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立式阳极导杆检测器整体结构

作者 :葛迎春更新时间:2021-10-21

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摘要:阳极导杆铝钢焊接接头质量的无损检测一直采用如射线检测 RT、超声波检测 UT、磁粉检测 MT、渗透检测 PT、涡流检测 ET 等传统的无损检测方法。 但是由于阳极导杆的服役环境易受到高温、电流振荡冲击等因素的干扰使检测结果并不理想。因此本课题将围绕阳极导杆接头质量的评定开展研究工作,通过对阳 极导杆组的装配流程、立式阳极导杆检测器整体结构的设计、大电流检测时阳极导杆与电极板的准确贴合程度三个方面的探索,设计出一种能够在阳极导杆吊装的 同时利用大电流无损检测实现阳极导杆接头质量检测的机械装置。利用 SolidWorks 对检测器装置和参数进行优化,借助插件 Simulation 对部分装置进行静力学模拟, 得到一种安全可靠的检测装置。 关键词:阳极导杆,夹紧装置,定位缓冲器,SolidWorks
一、前言 阳极导杆组常采用爆炸焊、摩擦焊实现铝和钢的连接,该装置在 高温腐蚀环境,反复使用的条件下存在随机和偶发性断裂失效的问 题,接头质量的好坏将直接影响阳极导杆组的导电性能。而对接头质 量的检测,目前还无相关的技术标准,是电解铝行业有待解决的一个 问题。因此开展焊接接头质量评定不仅可以确保电解过程的良好进 行,而且还是保证电解铝行业节能减排达标的必要条件。本课题将主 要围绕大电流无损检测原理并基于 SolidWorks 三维制图平台设计并 优化一种阳极导杆检测器的机械装置。

二、阳极组装工艺流程设计 传统的阳极组装车间生产工艺一般包括装残极、电解质清理、残 极抛丸、残极压脱、磷铁环压脱、钢爪抛丸、铝导杆校直、钢爪校直、 铝导杆清刷、钢爪蘸石墨、钢爪烘干、组装阳极组、浇铸等工位,形 成阳极组装生产的主流程。但是,当阳极导杆长度在 2168mm以上时, 弯曲度不得超过 0.4%;导杆铝钢焊接处的裂纹在 0.5mm以上,长度 在 50mm以上(或跨棱长度在 80mm以上),连续平均深度在 20mm 以上的;钢爪焊口有裂纹和缺焊现象;爪趾焊肉余高不在 1~1.5mm 时,均不能进入下一道工序。因此,为了简化修复程序,提高装配效 率,我们在阳极导杆的组装工艺优化成如下流程: 装残极→电解质清理→残极抛丸→残极压脱→磷铁环压脱→钢爪 抛丸→铝导杆校直→钢爪校直→铝导杆清刷→钢爪蘸石墨→钢爪烘干 →组装阳极组→浇铸→阳极导杆接头质量检测→送电解车间使用。 加入大电流检测这一环节,保证整个装配过程的顺利进行。 三、阳极导杆检测器的组成 立式阳极导杆检测器是通过对庞大的阳极导杆实施夹持固定并 在焊接接口两端加载大电流对其进行无损检测的一种装置。该装置由 机身、加压机构、夹紧装置、控制系统等组成。设计检测装置整体结 构时要考虑到机身应有足够的刚性、稳定性并能满足安装要求;加压 机构应有良好的随动性和可实现的压力曲线;夹紧机构应有足够的夹 紧力和有效的接触面积。本课题围绕如图 1所示初设计的阳极导杆 检测器作出相应的结构优化。
图 1 阳极导杆检测器总状体原始结构 1.后立板支撑;2.左电极板;3.阳极导杆;4;下电极板;5.底部 支撑;6.导杆夹紧装置 (一) 夹紧装置的优化 在阳极导杆弯曲度<0.4%的条件下,计算得出夹紧装置的夹紧力 为 3.5MPa,通过初期的模拟计算发现,施加压力之后整个阳极导杆 检测器装置的强度和刚度都未存在特殊的不足,但图 2 初始夹紧装置 的形变位移云图是阳极导杆夹紧装置结构却存在很严重的问题。在应
力和应变满足条件的情况下,并且夹紧装置支撑架在 X方向上产生了 4.394mm 的位移(如图 2),这将导致电极与阳极导杆结不能够稳定 的接触,使左侧电极板与阳极导杆的接触面积发生变化。由电流密度 计算公式:J=I/S(I:电流,单位 A;S:导体截面积,单位 mm2)发 现,接头处的电流密度会发生很大程度的改变,导致电流检测结果出 现较大偏差。
图 2 初始夹紧装置的形变位移云图 因此,首先对夹紧装置的结构进行优化。通过对气缸支撑架的不 断改进,以内部施加加强筋、斜拉筋等方式,综合三角形结构的力学 稳定性和桁架结构的特点进行结构优化,在同样施加 3.5MPa的压力 情况下作出如图 3的折线图,终发现在屈服强度都满足的前提下,
图 3 位移/应力/应变量比较 “右装体 4”(即代号 6)这一方案的形变适中,结构简单,因此, 终选定为相对优的夹紧装置结构(如图 4)。该结构在力学性能 的分析中相比初的结构在应力及变形上有了明显的改善,在其他条 件均不发生变化的条件下,施加同样大小的力在电极头上,整个夹紧 装置产生了 0.02494mm 的位移,相比原始结构,夹紧装置的位移量 减小了 99%,这将非常有效的改善阳极导杆与电极板的接触问题。 
图 4 优化后的夹紧装置及位移云图 (二) 阳极导杆的定位 考虑到阳极导杆在加工和安装焊接的过程中会出现一定的挠度 变化,使导杆在一定程度上产生倾斜或者扭曲,从而不能保证与电极板的良好接触。为了实现在大电流条件下对阳极导杆的铝钢焊接接头 进行较为精确的无损检测,我们必须采取措施以保证捡测器装置可以 在各种条件下实现导杆与电极板的良好接触。为此,我们通过理论计 算和三维实体模型分析相结合的方式,求得整个阳极导杆组的重心位 置(距离钢爪下端 554.616mm处)。参考这一数据,终确定了夹紧 装置在阳极导杆上的作用位置,并且利用一种油压缓冲器结合万向 节,将从阳极导杆传递来的力分解到油压缓冲器的轴线方向,利用弹 簧的缓冲作用以及油压杆的支撑作用,联合设计出一种兼具缓冲和定 位作用的机械结构(如图 5a),将它安装到后立板支撑总成中形成如 图 5b的结构,这种结构可以在如下三个方向:
图 5 定位缓冲器装置 1) 垂直于 YOZ平面,绕 X轴 θ=±arctan25/212.5=±6°42″; 2) 垂直于 XOY平面,绕 Z轴 θ=±arctan25/307.5=±4°38″; 3) Y轴方向±25mm; 做出位置调整,以适应阳极导杆的形状、位置,从而保证在规定 的弯曲度范围内阳极导杆与电极板的良好接触。

