童　切，孫東明，吳　瓊，金　巖

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.金川集團(tuán)股份有限公司 鎳冶煉廠，甘肅 金昌 737100)

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電鎳導(dǎo)電棒斜輥矯直機(jī)設(shè)計(jì)

童切1，孫東明1，吳瓊2，金巖2

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.金川集團(tuán)股份有限公司 鎳冶煉廠，甘肅 金昌 737100)

摘要：根據(jù)矯直理論，確定了電鎳導(dǎo)電棒斜輥矯直機(jī)的相關(guān)參數(shù)，著重研究了斜輥矯直機(jī)的輥系和輥型。應(yīng)用DEFORM軟件進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬分析，比較了矯直前、后導(dǎo)電棒的波浪度，確定了較優(yōu)壓下量為0.5 mm。根據(jù)試驗(yàn)所得矯直效果(導(dǎo)電棒矯后波浪度均<1%)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電棒；矯直；斜輥；DEFORM

由于鎳的導(dǎo)電性比銅弱，某企業(yè)在鎳的電解精煉過程中，采用紫銅圓管(尺寸為φ36 mm×3 mm×1 350 mm)作為導(dǎo)電棒，有效加強(qiáng)了與吊耳的接觸。但是，導(dǎo)電棒會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)期使用或受外力作用而變彎扭曲，從而直接影響鎳的實(shí)際生產(chǎn)。過去依靠人工對(duì)其進(jìn)行矯正，效率低，效果差，噪聲大，勞動(dòng)強(qiáng)度也大，并且大量的導(dǎo)電棒由于變形嚴(yán)重而被報(bào)廢處理，造成了經(jīng)濟(jì)上的損失。

針對(duì)導(dǎo)電棒采用紫銅圓管，決定采用斜輥矯直機(jī)。斜輥與平行輥相比，能矯直各方位的縱向剖面彎曲，避免了因?qū)щ姲糇赞D(zhuǎn)而產(chǎn)生的螺旋形彎曲[1]。設(shè)計(jì)適用的矯直機(jī)，不僅可以減小勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，而且能提高導(dǎo)電棒重復(fù)利用率，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1矯直機(jī)設(shè)計(jì)

實(shí)際生產(chǎn)過程中導(dǎo)電棒的彎曲往往集中在中間部位，而且有可能是多方位彎曲，因此， 本文采用六輥輥系(見圖1a)。六輥同時(shí)繞OO′軸旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電棒各方位的交錯(cuò)壓彎，達(dá)到矯直的目的；另外，六輥輥系克服了傳統(tǒng)輥系各輥之間存在的速度差缺陷。與老式222輥系相比， 采用中間對(duì)輥交錯(cuò)布置可以適當(dāng)延長(zhǎng)塑性變形區(qū)。由于鎳電解精煉過程中對(duì)導(dǎo)電棒的精度要求并不是特別高，而新式222輥系中間凸凹輥用力大，易產(chǎn)生過載壓彎現(xiàn)象，也不予采用。

圖1　斜輥矯直機(jī)輥系

當(dāng)矯直機(jī)各輥處于圖1a所示的位置時(shí)，矯直力作用模型如圖1b所示；而當(dāng)矯直機(jī)各輥旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，矯直力作用模型如圖1c所示。其中，p為輥距，b為固端區(qū)長(zhǎng)度，S為等彎矩區(qū)長(zhǎng)度。以圖1c為例，矯直力計(jì)算公式如下：

本文研究的紫銅圓管尺寸較小，故采用小規(guī)格的矯直機(jī)就能滿足要求。導(dǎo)電棒與斜輥的關(guān)系模型如圖2所示。輥腰直徑Dg、輥長(zhǎng)L、輥?zhàn)有苯铅?、輥距p、矯直速度v和壓下量y為矯直機(jī)的基本參數(shù)，對(duì)矯直效果、能耗和結(jié)構(gòu)尺寸等均有影響(由于橢圓度對(duì)導(dǎo)電棒影響較小，先不重點(diǎn)考慮壓扁量的作用)。

圖2　導(dǎo)電棒與斜輥的關(guān)系模型

輥腰直徑Dg≥(2～3)D(D是導(dǎo)電棒直徑)，輥?zhàn)尤L(zhǎng)L=(1.5～2.5)Dg；輥?zhàn)庸ぷ鞑糠珠L(zhǎng)度Lg=(0.8～0.9)L；輥距p=(1.5～2.5)L；壓下量y=(0.64～0.77)σtl2/6ED[2-3](σt是規(guī)定總延伸強(qiáng)度；l是矯直輥的支承距離l=2p；E是彈性模量)。

