浦玲江，董為民，張于強

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院）

0 引言

銅是我國非常重要的有色金屬[1]，是國民經(jīng)濟建設(shè)中是相當重要的金屬原材料之一[2]。陰極銅剝片機組是目前艾薩法銅電解項目專用設(shè)備，用來剝離不銹鋼陰極母板兩側(cè)的陰極銅[3]。國外公司在20 世紀70 年代已經(jīng)研發(fā)陰極剝片機組，并重點在“水平剝離技術(shù)”[4]和“豎直剝離技術(shù)”[5]2 種基本剝片技術(shù)上申請專利保護。1980 年EPCM 公司與加拿大鷹橋公司合作推廣KIDD 技術(shù)；在電解銅的生產(chǎn)制作裝備上，EPCM 生產(chǎn)加工不銹鋼陰極板及陰極剝片機組；2008 年，該公司制造的第一套機器人剝片機組首次運行使用[6]。國內(nèi)，丁慧等[7]研發(fā)了一種剝離裝備，福建某銅廠于2012 年 7 月第一次應(yīng)用該剝片機組裝備；2013 年，吳鵬云等[8]借助三維建模軟件SolidEdge 及二維平面設(shè)計軟件CAXA 研究振打開口試驗設(shè)備；2014 年，王希靖等[9]分析設(shè)計出銅電解始極片剝片機設(shè)備；2017 年，陳德華等[10]對大極板智能剝鋅機預(yù)剝離特性的試驗進行了細致研究；同年，肖益民等[11]研發(fā)出陰極沉積金屬片預(yù)剝離裝置。上述研究中，大多數(shù)都是設(shè)計研發(fā)剝離裝置，而針對傳統(tǒng)電解中銅始極片預(yù)剝離裝置中拍打機構(gòu)和旋打機構(gòu)的研究較少。

本文設(shè)計了一種銅始極片的預(yù)剝離裝置，研究銅始極片預(yù)剝離過程中拍打機構(gòu)和旋打機構(gòu)工作過程的動力學(xué)特性，并在不同拍打時間與不同旋轉(zhuǎn)時間情況下，針對固定氣缸受到的作用力和旋轉(zhuǎn)架受到的作用力、角加速度、加速度進行綜合分析，確定合理的拍打時間和旋轉(zhuǎn)時間。

1 銅始極片預(yù)剝離裝置設(shè)計

1.1 預(yù)剝離裝置的建模

利用SolidEdge 強大的零件建模功能，對安裝用板、檢測齒盤、檢測開關(guān)架、減速器座、接線盒、門架、拍板部件、上橫梁、上夾板部件和彎曲頂板進行設(shè)計，并進行零件的裝配，最終組裝成銅始極片預(yù)剝離裝置，如圖1 所示。

圖1 銅始極片預(yù)剝離裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall structure of copper primer prestripping device

