□ 趙曉燕 □ 李恒通 □ 高澤宇 □ 王 凱 □ 姜 勇

1.礦冶科技集團有限公司 北京 100160 2.北礦機電科技有限責任公司 北京 100160

1 分析背景

據(jù)不完全統(tǒng)計,我國大小型鋅冶煉企業(yè)超過350家,只有云南馳宏鋅鍺、新疆紫金等少數(shù)大型企業(yè)采用大極板電解和自動剝鋅,其余絕大部分采用小極板電解和人工剝鋅。目前,國外擁有成熟大極板自動剝鋅技術(shù)的公司只有保爾沃特、三井、奧圖泰。而國內(nèi)只有幾家院所企業(yè)對大極板自動剝鋅技術(shù)進行了深入研究,以礦冶科技集團有限公司研發(fā)的智能剝鋅機技術(shù)最為成熟,2015年完成國內(nèi)首臺套大極板自動剝鋅機工業(yè)示范應用,各項指標遠超進口剝鋅機,達到國際領(lǐng)先水平。

陰極板鋅片預剝離是機械化剝鋅的核心工序。陰極板鋅片剝離的難點是陰極板鋅片的預開口,只有陰極板上鋅片被成功預開口,后續(xù)剝離整個鋅片才有了基礎(chǔ)。

現(xiàn)有技術(shù)中,陰極板鋅片預剝離包括沖擊式預剝離、振動式預剝離和靜態(tài)鏟切式預剝離。

筆者針對以上問題中預剝離鋅片開口的影響因素進行分析研究,針對沖擊式預開口方式,研究刀具運行速度與刀具分布位置對于剝鋅預開口的影響規(guī)律,為提高剝鋅機預開口進行工藝優(yōu)化。

2 預剝離整體結(jié)構(gòu)

預剝離設備的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該設備在陰極板兩側(cè)上部邊緣均安裝有預剝離刀具,由多液壓缸控制,多點剝離、異步驅(qū)動,通過幾把刀的異步驅(qū)動,逐步實現(xiàn)預剝離。通過靜態(tài)鏟切的方式對吸附在陰極板上的鋅片進行預剝離。該設備主要由機架、兩側(cè)的小鑿刀組件、中間的斜刃刀組件、舉升裝置等部分組成。機架起支撐固定作用,由舉升裝置將傳送鏈上的陰極板舉起并固定,由兩側(cè)的小鑿刀組件和中間的斜刃刀組件先后鏟切鋅片上邊緣,使鋅片與陰極板之間產(chǎn)生縫隙,然后由舉升裝置將已預開口陰極板放回傳送鏈。舉升裝置舉起陰極板的運動由舉升油缸驅(qū)動,三組剝刀的下剝運動均有剝刀組件的壓下油缸驅(qū)動,剝刀在下剝前應先由開合油缸驅(qū)動其閉合成一定間隙,此間隙由陰極板厚度決定。

3 預剝離動作原理

該預剝離設備是全自動運行的智能設備,圖2所示為容易剝離時的控制策略,圖3所示為較難剝離時的控制策略。

▲圖1 預剝離設備結(jié)構(gòu)▲圖2 容易剝離時控制策略

預剝離設備的動作只與鏈條的運動有關(guān)系,而鏈條運動前要判斷預剝離設備的某些傳感器信號。

最初的設計時序是:① 鏈條步進完成;② 舉升油缸舉起陰極板;③ 三把刀同時閉合;④ 兩把小鑿刀進刀;⑤ 斜刃刀進刀;⑥ 三把刀同時打開;⑦ 三把刀同時退刀;⑧ 陰極板下降到鏈條。

后來通過現(xiàn)場使用,發(fā)現(xiàn)對于較難剝離的鋅片,小鑿刀下剝后先打開,產(chǎn)生一個縫隙便于斜刃刀進刀。所以運動時序修改為:① 鏈條步進完成;② 舉升油缸舉起陰極板;③ 三把刀同時閉合;④ 兩把小鑿刀進刀;⑤ 兩把小鑿刀同時打開;⑥ 斜刃刀進刀;⑦ 斜刃刀打開;⑧ 三把刀同時退刀;⑨ 陰極板下降到鏈條。