導(dǎo)電棒材料為紫銅，彈性模量E=125 GPa，規(guī)定總延伸強(qiáng)度σt=100 MPa，因此，取輥腰直徑Dg=2D=72 mm，輥長(zhǎng)L=2Dg=144 mm，輥?zhàn)庸ぷ鞑糠珠L(zhǎng)度Lg=0.85L=122.4 mm，輥距p=1.5L=216 mm，輥?zhàn)有苯铅?40°。考慮到企業(yè)生產(chǎn)效率、矯直機(jī)工作穩(wěn)定性以及動(dòng)載荷的影響，選取矯直速度v=1 000 mm/s。

在斜輥矯直機(jī)的設(shè)計(jì)中，矯直輥輥型曲線是重要參數(shù)，影響著矯直效果。合理的輥型能對(duì)導(dǎo)電棒具有良好的包裹性，實(shí)現(xiàn)近似的完全接觸，保證矯直過程中導(dǎo)電棒受力均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。導(dǎo)電棒直徑D、輥腰直徑Dg和輥?zhàn)有苯铅翛Q定了輥型曲線。當(dāng)被矯件直徑發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)整輥?zhàn)有苯铅羴韺?shí)現(xiàn)更好的接觸。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于輥型設(shè)計(jì)做了大量研究，其中，較為常見的一類設(shè)計(jì)思想是假設(shè)被矯件為理想的平直管材。另一種設(shè)計(jì)考慮了實(shí)際情況中被矯件存在彈塑性彎曲，這種設(shè)計(jì)方法得到的輥型更貼合實(shí)際，矯直效果更好；但是，過多依靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，公式復(fù)雜，難以求證，在工程中運(yùn)用較為困難[4]?？紤]到該型矯直機(jī)壓彎量不大，決定采用基于理想條件下的解析法。趙炳利推導(dǎo)出的輥型計(jì)算公式為[5]：

(1)

式中，r0是管材半徑；c0=r0+R0；R0是輥腰半徑；ci=zitanα，zi是輥型曲線上某一點(diǎn)與矯直輥對(duì)稱中心的軸向距離，對(duì)應(yīng)的矯直輥半徑為Ri。

式1經(jīng)過適當(dāng)修正，得到輥型曲線坐標(biāo)(見表1)。

表1　矯直輥輥型曲線坐標(biāo)　(mm)

2數(shù)值模擬分析

由于紫銅沒有明顯的屈服平臺(tái)，存在加工硬化現(xiàn)象，故將導(dǎo)電棒視為理想的彈塑性材料。矯直輥相對(duì)導(dǎo)電棒剛度較大，將其視為理想的剛性材料。建模時(shí)，導(dǎo)電棒長(zhǎng)度為1 350 mm，引入初始彎曲撓度為30 mm，即波浪度Δ=H/L×100%=30/1 350×100%=2.22%。按照上述結(jié)果設(shè)置矯直機(jī)參數(shù)，建立的模型如圖3所示，中間2輥分別引入0.5、0.75和1 mm等3種壓下量進(jìn)行比較，其中，平行輥起到輸送和粗矯的作用。

圖3　有限元模型

以壓下量0.75 mm為例，斜輥對(duì)導(dǎo)電棒的咬入、穩(wěn)定矯直、拋出和矯后情況如圖4所示。從圖4可以看出，導(dǎo)電棒塑性變形主要發(fā)生在穩(wěn)定矯直階段，且變形區(qū)主要集中在導(dǎo)電棒中間部分，兩端存在矯直盲區(qū)，與實(shí)際相符，驗(yàn)證了理論。通過對(duì)比導(dǎo)電棒矯前和矯后發(fā)現(xiàn)，彎曲程度得到明顯改善。

圖4　矯直各階段的等效應(yīng)力圖和矯后效果圖

矯直后，橫向?qū)щ姲糇钌戏骄鶆虿贾玫?0個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)如圖5所示。

圖5　不同壓下量時(shí)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)

根據(jù)波浪度Δ=(H/L)×100%=(L4/L1)×100%計(jì)算得到：當(dāng)壓下量為0.5 mm時(shí)，Δ=0.093%；當(dāng)壓下量為0.75 mm時(shí)，Δ=0.219%；當(dāng)壓下量為1 mm時(shí)，Δ=0.239%；均滿足精度要求。其中當(dāng)壓下量為0.5 mm時(shí)，矯直效果最好。

