陰極銅剝片機(jī)組中撓曲模型的建立及其仿真

□ 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，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，同時也為整個剝片機(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支架構(gòu)成，左右兩個油缸帶動撓曲桿，以均勻速度慢慢靠近極板［4-5］。可以忽略其中的碰撞影響，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，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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2014年9月