4 智能剝鋅機預剝離力學模型

小鑿刀剝離鋅片的過程,主要是刀刃鏟切進入陰極板和鋅片之間的粘結(jié)部分和刀背對鋅片的外掰作用。假定小鑿刀以速度v下行,建立的小鑿刀力學模型如圖4所示。

▲圖3 較難剝離時控制策略▲圖4 小鑿刀力學模型

假定此剝離過程的小鑿刀運行速度v恒定,即小鑿刀處于平衡狀態(tài)。在垂直陰極板面和平行于陰極板面的兩個參考方向,由力的平衡方程得到:

Fq=Ff1+Fz+Ff2cosα+Fbsinα

(1)

Fbcosα=Fy+Ff2sinα

(2)

Ff1=μFy′

(3)

Fy′=Fy

(4)

由式(1)～式(4)得:

Ff2=(Fbcosα-Fy)/sinα

(5)

Fq=Fz+(μ-cosα/sinα)Fy

+(cos2α/sinα+sinα)Fb

(6)

式中:Fq為驅(qū)動力,使小鑿刀鏟切剝離鋅片的動力來源;Fy為陰極板對小鑿刀的正壓力,與Fy′是一對作用力和反作用力,Fy′由開合油缸提供,使小鑿刀壓緊陰極板;Fb為劈裂力,即外掰力;Fz為剝離阻力,即小鑿刀下剝時破壞鋅片和陰極板之間粘結(jié)作用時所受的阻力;Ff1為摩擦阻力,即小鑿刀與陰極板之間的摩擦力;Ff2為摩擦阻力,即小鑿刀與已剝離鋅片之間的摩擦力;μ為小鑿刀和陰極板之間的滑動摩擦因數(shù);α為刀具角度。

5 預剝離階段鋅片開口影響因素分析

小鑿刀預剝離鋅片的過程是一個復雜多變的過程,影響成功剝離的因素也很多,有可測因素,也有不可測因素。

如刀具運行速度、刀具分布位置等是可測因素,鋅電解工藝導致含氟量的變化從而影響鋅片粘結(jié)程度,以及陰極板表面變形等都是不可測因素。

5.1 預剝刀具運行速度對鋅片開口影響

沖擊式預開口工作方式的基本原理是將蓄能器儲存的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊活塞和剝刀的高速運動沖擊能,顯著加快預開口刀具相對于陰極板的運動速度,充分利用剝刀的慣性力和運動沖量擴展裂隙,起達到鋅片預開口的目的。為達到降低能耗同時保證預開口成功率的目標,需要研究預開口刀具運行速度對于剝離預開口的影響,為此利用已建立模型進行分析計算,探索預開口完成時,刀具行程與剝離速度變化規(guī)律。相關(guān)計算參數(shù)見表1。

表1 預剝刀具部分工作參數(shù)

取鋅片端點垂直于陰極板正面Z方向位移作為預開口完成的參考量如圖4,定義鋅片端點在Z方向位移大于0.5 mm即認為剝離預開口完成。分析計算五種不同的刀具運行速度下鋅片端點在Z方向位移與時間的變化規(guī)律,如圖5所示。

▲圖5 鋅片端點處位移與時間變化規(guī)律

由圖5可以看出,隨著刀具運行速度的增加,完成預開口所需的刀具運動時間降低,為了進一步研究刀具移動距離與刀具移動速度的關(guān)系,筆者對數(shù)值計算得到的數(shù)據(jù)進行了擬合,如圖6所示。

▲圖6 刀具移動距離與刀具運行速度關(guān)系擬合曲線

線性擬合所得擬合方程為式(7),擬合相關(guān)因數(shù)R2為0.907。

y=11.116x+ 10.976

(7)

二次擬合所得擬合方程為式(8),擬合相關(guān)因數(shù)R2為0.983 8。

y=-6.414 4x2+25.3x+5.888 6

(8)