四、结构件的选择 夹紧装置气缸选择 SI 系列的 ISO643 标准气缸,其代号为: SI—200×160;油压缓冲器选择 FC3625,其工作行程为 25mm,大 吸收能量为 150J,容许冲击速度 3m/s,工作温度-10~80℃。油压缓 冲器中采用弹簧的标准是 YA3.5×32×40 GB/T2089,其弹性系数为 18N/mm,行程为 18mm。 定位缓冲器的受力计算: 1) 弹簧的弹力:F1=18 N/mm×18mm=324N; 2) 油压缓冲器吸收的大力为:F2=150N·m/0.018m= 8333.33N; 3) 单个定位缓冲器的大受力为:Fa= F1+ F2=324N+ 8333.33N=8657.33N: 通过理论数据的计算得出,该设计中的一个定位缓冲器足以承受 阳极导杆夹紧时所施加的力,这与三维图中的力学模拟数据也相吻 合,因此在此装置中,各部分设计均能满足相应的设计要求。终整 合各部分结构,设计出改进型的阳极导杆检测器装置(如图 6)。
图 6化后的阳极导杆检测器结构 1.后立板支撑;2.左电极板;3.橡胶固定槽;4.阳极导杆;5.下 电极板;6.底部支撑;7.导杆夹紧装置

五、结论 1.阳极导杆铝钢焊接接头质量的无损检测可通过在大电流条件 下测回路压降的方法实现。 2.通过对阳极导杆的重心位置的计算并利用 SolidWorks的“质量 属性”功能对阳极导杆进行实体质量分析,确定了夹紧装置的施力位 置,为夹紧装置进行结构优化提供了理论依据,保证了大电流无损检 测时阳极导杆与电极板的良好接触,为精确测量奠定了基础。 3.在结构设计过程中,必须考虑从结构的强度,疲劳等特性,利 用 SolidWorks三维设计平台,用 Simulation插件实现仿真模拟,优化 了设计方案,使整个检测器装置的综合性能更趋于合理,为方案的修 订提供了更直观的理论指导。

参考文献: [1] 张佳亮,张云伟. 阳极导杆液压夹具的结构设计与实践[J]. 有色 矿冶,2010,03:85-87. [2] 隋增祥. 预焙阳极电解槽阳极夹具的改进[J]. 轻金 属,1980,04:34-35. [3] 王江敏,古文明,高德金. 预焙铝电解槽阳极导电装置研究与 工业试验[J].轻金属,2011,4:28-30.

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