1.2 預(yù)剝離裝置的工作原理

該裝置包括橫梁、減速機、拍打機構(gòu)和旋打機構(gòu)。旋打機構(gòu)與減速機安裝在一起，減速機固定在橫梁的兩側(cè)，拍打機構(gòu)與氣缸相連接安裝在橫梁上。使用時，首先將沉積有銅始極片的鈦陰極從電解槽取出，并運用傳送帶送至預(yù)剝離設(shè)備上，通過氣缸推動活塞使尼龍墊板夾緊銅始極片，由減速機提供動力，經(jīng)由電機鏈輪帶動鏈條將動力傳遞到旋轉(zhuǎn)軸，以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)架的360°轉(zhuǎn)動。再由兩側(cè)的滾輪不停旋轉(zhuǎn)將動力傳遞到工作部分。8 個滾輪經(jīng)過不停旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，使其不斷地朝著銅始極片的方向運動；同時，8 個滾輪與始極片作相同方向的旋轉(zhuǎn)運動（兩側(cè)的轉(zhuǎn)動方向相對于固定在中間的始極片方向相反）。工作時，2 個減速機同時運轉(zhuǎn)，經(jīng)由鏈條的傳動，從而使?jié)L輪可以實現(xiàn)連續(xù)不斷的運轉(zhuǎn)。與此同時，無縫管與錘頭相連接，通過氣缸的運動可以推動無縫管的擺動，進而帶動錘頭實現(xiàn)對銅始極片的拍打。3 個錘頭（相當于拍板）拍打到銅始極片的水線附近，進而實現(xiàn)銅始極片的開口。在運動過程中，滾輪旋轉(zhuǎn)并與始極片接觸，始極片被擠壓，出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致在其變形的位置產(chǎn)生開口，從而形成工作部分安裝的旋打機構(gòu)對銅始極片的預(yù)剝離，為下一步的完全剝離做好準備。銅始極片被放置到預(yù)剝離設(shè)備后，因為兩側(cè)有錘頭和滾輪關(guān)于機架呈對稱分布，所以當銅始極片進入預(yù)剝離設(shè)備時銅始極片可以受力均勻。因為拍打機構(gòu)和旋打機構(gòu)同時運動，可以明顯提高銅始極片預(yù)剝離的效率，實現(xiàn)連續(xù)不斷地批量預(yù)剝離銅始極片。

2 預(yù)剝離裝置運動過程分析

研究過程中把氣缸對無縫管及錘頭的推動簡化為彈性桿，忽略活塞在下落過程中和缸體的摩擦力，因活塞受氣壓壓力和自身重力的共同作用[12-13]，根據(jù)動能原理可得：

式中：h——無縫管及錘頭被提升的高度；m——活塞質(zhì)量；τ——氣壓壓力的系數(shù)；v——沒有產(chǎn)生撞擊時活塞的下落速度。

在下落過程中

將活塞下端和碰撞時局部細微彈性變形簡化為剛度為k 的彈簧，兩端的作用力表達式為

式中：α——無量綱沖擊系數(shù)，其對于不同沖擊系統(tǒng)波動方程的解起著重要作用。

查閱相關(guān)資料得出，彈性體的碰撞是一個極其復(fù)雜的非線性力學(xué)現(xiàn)象。當2 個撞擊的物體撞擊接觸面為球體時，可利用線性當量彈簧模擬局部碰撞時的非線性力學(xué)過程[14]，具體方程如下：

上述分析采用的是碰撞面近似為球體時所應(yīng)用的等效處理，但在實際運動過程中，無縫管及錘頭和被拍板的工作介質(zhì)處不是理想的球體，因而碰撞時的局部變形就極其復(fù)雜，但無縫管及錘頭和被拍板的工作介質(zhì)處的碰撞變形通過非線性力學(xué)過程可以等效為彈簧進行模擬。

為便于理論分析研究，對拍板機構(gòu)做如下假設(shè)：

（1）因為在氣缸的推動下無縫管及錘頭碰撞，被拍板工作介質(zhì)處會產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊應(yīng)力波即入射波，該波在傳遞到另一個端面處后會被反射即反射波，所以假設(shè)在此過程中碰撞所產(chǎn)生入射波的沖擊波不會和自身所碰撞的交界面所產(chǎn)生的反射波而進行疊加[15]，即入射波傳遞到兩者結(jié)合交界處的波形仍會保持其原有的狀態(tài)；

（2）當無縫管及錘頭進行拍板的運動過程后，被拍板的工作介質(zhì)會有一定范圍內(nèi)的回彈，氣缸的推動對無縫管及垂頭的沖擊只有一部分作用于拍板的工作介質(zhì)。上述情形主要在α＞0.25 時產(chǎn)生。以錘頭和被拍板的工作介質(zhì)的接觸面為研究分析的對象，相對于粘彈性的工作介質(zhì)Fp=0，當α＞0.25 時，可得1 階線性微分方程為

