吸盘式剥片机的改进设计与翻转过程的力学分析

以甘肃某有色金属镍冶炼厂电解镍生产车间引进的镍始极片剥片机为实际工程背景，发现国内因对镍始极片剥片机没有应用技术，经过2年的生产应用，出现了系统运行不稳定、剥片效率不能满足企业生产需求、机架横梁疲劳断裂等问题，导致电解镍生产车间难以保证正常的生产。将甘肃某有色金属镍冶炼厂电解镍生产车间镍始极片剥片机在实际生产应用中出现的问题作为研究对象，采用查阅文献、绘制三维设计图纸、经验总结、仿真分析等方法进行分析，经与企业高级工程师进行多次沟通、交流，依据国内实际生产经验对引进镍始极片剥片机进行重新设计，改变剥片机完全剥离时间、设备结构设计改造，从根本上彻底解决中国唯一一台引进镍始极片剥片机实际应用中存在的问题。通过改变剥片机完全剥离时间、改造机架横梁，对剥片机进行结构设计和加固等一系列的改造，使从国外引进的镍始极片剥片机实现了国产化。

1 进口吸盘式剥片机结构不足之处分析与改良设计

1.1 进口吸盘式剥片机总体结构设计

该镍始极片真空吸盘式剥片机应用于国内某有色冶炼企业电解镍生产车间中〔1-3〕。如图1为该剥片机的总体结构。

  

图1 吸盘式剥片机结构图Fig.1 Sucker-type stripping machine structure1—种板上限位机构； 2—真空吸盘组； 3—顶板机构； 4—翻板架； 5—种板下限位机构

1.2 进口吸盘式剥片机总体不足之处与分析

由图2和图3分析可知，主门架立柱刚性不好，2.64 m高的门架立柱，采用的是100 mm×100 mm的方管，而且立柱上安装了2个气缸，工作时速度快，运行负载大。该机构翻转架根部单薄，其刚性不足，而且无加强筋保护，在翻转过程中，由于产生较大的惯性力及较大的振动噪声，对机架横梁产生很大的力矩，横梁容易断裂。

基于LoRa的城市环境数据监测可视化系统设计…………………………………………………… 崔建强，张建民，邱明杰，亓晓龙，尹子良，徐 艳（37）

  

图2 吸盘式剥片机立柱缺陷Fig.2 Column defects of the nickel starting sheet stripping machine1—种板上限位机构； 2—真空吸盘组； 3—顶板机构； 4—翻板架； 5—种板下限位机构

  

图3 剥片机整机结构缺陷Fig.3 Defects in the whole structure of the stripping machine

1.3 吸盘式剥片机的改进设计

该进口吸盘式剥片机在长期生产过程中常常出现剥片机的翻转架振动声过大的现象，通过分析翻转架的结构可知，翻转架的旋转中心位于剥片机机架的两立柱所形成的平面内，然而，由平行轴定理和质心的定义可知，翻转架的质心与旋转中心有一定的偏离，在翻转架旋转运动过程中产生了较大的惯性力，从而使剥片机在运动过程中产生了较大的振动，缩短了剥片机的使用寿命〔1-3〕。由理论力学可知，当物体旋转运动时，其旋转体本身质心位于旋转中心时，物体所受惯性力最小，从而振动噪声最小，旋转体本身质心越靠近旋转体旋转中心，物体所受惯性力越小，则振动噪声越小。为了解决剥片机工作过程中翻转架的振动噪声问题，就必须通过改变翻转架自身的结果或者改变剥片机其他部件的结构，使翻转架的质心尽可能的靠近翻转架的旋转中心。考虑到翻转架内部零件运动配合的复杂性、变更翻转架设计会使后续设备可行性验证周期过长以及设备生产的经济性，由于翻转架安装在机架的立柱上，最终选择通过加强机架立柱的方式使翻转架安装在机架后翻转架整体质心靠近其旋转中心，从而达到减小惯性力的效果，并最终减小翻转架的振动噪声。

图4为对引进剥片机结构进行改造后总体结构设计图。改造后对引进镍始极片剥片机机架横梁进行加固，在吸盘组机构中安装铜套导向机构，顶板机构采用一个气缸直接推进。图5为吸盘架结构设计图。

  

图4 改造后剥片机结构设计Fig.4 The tripping machine structure after reinforcement

  

图5 吸盘架结构设计图Fig.5 Schematic diagram of the sucker frame structure

2 剥片机工作装置运动仿真与翻转过程中力学分析

2.1 工作装置翻转过程中的研究

剥片机在正常工作时，吸盘所能达到的极限位置称为剥离轨迹包络图，它能够直观地反应出工作装置的作业范围和特殊工作尺寸〔 4 -5〕。剥片机的运动轨迹是由吸盘组气缸、固定翻转架上、下气缸伸缩动作及其相互配合情况所决定的。因此可以通过设置施加在各气缸上的驱动函数来控制气缸动作而获得剥片机的运动轨迹。表1为气缸运动参数。