3實(shí)際矯直效果分析

通過矯直理論，設(shè)計(jì)出矯直機(jī)相關(guān)參數(shù)，再利用數(shù)值模擬分析，得到相對(duì)較優(yōu)壓下量；但工程實(shí)際情況相比理論更為復(fù)雜，能否在實(shí)際加工中獲得好的矯直質(zhì)量是設(shè)計(jì)的根本。在現(xiàn)有斜輥矯直機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)改造，使其符合設(shè)計(jì)要求。再對(duì)導(dǎo)電棒進(jìn)行矯直試驗(yàn)，對(duì)比分析矯直前、后的波浪度和表面壓痕、磨損，評(píng)估矯直效果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否可靠。

隨機(jī)抽取100根導(dǎo)電棒，分10組進(jìn)行試驗(yàn)。利用直尺和工作平臺(tái)測(cè)量導(dǎo)電棒矯直前、后的弦高H和弦長(zhǎng)L，計(jì)算得到彎曲曲率ρ=8H/(L2+H2)和波浪度Δ=H/L×100%。各組矯直前、后彎曲曲率和波浪度均值如圖6所示。

從圖6可以看出，矯直前、后導(dǎo)電棒彎曲曲率和波浪度存在明顯變化，矯后波浪度均<1%，能夠滿足生產(chǎn)需求。矯后導(dǎo)電棒的橢圓度改變不大，表面壓痕、磨損等對(duì)實(shí)際生產(chǎn)也影響甚微，證明該設(shè)計(jì)是合理的。而試驗(yàn)得到的波浪度較模擬仿真結(jié)果大，主要有兩方面原因：1)導(dǎo)電棒使用時(shí)間長(zhǎng)，已不是理想材料，彈性發(fā)生變化；2)機(jī)器精密度、施工條件存在差異性，測(cè)量也有一定誤差[6]。

圖6　矯直前、后彎曲曲率和波浪度均值

4結(jié)語

根據(jù)上述分析，可以得到下述結(jié)論。

1)根據(jù)實(shí)際導(dǎo)電棒的彎曲特點(diǎn)和生產(chǎn)中對(duì)其精度的要求，采用了新式矯直機(jī)輥系。與以往輥系相比，克服了存在速度差等缺陷，更符合電鎳導(dǎo)電棒實(shí)際矯直需求，更貼合實(shí)際。

2)針對(duì)矯直該型導(dǎo)電棒所需壓下量較小的情況，基于理想條件設(shè)計(jì)了矯直輥輥型曲線。但在實(shí)際生產(chǎn)中，使用該方法得到的輥型曲線過彎，在進(jìn)行適當(dāng)修正后，能與導(dǎo)電棒更好接觸。

3)在有限元數(shù)值模擬分析中，使用理論設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置矯直機(jī)。當(dāng)壓下量為0.5 mm時(shí)，矯后波浪度為0.093%；當(dāng)壓下量為0.75 mm時(shí)，矯后波浪度為0.219%；當(dāng)壓下量為1 mm時(shí)，矯后波浪度為0.239%。壓下量為0.5 mm時(shí)的矯直效果相對(duì)更佳。

4)通過試驗(yàn)樣機(jī)得到導(dǎo)電棒矯后波浪度均<1%，證明設(shè)計(jì)可靠。但試驗(yàn)得到的波浪度比數(shù)值模擬的大，主要是因?yàn)閷?dǎo)電棒長(zhǎng)期使用，彈性降低以及試驗(yàn)條件與理論存在差異。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯鄭練

Design of Cross-roller Straightening Machine for Electrolytic Nickel Conducting Bar

TONG Qie1, SUN Dongming1, WU Qiong2, JIN Yan2

(1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming

650500, China; 2.Nickel Smelter, Jinchuan Group Co., Ltd., Jinchang 737100, China)

Abstract：Based on the straightening theory, design the relevant parameters of cross-roller straightening machine for electrolytic nickel conducting bar. It focuses on the roller system and roller shape. Take finite element numerical simulation analysis by using DEFORM software, get the wave of conducting bar after straightening, then determine the optimal reduction. Finally, verify the reliability of the design according to the straightening effect from experiments.

Key words:conducting bar, straightening, cross-roller, DEFORM

收稿日期：2015-08-31

作者簡(jiǎn)介：童切(1988-)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 333.2+3；TH 12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A