導(dǎo)電棒刷光機(jī)動(dòng)力頭的設(shè)備研究

王斌，孫東明，郭一行

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

0 引言

鎳作為一種儲(chǔ)備豐富的金屬，被廣泛應(yīng)用于軍事、航天等領(lǐng)域。我國(guó)鎳礦資源豐富，截止到2019 年，我國(guó)鎳儲(chǔ)備為280 萬(wàn)t，排在世界第8位[1]。在電解精煉金屬鎳時(shí)，導(dǎo)電棒作為一個(gè)電解過(guò)程中的重要工件，對(duì)電解鎳的效率起了非常大的作用。導(dǎo)電棒的材質(zhì)為紫銅空心圓棒，由于在空氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，首先會(huì)在導(dǎo)電棒表面生成一層氧化物；同時(shí)，電解槽中注入新電解液的管道口離導(dǎo)電棒近，導(dǎo)致硫酸鎳電解液飛濺到導(dǎo)電棒上形成硫酸鎳結(jié)晶；換極人員用天車吊出殘極時(shí)，也會(huì)不慎將電解液滴到導(dǎo)電棒上形成硫酸鎳結(jié)晶。在鎳電解槽上的導(dǎo)電棒每使用6 天左右，導(dǎo)電棒表面會(huì)出現(xiàn)附著物，這層附著物會(huì)降低導(dǎo)電棒導(dǎo)電能力，增加電耗，最終會(huì)降低電解鎳的質(zhì)量，并且在有大電流通過(guò)導(dǎo)電棒時(shí)，會(huì)使導(dǎo)電棒表面溫度急劇上升，產(chǎn)生大量的熱量，容易發(fā)生安全事故。所以對(duì)導(dǎo)電棒表面進(jìn)行處理對(duì)電解工藝有著較為重要的意義。

最初是采用人工來(lái)處理導(dǎo)電棒表面的附著物，由于機(jī)械制造業(yè)的快速發(fā)展，開(kāi)始設(shè)計(jì)和制作各種機(jī)械化設(shè)備來(lái)代替人工[2]。我國(guó)現(xiàn)有的導(dǎo)電棒表面清潔機(jī)器還是20 世紀(jì)70 年代的電動(dòng)晃管機(jī)[3]，電動(dòng)晃管機(jī)需要人工作業(yè)，手動(dòng)將大量導(dǎo)電棒分批次投入到裝有稻殼的電動(dòng)晃光機(jī)中，電動(dòng)晃管機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中依靠稻殼與導(dǎo)電棒、導(dǎo)電棒與導(dǎo)電棒的相互摩擦切削將導(dǎo)電棒表面附著物處理干凈。這種電動(dòng)晃管機(jī)不僅自動(dòng)化程度低，還有效率低下、工作環(huán)境惡劣、稻殼運(yùn)輸成本過(guò)高等問(wèn)題，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了工廠的發(fā)展。本文根據(jù)無(wú)心磨削理論的相關(guān)知識(shí)對(duì)導(dǎo)電棒表面清理裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用ANSYS/LS-DYNA仿真確定刷絲的相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定刷光機(jī)的刷削參數(shù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)及工作原理

1.1 刷光輥的確定

刷光輪按其制作方法和形狀，可分為成組的輻射刷光輪、波形輻射刷光輪、短絲密排輻射刷光輪、杯形刷光輪、普通寬面刷、條形寬面刷和小型刷光輪[4]。

在具體加工時(shí)，對(duì)刷光輪及刷光參數(shù)的選擇要視零件的材料、性質(zhì)和具體技術(shù)指標(biāo)而定。在本文中，需要對(duì)點(diǎn)鎳導(dǎo)電棒進(jìn)行表面清理，刷掉銅導(dǎo)電棒棒表面附著物，屬于冶金生產(chǎn)線的表面清理。而條形寬面刷即用于冶金工廠的板材表面清理，故選用條形寬面刷作為電鎳導(dǎo)電棒刷光機(jī)的刷光輥類型。

刷光軸的直徑計(jì)算公式為[5]