當K=0，α＞0.25 被拍板的工作介質(zhì)為粘塑性時，同理可得：

由式（11）、式（12）可知，在拍打過程中，被拍板的工作介質(zhì)沉降量也即速度v（t）、位移 u（t）的非線性變化。

3 預(yù)剝離裝置的動力學(xué)仿真

3.1 預(yù)剝離過程中拍打機構(gòu)對橫梁的受力研究

當拍打時間為t=2.5～5 s（翻轉(zhuǎn)時間2.5 s）、2.5～5.5 s（翻轉(zhuǎn)時間3 s）、3.0～6.5 s（翻轉(zhuǎn)時間3.5 s），在其拍打的過程中，固定氣缸受到X 軸方向與Y軸方向的作用力，因此Z 軸方向作用力忽略不計，其受力分別如圖2—圖4 所示。

圖2 上氣缸固定在橫梁X 軸、Y 軸方向作用力Fig.2 Acting force of upper cylinder fixed on the beam in X-axis and Y-axis

圖3 下氣缸固定在橫梁X 軸、Y 軸方向作用力Fig.3 Acting force of lower cylinder fixed on the beam in X-axis and Y-axis

圖4 提升擺臂固定在橫梁X 軸、Y 軸方向受到的力Fig.4 Acting force of lifting arm fixed on the beam in X-axis and Y-axis

由圖2—圖4 可得，當拍打時間為t=2.5～5.0 s（翻轉(zhuǎn)時間2.5 s），t=2.5～5.5 s（翻轉(zhuǎn)時間3 s），t=3.0～6.5 s（翻轉(zhuǎn)時間3.5 s）時，上下氣缸、提升擺臂固定在橫梁作用力的大小分別如表1—表3 所示。

表1 拍打時間在t=2.5～5.0 s 時橫梁受到的力Tab.1 Force on the beam when the flapping time is t=2.5～5.0 s

表2 拍打時間在=2.5～5.5 s 時橫梁受到的力Tab.2 Force on the beam when the flapping time is t=2.5～5.5 s

表3 拍打時間在t=3.0～6.5s 時橫梁受到的力Tab.3 Force on the beam when the flapping time is t=3.0～6.5 s

由表1—表3 可得，當t=2.5～5.0 s 時，上氣缸固定在橫梁作用力比t=2.5～5.5 s 時在X 軸方向小96%，在Y 軸方向小98.5%。上氣缸固定在橫梁作用力比t=3.0～6.5 s 時在X 軸方向小 42%，在Y 軸方向小73.03%；當t=2.5～5.0 s 時，下氣缸固定在橫梁作用力比t=2.5～5.5s 時在X 軸方向小95.8%，在Y 軸方向小95.5%。下氣缸固定在橫梁作用力比t=3.0～6.5 s 時在X 軸方向小 47%，在Y軸方向小43%。當t=2.5～5.0 s 時，提升擺臂固定在橫梁作用力比t=2.5～5.5 s 時在X 軸方向小95.8%，在Y 軸方向小95.5%。提升擺臂固定在橫梁作用力比t=3.0～6.5 s 時在X 軸方向小47%，在Y 軸方向小43%。由以上分析可知，在達到企業(yè)生產(chǎn)率，而且確保剝片機的使用壽命的前提下，合理的拍打時間為t=2.5～5.0 s，并且完全剝離時間是6 s。

3.2 預(yù)剝離過程中旋打機構(gòu)對橫梁的受力研究

當旋轉(zhuǎn)時間為t=2.5～5.0 s（翻轉(zhuǎn)時間2.5 s），以及t=2.5～5.5 s（翻轉(zhuǎn)時間3 s）時，完全剝離銅始極片的時間為6 s。因為在旋打過程中，固定旋轉(zhuǎn)架只受X 軸方向與Y 軸方向的作用力，因此Z軸方向作用力忽略不計，受力情況分別如圖5—圖8 所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)架所受到的力Fig.5 The force applied to the rotating frame

