陽極導(dǎo)桿檢測器夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計

王星鑫

（中車蘭州機(jī)車有限公司新廠建設(shè)辦公室，甘肅蘭州 730050）

0 引言

陽極導(dǎo)桿組常采用爆炸焊、摩擦焊實現(xiàn)鋁和鋼的連接，該裝置在高溫腐蝕環(huán)境，反復(fù)使用的條件下存在隨機(jī)和偶發(fā)性斷裂失效的問題，接頭質(zhì)量的好壞將直接影響陽極導(dǎo)桿組的導(dǎo)電性能。而對接頭質(zhì)量的檢測，目前還無相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是電解鋁行業(yè)有待解決的一個問題。因此開展焊接接頭質(zhì)量評定不僅可以確保電解過程的良好進(jìn)行，而且還是保證電解鋁行業(yè)節(jié)能減排達(dá)標(biāo)的必要條件。本課題將主要圍繞大電流無損檢測原理并基于SolidWorks 三維制圖平臺設(shè)計并優(yōu)化一種陽極導(dǎo)桿檢測器的機(jī)械裝置。

1 陽極組裝工藝流程設(shè)計

傳統(tǒng)的陽極組裝車間生產(chǎn)工藝一般包括裝殘極、電解質(zhì)清理、殘極拋丸、殘極壓脫、磷鐵環(huán)壓脫、鋼爪拋丸、鋁導(dǎo)桿校直、鋼爪校直、鋁導(dǎo)桿清刷、鋼爪蘸石墨、鋼爪烘干、組裝陽極組、澆鑄等工位，形成陽極組裝生產(chǎn)的主流程。但是，當(dāng)陽極導(dǎo)桿長度在2168 mm 以上時，彎曲度不得超過0.4%；導(dǎo)桿鋁鋼焊接處的裂紋在0.5 mm 以上，長度在50 mm 以上（或跨棱長度在80 mm以上），連續(xù)平均深度在20 mm 以上的；鋼爪焊口有裂紋和缺焊現(xiàn)象；爪趾焊肉余高不在（1～1.5）mm 時，均不能進(jìn)入下一道工序。因此，為了簡化修復(fù)程序，提高裝配效率，在陽極導(dǎo)桿的組裝工藝優(yōu)化成如下流程：

裝殘極→電解質(zhì)清理→殘極拋丸→殘極壓脫→磷鐵環(huán)壓脫→鋼爪拋丸→鋁導(dǎo)桿校直→鋼爪校直→鋁導(dǎo)桿清刷→鋼爪蘸石墨→鋼爪烘干→組裝陽極組→澆鑄→陽極導(dǎo)桿接頭質(zhì)量檢測→送電解車間使用。加入大電流檢測這一環(huán)節(jié)，保證整個裝配過程的順利進(jìn)行。

2 陽極導(dǎo)桿檢測器的組成

立式陽極導(dǎo)桿檢測器是通過對龐大的陽極導(dǎo)桿實施夾持固定并在焊接接口兩端加載大電流對其進(jìn)行無損檢測的一種裝置。該裝置由機(jī)身、加壓機(jī)構(gòu)、夾緊裝置、控制系統(tǒng)等組成。設(shè)計檢測裝置整體結(jié)構(gòu)時要考慮到機(jī)身應(yīng)有足夠的剛性、穩(wěn)定性并能滿足安裝要求；加壓機(jī)構(gòu)應(yīng)有良好的隨動性和可實現(xiàn)的壓力曲線；夾緊機(jī)構(gòu)應(yīng)有足夠的夾緊力和有效的接觸面積。本課題圍繞最初設(shè)計的陽極導(dǎo)桿檢測器作出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1 夾緊裝置的優(yōu)化

在陽極導(dǎo)桿彎曲度＜0.4%的條件下，計算得出夾緊裝置的夾緊力為3.5 MPa，通過初期的模擬計算發(fā)現(xiàn)，施加壓力之后整個陽極導(dǎo)桿檢測器裝置的強度和剛度都未存在特殊的不足，但是陽極導(dǎo)桿夾緊裝置結(jié)構(gòu)卻存在很嚴(yán)重的問題。在應(yīng)力和應(yīng)變滿足條件的情況下，并且夾緊裝置支撐架在X 方向上產(chǎn)生了4.394 mm 的位移，這將導(dǎo)致電極與陽極導(dǎo)桿結(jié)不能夠穩(wěn)定的接觸，使左側(cè)電極板與陽極導(dǎo)桿的接觸面積發(fā)生變化。由電流密度計算公式：J=I/S，其中I 是電流，A；S 是導(dǎo)體截面積，mm2，發(fā)現(xiàn)接頭處的電流密度會發(fā)生很大程度的改變，導(dǎo)致電流檢測結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

