊友泉.國內(nèi)首條引進(jìn)ISA電解裝備的完善 ［J］.有色設(shè)備，2009（3）：28-31.

［2］張邦琪，梁衛(wèi)國.銅電解技術(shù)的進(jìn)展 ［J］.中國有色冶金，2007（5）：12-18.

［3］姚素平.永久陰極銅電解技術(shù)述評［J］.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2000（3）：11-19+29.

［4］張偉旗，蔡龍生.陰極永久剝片機(jī)組常見設(shè)備故障的控制［J］.世界有色金屬，2013（1）：43-45.

［5］馮益民.貴冶ISA法極板處理機(jī)組［J］.銅業(yè)工程，2006（3）：45-46，16.

［6］徐之綸.彈性力學(xué)［M］.北京：人民教育出版社，1979.

［7］李湘生，紀(jì)勝如.薄板在V型模中彎曲的彈性變形和彈塑性變形分析［J］.湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，1996（3）：28-32.

［8］凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYS Workbench13.0從入門到精通［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

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1000-4998（2015）03-0025-03

2014年9月