圖6 旋轉(zhuǎn)架的角加速度Fig.6 Angular acceleration of rotating frame

圖7 旋轉(zhuǎn)架X 軸方向的加速度Fig.7 Acceleration of rotating frame along X-axis

圖8 旋轉(zhuǎn)架Y 軸方向的加速度Fig.8 Acceleration of rotating frame in Y-axis direction

當旋轉(zhuǎn)時間為t=3.0～6.5 s（翻轉(zhuǎn)時間3.5 s）時，完全剝離銅始極片的時間是7 s。因為在旋打過程中，固定旋轉(zhuǎn)架只受X軸方向與Y軸方向的作用力，因此Z 軸方向作用力忽略不計，受力情況分別如圖9—圖12 所示。

圖9 旋轉(zhuǎn)架所受到的力Fig.9 Force applied to rotating frame

圖10 旋轉(zhuǎn)架的角加速度Fig.10 Angular acceleration of rotating frame

圖11 旋轉(zhuǎn)架X 軸方向的加速度Fig.11 Acceleration of rotating frame along X-axis direction

圖12 旋轉(zhuǎn)架Y 軸方向的加速度Fig.12 Acceleration of rotating frame in Y-axis direction

由圖9—圖12 可得，當旋轉(zhuǎn)時間為t=2.5～5.0 s（翻轉(zhuǎn)時間2.5 s）、t=2.5～5.5s（翻轉(zhuǎn)時間3 s）、t=3.0～6.5 s（翻轉(zhuǎn)時間3.5 s）時，旋轉(zhuǎn)架所受的力、角加速度、X 軸和Y 軸方向加速度，如表4 所示。

表4 不同旋轉(zhuǎn)時間受到的力、角加速度和加速度Tab.4 Force,angular acceleration and acceleration received at different rotation time

由表4 可知，在不同的旋轉(zhuǎn)時間，旋轉(zhuǎn)架所受到的力相同，翻轉(zhuǎn)時間越長，角加速度和X 軸、Y軸方向的加速度變小。當旋轉(zhuǎn)的時間為t=3.0～6.5 s 時，角加速度比t=2.5～5.0 s 時小49%，比t=2.5～5.5 s 時小22.5%；X 方向加速度比t=2.5～5.0 s 時小53%，比t=2.5～5.5s 時小26%；Y 方向加速度比t=2.5～5.0 s時小49%，比t=2.5～5.5s 時小27.5%。在旋打過程中，由于存在慣性力，因此會對橫梁產(chǎn)生影響，導(dǎo)致橫梁容易斷裂。經(jīng)過對旋轉(zhuǎn)架旋打過程的綜合分析，根據(jù)不同翻轉(zhuǎn)時間對旋轉(zhuǎn)架所受到的力、加速度與角加速度進行分析，并且結(jié)合企業(yè)的生產(chǎn)效率，確定合理旋轉(zhuǎn)時間為3.0～6.5 s。

4 結(jié)論

本文通過三維軟件SolidEdge 建立銅始極片預(yù)剝離裝置的模型，并把模型導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件ADAMS 中，對預(yù)剝離裝置進行了動力學(xué)仿真分析，研究了銅始極片預(yù)剝離裝置中拍打機構(gòu)和旋打機構(gòu)工作過程的動力學(xué)特性，為預(yù)剝離裝置的控制提供依據(jù)，提高了銅始極片剝離生產(chǎn)效率。

（1）在預(yù)剝離過程中拍打機構(gòu)對橫梁的受力研究中，在不同拍打時間情況下，對上下氣缸、提升擺臂固定在橫梁作用力的綜合分析，確定了合理的拍打時間為2.5～5.0 s，且完全剝離時間為6.0 s。

（2）在預(yù)剝離過程中旋打機構(gòu)對橫梁的受力研究中，在不同旋轉(zhuǎn)時間情況下，對旋轉(zhuǎn)架所受到的力、角加速度和加速度進行綜合分析，確定了合理的旋打時間為3.0～6.5 s。