基于ANSYS的磷鐵環(huán)壓脫機(jī)沖頭及沖頭座的有限元分析

欒 彪

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 前言

磷鐵環(huán)壓脫機(jī)是碳素陽極組裝生產(chǎn)線上的主要核心設(shè)備之一，它的主要功能是把殘留在陽極鋼爪上的磷鐵環(huán)從鋼爪上壓脫剝離下來，方便鋼爪經(jīng)過清洗、沖刷、涂石墨烘干后再一次與新陽極塊進(jìn)行澆鑄，制作成新的陽極組，再用運(yùn)輸機(jī)運(yùn)送到電解車間使用。

壓脫裝置是磷鐵環(huán)壓脫機(jī)的核心部位，它的主要作用是對陽極鋼爪上的磷鐵環(huán)進(jìn)行壓脫，以確保陽極鋼爪與新的陽極塊順利澆鑄。其結(jié)構(gòu)是以滑塊模式安裝在機(jī)架的中間，沖頭安裝在沖頭座上，它的剛度強(qiáng)度直接關(guān)系著磷鐵環(huán)壓脫機(jī)的使用與維護(hù)，所以用有限元軟件對沖頭及沖頭座進(jìn)行有限元分析是非常必要的，不僅能確保磷鐵環(huán)壓脫機(jī)的安全可靠性，還能為以后的結(jié)構(gòu)相差不大的磷鐵環(huán)壓脫機(jī)沖頭的設(shè)計提供理論和設(shè)計的依據(jù)。沖頭及沖頭座的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沖頭及沖頭座二維示意圖

1 磷鐵環(huán)壓脫機(jī)簡介

磷鐵環(huán)壓脫機(jī)是碳素陽極組裝生產(chǎn)線上起著非常重要的作用的設(shè)備。通過用電動葫蘆把帶有磷鐵環(huán)的陽極鋼爪運(yùn)送到磷鐵環(huán)壓脫機(jī)的工作位，由磷鐵環(huán)夾緊裝置夾住陽極鋼爪，壓脫油缸開始工作，帶動壓脫裝置上升頂住磷鐵環(huán)下部直至磷鐵環(huán)壓脫完畢為止，壓脫下來的磷鐵環(huán)經(jīng)溜槽滑落到大傾角皮帶機(jī)，磷鐵環(huán)壓脫機(jī)循環(huán)工作來滿足生產(chǎn)需求。隨著產(chǎn)能的不斷提升和設(shè)備的不斷升級，磷鐵環(huán)壓脫機(jī)也從單次只能壓脫一個，到后來的單次兩個，再到現(xiàn)在的單次壓脫四個。磷鐵環(huán)壓脫機(jī)也在碳素陽極組裝生產(chǎn)線上得到了廣泛的應(yīng)用并且取得了很好的生產(chǎn)效果，得到了客戶的認(rèn)可。因?yàn)楣S任務(wù)量大，人工成本高且易損傷導(dǎo)桿與鋼爪，磷鐵環(huán)壓脫機(jī)以其特殊的功能特點(diǎn)通過整理并改進(jìn)以前的技術(shù)，并且在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，以滿足碳素陽極生產(chǎn)線上與日俱增的發(fā)展要求。

磷鐵環(huán)壓脫機(jī)的安全防范設(shè)施齊全、設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、工作噪聲低，壓脫后的導(dǎo)桿無斷裂、豁口、變形的現(xiàn)象，使得疤桿的數(shù)量大大的減少，減輕了生產(chǎn)工人的勞動強(qiáng)度，杜絕了因人工敲打引起的抨濺等傷人事故，滿足了可靠性高、效率高，見效快等優(yōu)點(diǎn)。

2 沖頭及沖頭座的基本參數(shù)

沖頭、沖頭座的材料：42CrMo；

彈性模量：2.06×1 011 Pa；

密度：7 850 kg/m3；

最大抗拉強(qiáng)度590～900 MPa，最大屈服強(qiáng)度390～650 MPa，本算例按照590 MPa，最大屈服強(qiáng)度390 MPa，安全系數(shù)取1.5。許用抗拉強(qiáng)度393 MPa，許用屈服強(qiáng)度260 MPa。

磷鐵環(huán)壓脫機(jī)在使用過程中，在圓角R處容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，考慮到有可能受到側(cè)向力，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，超過了材料的抗拉強(qiáng)度從而導(dǎo)致的斷裂現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 沖頭及沖頭座裝配圓角