因此，首先對夾緊裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過對氣缸支撐架的不斷改進(jìn)，以內(nèi)部施加加強筋、斜拉筋等方式，綜合三角形結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性和桁架結(jié)構(gòu)的特點進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在同樣施加3.5 MPa 的壓力情況下做出折線圖（圖1），其中，橫坐標(biāo)為監(jiān)測點，應(yīng)變無單位，應(yīng)力單位是Pa，位移單位是mm。最終發(fā)現(xiàn)在屈服強度都滿足的前提下，“右裝體4”（代號6）這一方案的形變適中，結(jié)構(gòu)簡單，因此，最終選定為相對最優(yōu)的夾緊裝置結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能的分析中相比最初的結(jié)構(gòu)在應(yīng)力及變形上有了明顯的改善，在其他條件均不發(fā)生變化的條件下，施加同樣大小的力在電極頭上，整個夾緊裝置產(chǎn)生了0.024 94 mm 的位移，相比原始結(jié)構(gòu)，夾緊裝置的位移量減小了99%，這將非常有效的改善陽極導(dǎo)桿與電極板的接觸問題。

2.2 陽極導(dǎo)桿的定位

考慮到陽極導(dǎo)桿在加工和安裝焊接的過程中會出現(xiàn)一定的撓度變化，使導(dǎo)桿在一定程度上產(chǎn)生傾斜或者扭曲，從而不能保證與電極板的良好接觸。為了實現(xiàn)在大電流條件下對陽極導(dǎo)桿的鋁鋼焊接接頭進(jìn)行較為精確的無損檢測，必須采取措施以保證撿測器裝置可以在各種條件下實現(xiàn)導(dǎo)桿與電極板的良好接觸。為此，通過理論計算和三維實體模型分析相結(jié)合的方式，求得整個陽極導(dǎo)桿組的重心位置（距離鋼爪下端554.616 mm處）。參考這一數(shù)據(jù)，最終確定了夾緊裝置在陽極導(dǎo)桿上的作用位置，并且利用一種油壓緩沖器結(jié)合萬向節(jié)，將從陽極導(dǎo)桿傳遞來的力分解到油壓緩沖器的軸線方向，利用彈簧的緩沖作用以及油壓桿的支撐作用，聯(lián)合設(shè)計出一種兼具緩沖和定位作用的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將它安裝到后立板支撐總成中形成結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以在如下3 個方向。

（1）垂直于YOZ 平面，繞X 軸，θ=±arctan25/212.5=±6°42″。

（2）垂直于XOY 平面，繞Z 軸，θ=±arctan25/307.5=±4°38″。

（3）Y 軸方向±25 mm；做出位置調(diào)整，以適應(yīng)陽極導(dǎo)桿的形狀、位置，從而保證在規(guī)定的彎曲度范圍內(nèi)陽極導(dǎo)桿與電極板的良好接觸。

3 結(jié)構(gòu)件的選擇

夾緊裝置氣缸選擇SI 系列的ISO 643—2012 標(biāo)準(zhǔn)氣缸，代號SI-200×160；油壓緩沖器選擇FC3625，其工作行程為25 mm，最大吸收能量為150 J，容許沖擊速度3 m/s，工作溫度（-10～80）℃。油壓緩沖器中采用彈簧的標(biāo)準(zhǔn)是YA3.5×32×40 GB/T2089，其彈性系數(shù)為18 N/mm，行程為18 mm。定位緩沖器的受力計算如下。

（1）彈簧的彈力F1=18×18=324 N。

（2）油壓緩沖器吸收的最大力F2=150/0.018=8333.33 N。

圖1 位移/應(yīng)力/應(yīng)變量比較

（3）單個定位緩沖器的最大受力Fa=F1+F2=324+8333.33=8657.33 N。

通過理論數(shù)據(jù)的計算得出，該設(shè)計中的一個定位緩沖器足以承受陽極導(dǎo)桿夾緊時所施加的力，這與三維圖中的力學(xué)模擬數(shù)據(jù)也相吻合，因此在此裝置中，各部分設(shè)計均能滿足相應(yīng)的設(shè)計要求。最終整合各部分結(jié)構(gòu)，設(shè)計出改進(jìn)型的陽極導(dǎo)桿檢測器裝置。

4 結(jié)論

（1）陽極導(dǎo)桿鋁鋼焊接接頭質(zhì)量的無損檢測可通過在大電流條件下測回路壓降的方法實現(xiàn)。

（2）通過對陽極導(dǎo)桿的重心位置的計算并利用SolidWorks的“質(zhì)量屬性”功能對陽極導(dǎo)桿進(jìn)行實體質(zhì)量分析，確定了夾緊裝置的施力位置，為夾緊裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)，保證了大電流無損檢測時陽極導(dǎo)桿與電極板的良好接觸，為精確測量奠定了基礎(chǔ)。

（3）在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須考慮從結(jié)構(gòu)的強度，疲勞等特性，利用SolidWorks 三維設(shè)計平臺，用Simulation 插件實現(xiàn)仿真模擬，優(yōu)化了設(shè)計方案，使整個檢測器裝置的綜合性能更趨于合理，為方案的修訂提供了更直觀的理論指導(dǎo)。