式中：d——計(jì)算截面處軸的直徑，mm；P——軸傳遞的功率，kW；[τ]——許用剪切應(yīng)力，MPa；n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min。

軸的材質(zhì)選擇Q235 碳素鋼，許用剪切應(yīng)力為15 MPa。軸轉(zhuǎn)速過(guò)大會(huì)產(chǎn)生較大機(jī)械振動(dòng)，轉(zhuǎn)速小則不能將導(dǎo)電棒表面清理干凈，結(jié)合金屬切削與磨削主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，確定最高轉(zhuǎn)速為1 200 r/min。將實(shí)際生產(chǎn)中的電機(jī)功率P=37 kW 代入，求得最小直徑d=46.72 mm，故軸徑取50 mm。將刷光輥軸整體直徑定為100 mm。導(dǎo)電棒長(zhǎng)度為1 355 mm，刷光輥長(zhǎng)度應(yīng)大于導(dǎo)電棒長(zhǎng)度，所以刷光輪長(zhǎng)度定為1 400 mm。

1.2 旋轉(zhuǎn)方式的確定

清洗設(shè)備借鑒無(wú)心外圓磨削進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種類型的機(jī)器可用于清洗各種軸類、桿件、管件外圓表面清洗，是棒狀工件進(jìn)行表面清理的最佳選擇。

在無(wú)心外圓磨削中，導(dǎo)輪起著至關(guān)重要的作用，導(dǎo)輪的直徑尺寸和旋轉(zhuǎn)速度都比磨削輪要小，工件與導(dǎo)輪之間的摩擦力較大，所以工件被導(dǎo)輪帶動(dòng)并與導(dǎo)輪成相反方向旋轉(zhuǎn)[6]。當(dāng)導(dǎo)電棒表面進(jìn)行清理時(shí)，需要導(dǎo)電棒依靠外力自身繞軸心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在這里也選用摩擦旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式，摩擦原理如圖1 所示。摩擦輪的放置方式為對(duì)稱排列，一側(cè)為主動(dòng)輪，相當(dāng)于無(wú)心磨削中的導(dǎo)輪作用，而另一側(cè)為從動(dòng)輪，相當(dāng)于無(wú)心磨削中托板的作用。跟無(wú)心磨削不同的是，導(dǎo)輪軸心線在垂直面內(nèi)沒(méi)有傾斜角度，僅利用導(dǎo)輪摩擦棒體，使從動(dòng)輪與主動(dòng)輪一起支撐導(dǎo)電棒做摩擦旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而沒(méi)有縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。摩擦旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)方式特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，但轉(zhuǎn)速過(guò)高，導(dǎo)電棒會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能與導(dǎo)輪具有相同的線速度。為節(jié)省清理時(shí)間，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速不宜過(guò)快。

1.3 導(dǎo)電棒刷光動(dòng)力頭設(shè)計(jì)

導(dǎo)電棒刷光動(dòng)力頭為刷光機(jī)的主要執(zhí)行部件，目的在于完成刷光任務(wù)。在電鎳導(dǎo)電棒刷光的過(guò)程中，將導(dǎo)電棒置于導(dǎo)輪上，主運(yùn)動(dòng)為刷光輥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由電機(jī)帶動(dòng)導(dǎo)輪使導(dǎo)電棒的旋轉(zhuǎn)方向與刷光輪相反，再通過(guò)氣缸使導(dǎo)電棒上升，相對(duì)于刷光輪做徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，直至導(dǎo)電棒與刷光輪具有一定的接觸，從而達(dá)到去除電鎳導(dǎo)電棒表面附著物的目的，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)電棒刷光機(jī)主要結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of main structure of conductive rod brushing machine

由刷光機(jī)工作原理可知，整個(gè)表面清理過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行，能夠高效完成導(dǎo)電棒表面清理工作，與現(xiàn)有清理方式相比，極大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也降低了工廠生產(chǎn)成本。