式中:x為刀具運行速度;y為刀具移動距離。

擬合相關(guān)因數(shù)越接近1,表示擬合效果越好,由此可以看出二次擬合效果更好。

實際剝鋅過程中,鋅片預剝離的優(yōu)化既要考慮鋅片預開口的成功率,也需要盡量降低預開口所需時間以提高生產(chǎn)效率。一般情況下,提高剝離刀具移動速度可以實現(xiàn)這一目標。由圖6可知,隨著刀具運行速度的增加,鋅片完成預開口時所需的刀具移動距離開始增加,由二次擬合方程計算得刀具運行速度為1.97 m/s左右時,刀具移動距離達到峰值。因此,為保證鋅片的預開口,同時考慮到設備的能耗與安全,刀具運行速度的上限值不應超過1.97 m/s。刀具預開口所需移動距離可以通過擬合方程和實際生產(chǎn)中的刀具參數(shù)和所需的剝離時間進行優(yōu)化設計。

5.2 預剝刀具分布位置對鋅片開口影響

鋅片預開口的效果好壞除了受到預剝刀具運動速度的影響外,對于刀具在鋅片橫向的分布位置也比較敏感,為探索刀具分布位置對于鋅片預剝離開口的影響,利用已建立模型進行分析計算,探索預開口完成時,刀具行程與刀具分布位置的變化規(guī)律。預剝刀具相應的試驗工況見表2。

分析計算五種不同的刀具分布位置,即刀具與鋅片側(cè)邊沿的不同距離,即刀具逐漸靠近鋅片中軸線。鋅片端點垂直于陰極板正面Z方向位移與刀具移動距離的變化規(guī)律如圖7所示。

表2 刀具預剝離試驗工況

▲圖7 鋅片端點處位移與刀具移動距離變化規(guī)律

由圖7可以看出,隨著刀具與鋅片端點處距離的增加,即刀具逐漸靠近鋅片中軸線,預開口所需的刀具的運動行程相應增加,為了進一步研究其變化規(guī)律,筆者對數(shù)值計算得到的數(shù)據(jù)進行了擬合,如圖8所示。

▲圖8 刀具移動距離與刀具分布位置關(guān)系擬合曲線

線性擬合所得擬合方程為式(9),擬合相關(guān)因數(shù)R2為0.923 4。

y=0.355 3a-5.765 8

(9)

二次擬合所得擬合方程為式(10),擬合相關(guān)因數(shù)R2為0.981 7,可以看出二次擬合效果更好。

y=0.002 5a2-0.097 5a+10.079

(10)

式中:a為刀具與鋅片邊緣的距離。

在實際剝鋅過程中,陰極板被豎直吊裝在橫向鏈條上,預剝刀具在鋅片上端懸掛,由上述分析可知,刀具與鋅片側(cè)邊沿的距離存有顯著影響鋅片的預開口成功率。因此鋅片預剝離的優(yōu)化還要考慮預剝刀具的分布位置。隨著預剝刀具分布位置變化,刀具越靠近鋅片那一側(cè)邊沿,那側(cè)鋅片越先發(fā)生剝離。當只采用一把預剝刀時,則預剝刀應位于鋅片中心位置。若采用兩把預剝刀時,則兩把刀具需對稱分布在鋅片上邊沿四等分處。

6 結(jié)束語

筆者介紹了全自動剝鋅機沖擊式預開口預剝離機的結(jié)構(gòu)和動作原理,并建立分析其力學模型。在積累了相關(guān)剝離影響因素研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,研究了刀具運行速度與刀具分布位置對于剝鋅預開口的影響規(guī)律,并得到結(jié)論。

對鋅片的預剝離過程進行仿真分析,結(jié)果表明在保證鋅片完成預開口的前提下,隨著預剝刀具剝離速度的增加,預開口所需的刀具運動行程反而降低。隨著刀具與鋅片端點處距離的增加,即刀具逐漸靠近鋅片中軸線。預開口所需的刀具運動行程相應增加。隨后對仿真結(jié)果進行了曲線擬合,得到了兩種變化規(guī)律的擬合方程。

同時針對沖擊式預開口方式,提出了預剝刀具的運行速度及分布位置優(yōu)化設計意見,為提高全自動剝鋅機預開口工藝設計奠定了理論基礎(chǔ)。