3 沖頭及沖頭座的有限元分析

3.1 沖頭及沖頭座的有限元三維模型的建立

根據(jù)設(shè)計圖紙的尺寸，用三維軟件ProE建立磷鐵環(huán)壓脫機(jī)沖頭的實(shí)體三維模型，將建好的三維實(shí)體模型鏈接導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，本文所建立的模型采用Solid187殼單元。為了找到最好的網(wǎng)格劃分形式，通過不斷的使用不同網(wǎng)格密度的模型進(jìn)行運(yùn)算，最后得到最適合的網(wǎng)格劃分的有限元模型，Solid187具有10個節(jié)點(diǎn)定義，每個節(jié)點(diǎn)包含3個自由度，分別為：x、y、z三個方向。本元素包含空間的所有方向。具有超彈性，蠕變，大應(yīng)變，塑性，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形能力。所以Solid187單元能夠滿足這次計算需求。最佳網(wǎng)格模型選擇為總節(jié)點(diǎn)數(shù)42 553，單元數(shù)24 931，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件

因?yàn)闆_頭頂部為弧形結(jié)構(gòu)，側(cè)向的大小未知，考慮到本結(jié)構(gòu)的受力方式對本結(jié)構(gòu)的沖頭施加側(cè)向力進(jìn)行假設(shè)，逐步加大側(cè)向力的大小直至達(dá)到材料的屈服極限，得出施加的側(cè)向。將此側(cè)向力加到本結(jié)構(gòu)沖頭座的相應(yīng)位置，得出最大的應(yīng)力值的未知，將最大應(yīng)力位置加圓角，并將圓角設(shè)置為輸入?yún)?shù)，將最大應(yīng)力值設(shè)置為輸出參數(shù)，分別列表了不同圓角值的大小對其最大應(yīng)力值的影響。然后再將施加的側(cè)向力設(shè)置為輸入?yún)?shù)，輸出的最大應(yīng)力值為輸出參數(shù)，列表不同側(cè)向力對沖頭應(yīng)力值的影響。

3.3 結(jié)果及分析

本結(jié)構(gòu)取沖頭的最大應(yīng)力值260 MPa，施加在沖頭上的力為17.5 kN(1.75 t)。沖頭應(yīng)力云圖如圖4所示。此時該位置的圓角值為6 mm。

圖4 沖頭應(yīng)力云圖

將此側(cè)向力施加到本結(jié)構(gòu)的沖頭座上，可得最大應(yīng)力為142.69 MPa，最大值位置如圖5所示。

圖5 沖頭座應(yīng)力云圖

改變圓角值大小，將圓角作為輸入?yún)?shù)，應(yīng)力值作為輸出參數(shù)，如圖6、圖7所示：

改變施加側(cè)向力大小，將側(cè)向力作為輸入?yún)?shù)，應(yīng)力值作為輸出參數(shù)，如圖8、圖9所示：

由圖可以看出，應(yīng)力的大小隨著裝配圓角的改變而改變，裝配圓角越大，應(yīng)力集中越小，裝配圓角越小，應(yīng)力集中越大。應(yīng)力允許的零界點(diǎn)時裝配圓角為6 mm，則最小裝配圓角為6 mm。

4 結(jié)論

本文通過對磷鐵環(huán)壓脫機(jī)沖頭及沖頭座受力的有限元分析，得出沖頭及沖頭座之間裝配圓角應(yīng)力最大，且隨圓角增大而減小，取安全系數(shù)1.5，得出圓角最小為6 mm，此時滿足最低許用強(qiáng)度要求。本有限元計算結(jié)果僅考慮理想材質(zhì)、理想加工制造或鑄造等條件下的靜強(qiáng)度或剛度計算，而實(shí)際使用的零部件存在材質(zhì)差異、尺寸差異、表面狀態(tài)差異、焊接、鑄造等差異，也存在沖擊、過載、疲勞、腐蝕、甚至人為不合理使用等因素。因此，若有需求，建議最終選值在上述結(jié)果上適當(dāng)增大。

圖6 圓角與應(yīng)力值的關(guān)系

圖7 圓角與應(yīng)力值的關(guān)系

圖8 側(cè)向力與應(yīng)力值的關(guān)系

圖9 側(cè)向力與應(yīng)力值的關(guān)系