2 刷絲參數(shù)的仿真分析

2.1 ANSYS/LS-DYNA 分析過(guò)程

鋼絲刷在現(xiàn)實(shí)生活中通常應(yīng)用于鋼材業(yè)或鋁業(yè)表面處理，由一系列的刷輥安裝在全自動(dòng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的刷光機(jī)上，對(duì)金屬進(jìn)行表面清洗處理。因?yàn)楸砻嫠⒐馓幚韺?shí)質(zhì)上是用金屬絲側(cè)鋒對(duì)金屬基體表面進(jìn)行切削，所以刷毛常用鋼絲來(lái)制作。市面上鋼絲刷所用鋼絲普遍有碳鋼或者不銹鋼。綜合以上，本次模擬仿真中，對(duì)45 號(hào)鋼、60 號(hào)鋼、70 號(hào)鋼以及304 不銹鋼的力學(xué)性能進(jìn)行分析，并選出適當(dāng)?shù)乃⒚牧稀?/p>

2.1.1 前處理建模

由已知參數(shù)可知，刷光軸采用Q235 碳素鋼，長(zhǎng)度為1 400 mm，直徑為50 mm；導(dǎo)電棒全長(zhǎng)1 355 mm，外徑35 mm，內(nèi)徑28 mm。在仿真分析中，一般都會(huì)對(duì)幾何模型做一定程度的簡(jiǎn)化處理，以提高分析效率。在本次仿真研究中，主要對(duì)單根鋼絲劃過(guò)導(dǎo)電棒的過(guò)程進(jìn)行分析，導(dǎo)電棒和刷光軸建立直徑分別為35 mm 和50 mm、寬度均為20 mm 的圓柱體，將鋼絲固定在刷光軸上。假定鋼絲直徑為1 mm，鋼絲自由長(zhǎng)度為50 mm，壓入量為1 mm。在CATIA 三維建模軟件中建好如圖3 所示的模型。

圖3 單根刷毛三維模型Fig.3 3D model of single brush wire

2.1.2 定義材料

本節(jié)主要研究的是不同材質(zhì)的鋼絲刷過(guò)導(dǎo)電棒表面時(shí)鋼絲的力學(xué)性能。由于鋼絲在刷削時(shí)可以出現(xiàn)彎曲回彈，近似于懸臂梁，所以在設(shè)置單元特性時(shí)，將鋼絲設(shè)置成BEAM161 梁?jiǎn)卧瑢?dǎo)電棒和刷光軸均設(shè)置成SOLID164 實(shí)體單元。

在仿真模型中，導(dǎo)電棒選用的材料為紫銅，鋼絲材質(zhì)分別為45 號(hào)鋼、60 號(hào)鋼、70 號(hào)鋼和304 不銹鋼，其材料參數(shù)如表1 所示。鋼絲設(shè)置為各向同性彈性材料，比較各個(gè)材料的應(yīng)力峰值。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

2.1.3 網(wǎng)格劃分及定義接觸

將在三維建模軟件CATIA 中畫(huà)的模型導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA 中，劃分網(wǎng)格時(shí)賦予各個(gè)part 材料屬性。刷光軸的主要作用就是帶動(dòng)鋼絲繞x 軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方式，生成四面體網(wǎng)格；鋼絲和導(dǎo)電棒采用掃掠網(wǎng)格劃分方法，生成六面體網(wǎng)格，如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)格模型Fig.4 Mesh model

檢查網(wǎng)格無(wú)錯(cuò)誤后定義接觸關(guān)系，在顯示動(dòng)力學(xué)中，定義鋼絲與導(dǎo)電棒為自動(dòng)接觸，在接觸分析中，由于問(wèn)題的復(fù)雜性，判斷接觸發(fā)生的方向有時(shí)是很困難的，因此分析中應(yīng)盡量使用自動(dòng)接觸；定義鋼絲與刷光軸之間為固連接觸，將鋼絲固連在刷光軸上。

2.1.4 加載和求解

模擬某一時(shí)刻下鋼絲劃過(guò)導(dǎo)電棒的過(guò)程，鋼絲存在初始角速度，假定轉(zhuǎn)速為60 r/min，繞著刷光軸模型的x 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，載荷加在剛體刷光軸上。設(shè)置終止時(shí)間為0.07 s，時(shí)間步長(zhǎng)相關(guān)系數(shù)設(shè)置為0.9。完成設(shè)置后，向ANSYS/LS-DYNA 求解器提交求解。

2.1.5 后處理及結(jié)果分析

對(duì)4 種鋼絲材質(zhì)的刷絲采用相同的網(wǎng)格、接觸、加載類型和分析設(shè)置，僅改變材料的屬性參數(shù)進(jìn)行4 次分析，將4 次計(jì)算結(jié)果文件導(dǎo)入到LS-PREPOST 中進(jìn)行后處理，得到鋼絲劃過(guò)導(dǎo)電棒的最大應(yīng)力如圖5 所示。

圖5 4 種鋼絲材料最大等效應(yīng)力云圖Fig.5 Maximum equivalent stress cloud diagram of four steel wire materials

4 種鋼絲材質(zhì)的刷毛達(dá)到應(yīng)力峰值的時(shí)間差不多，達(dá)到的應(yīng)力峰值各不相同。表2 給出了不同材質(zhì)刷毛的應(yīng)力峰值對(duì)比。

表2 不同材質(zhì)鋼絲的應(yīng)力峰值Tab.2 Stress peaks of steel wires of different materials

由表2 可以看出，刷毛材質(zhì)為鋼材，質(zhì)量較大，在旋轉(zhuǎn)中所獲得的動(dòng)能也較大，適合金屬絲側(cè)鋒將雜質(zhì)從導(dǎo)電棒上切削去除。4 種材料的鋼絲中，密度相近，所以質(zhì)量差不多相同，由于屈服應(yīng)力不同，所得出的安全系數(shù)也不同，70 號(hào)鋼是4 種材料鋼絲中安全系數(shù)最高的，硬度以及強(qiáng)度相對(duì)較好。本著經(jīng)濟(jì)、高效的原則，選擇安全系數(shù)較高的70 號(hào)鋼絲作為電鎳導(dǎo)電棒刷光機(jī)的刷絲材料。

2.2 刷絲直徑的確定

對(duì)刷毛直徑的仿真分析中，取在上一節(jié)中確定的70 號(hào)鋼絲作為刷毛材料，取刷毛長(zhǎng)度為50 mm，直徑分別取0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 mm。在相同的仿真設(shè)置方法下，將計(jì)算結(jié)果文件導(dǎo)入到HyperView 中進(jìn)行后處理。測(cè)量不同鋼絲直徑下的最大撓度值，之后生成位移曲線，結(jié)果如表3 所示。

表3 鋼絲直徑-撓度表Tab.3 Wire diameter-deflection

如圖6 所示，在其他條件都不變的情況下，隨著刷毛直徑的增大，撓度值也隨之減小。

圖6 刷毛直徑-撓度曲線Fig.6 Bristle diameter-deflection curve

當(dāng)鋼絲直徑＜0.6 mm 時(shí)，增大鋼絲直徑對(duì)撓度的影響較大；當(dāng)鋼絲直徑＞0.6 mm 時(shí)，逐漸趨于平緩，增大鋼絲直徑對(duì)撓度的影響較小。鋼絲越細(xì)，在單位面積上可以排布較多的鋼絲，清洗效率較高，綜合考慮，鋼絲直徑選擇0.6 mm 刷削效果最佳。

2.3 刷絲長(zhǎng)度的確定

對(duì)刷毛長(zhǎng)度的仿真中，取70 號(hào)鋼，鋼絲直徑為0.6 mm，長(zhǎng)度分別取20，30，40，50 mm。前處理與后處理與上一節(jié)相同，用同樣的方法分別測(cè)出當(dāng)鋼絲長(zhǎng)度為20，30，40，50 mm 的撓度值，見(jiàn)表4。

表4 鋼絲長(zhǎng)度-撓度表Tab.4 Wire length-deflection

如圖7 所示，在其他條件都不變的情況下，隨著刷毛長(zhǎng)度的增大，撓度值也隨之增大。仿真表明撓度與刷毛的長(zhǎng)度成正比，與刷毛的直徑成反比，當(dāng)刷毛越長(zhǎng)，撓度越大，變形加大，硬度越低，刷削效果越差。故刷毛長(zhǎng)度不宜過(guò)大，刷絲過(guò)短，加劇刷絲尖端磨損，綜合考慮將刷毛長(zhǎng)度定義為50 mm。

圖7 刷毛長(zhǎng)度-撓度曲線Fig.7 Bristle length-deflection curve

3 刷光實(shí)驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

刷光輥轉(zhuǎn)速和下壓量會(huì)明顯地影響到這種刷光機(jī)的刷光效果，而在刷光過(guò)程中，設(shè)置適當(dāng)?shù)乃⑾饔昧靠筛咝У貙?duì)導(dǎo)電棒進(jìn)行清理，且節(jié)約了成本。本文試驗(yàn)時(shí)設(shè)置的試驗(yàn)樣機(jī)如圖8 所示。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中綜合考慮設(shè)置允許最大下壓量4 mm，壓下量過(guò)小，相應(yīng)刷削力可能不足，無(wú)法有效清理導(dǎo)電棒表面的雜質(zhì)。根據(jù)說(shuō)明資料中的刷光輥轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，直徑200 mm 的刷光輥許用轉(zhuǎn)速最大值為1200 r/min，考慮到這一因素，在保證安全基礎(chǔ)上，選擇其轉(zhuǎn)速分別為800 r/min 和1 000 r/min，相應(yīng)的托輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為100 r/min 。

圖8 導(dǎo)電棒刷光機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)Fig.8 Conductor rod brushing machine test prototype

3.2 刷光效果分析

刷光時(shí)間保持不變情況下，導(dǎo)電棒刷光前后結(jié)果對(duì)比如圖9 所示。分析此圖可知1-5 號(hào)導(dǎo)電棒表面污垢被有效地處理，不過(guò)6 號(hào)上殘留一些污垢。

圖9 導(dǎo)電棒刷光前、后對(duì)比圖Fig.9 Comparison of conductive rod before and after brushing

表5 顯示了刷光后其表面狀態(tài)相關(guān)情況。根據(jù)此表結(jié)果可知，這幾組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的污垢去除力都超其附著力，可滿足清除要求。具體觀察分析試樣的表面狀況可知，在清理后第2、4、5、6號(hào)導(dǎo)電棒表面產(chǎn)生一定燒傷現(xiàn)象。分析可知，在下壓量為4 mm 條件下，表面污垢可被有效清理，不過(guò)也導(dǎo)致出現(xiàn)導(dǎo)電棒表面損傷問(wèn)題；下壓量保持一致，轉(zhuǎn)速越大則清理后的表面燒傷越明顯。溫度增加后表面氧化程度也會(huì)增加，較高溫度條件下還可能引發(fā)結(jié)晶體固化問(wèn)題，難以有效清理。

表5 導(dǎo)電棒刷光后表面狀態(tài)Tab.5 Surface state of conductive rod after brushing

4 結(jié)論

由試驗(yàn)結(jié)果可知，刷光輥轉(zhuǎn)速和壓入量對(duì)刷光質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生明顯影響。試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，在刷光過(guò)程中，壓下量為3 mm 時(shí)條件下的刷光效果高于4 mm 時(shí)的。而在壓下量保持一致時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)刷光輥轉(zhuǎn)速可更好地滿足導(dǎo)電棒表面污染清潔要求。不過(guò)轉(zhuǎn)速增加到一定幅度后，容易出現(xiàn)表面損壞的問(wèn)題。可在以上仿真分析和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基本確定刷光機(jī)的結(jié)構(gòu)和刷光參數(shù)，也就是壓入量為3 mm、轉(zhuǎn)速為600～800 r/min，在這種條件下可取得最好的清理效果。試驗(yàn)結(jié)果也證明本次機(jī)器設(shè)計(jì)滿足要求，且據(jù)此確定合適的刷削參數(shù)，可對(duì)此類刷光機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。