剥片机工作过程主要有：通过左右两个气缸作用力，将始极片与种板分离。吸盘组气缸推动吸盘进行完全剥离，然后翻转架气缸推动翻转架，将始极片由竖直状态变为水平状态，为下一工位做准备。

 

表1 气缸运动参数表

 

Table 1 Cylinder motion parameter table

  

气缸全缩长度/mm全伸长度/mm最大行程/mm吸盘组气缸182313131翻转架下气缸340585245翻转架上气缸286413127

设置STEP函数驱动气缸进行运动仿真〔 6 -7〕。由于惯性力对机架横梁的影响，并且满足企业的生产需要及生产效率，分别研究完全剥离时间t=2.5～5 s,t=2.5～5.5 s以及t=2.5～6.5 s，三种情况工作过程中，对机架横梁受力影响〔 8 -9〕。以便于进一步完善对机架横梁及翻转架的设计。并且确定出最佳翻转时间，为企业节省成本，提高生产效率。

2.2 翻转过程中翻转时间对机架受力研究

由图9-11可知，当翻转时间t=2.5～5.5 s时，翻转架下气缸固定在机架作用力在X轴方向作用力最大，其最大值为10 kN,在Z轴方向受力最大值为-3.795 kN。翻转架上气缸固定在机架作用力在X轴作用力为-7.5 kN，在Z轴作用力为1.95 kN。提升摆臂固定在机架作用力在X轴作用力为-1.35 kN，在Z轴作用力为-700 N。

  

图6 翻转架下气缸固定在机架上的作用力(翻转时间2.5～5 s)Fig.6 The fixing force for the cylinder under the flip rack(turning time 2.5～5 s)

  

图7 翻转架上气缸固定在机架上的作用力(翻转时间2.5～5 s)Fig.7 The fixing force for the cylinder above the flip rack(turning time 2.5～5 s)

  

图8 提升摆臂固定在机架上的作用力(翻转时间2.5～5 s)Fig.8 The fixing force for the lifting arm in the machine rack (turning time 2.5～5 s)

〔4〕 滕红华. 真空吸盘吸持物体的动力学分析[J]. 包装工程, 2004, 25(2):68-68.

2)当翻转时间为t=2.5～5.5 s(翻转时间3 s)，整个完全剥离过程时间为6 s。由于工作过程中，固定翻转架气缸只受X和Z轴方向的作用力，故Y轴方向作用力忽略不计。其受力如图9-11所示。

  

图9 翻转架下气缸固定在机架上的作用力(翻转时间2.5～5.5 s)Fig.9 The fixing force for the cylinder under the flip rack(turning time 2.5～5.5 s)

  

图10 翻转架上气缸固定在机架上的作用力(翻转时间2.5～5.5 s)Fig.10 The fixing force for the cylinder above the flip rack (turning time 2.5～5.5 s)

1)当翻转时间为t=2.5～5 s(翻转时间2.5 s)，整个完全剥离过程时间为6 s。由于工作过程中，固定翻转架气缸只受X和Z轴方向的作用力，故Y轴方向作用力忽略不计。其受力如图6-8所示。

3)当翻转时间为t=3～6.5 s(翻转时间3.5 s)，整个完全剥离过程时间为7 s。由于工作过程中，固定翻转架气缸只受X和Z轴方向的作用力，故Y轴方向作用力忽略不计。其受力如图12-14所示。

基于脚部惯性传感数据对人员运动时的速度进行估计主要采用的是直接积分的方法,采用该方法针对低速行走的行人可以获得较高的速度估计准确性。当行人以0.6m/s至1.6m/s的速度慢速行走时,速度估计的最大均方误差RMSE(Root Mean Square Error)为0.14m/s[5]。但当人员运动速度增加,处于快速行走以及跑步状态下时,人体的步态模型会发生改变[11],脚掌着地的时间会随着速度的增加而减小,加之消费级IMU自身存在的传感误差[12],继续采用直接积分的方法估计人员运动速度会产生较大误差。所以,当行人运动速度增加至快速行走后,运动速度的估计需要采用其他方法。

由图12-14可知，通过上述分析可得，当翻转时间t=3～6.5 s时，翻转架下气缸固定在机架作用力在X轴方向作用力最大，其最大值为21.55 kN,在Z轴方向受力最大值为-3.75 kN。翻转架上气缸固定在机架作用力在X轴作用力为-14.75 kN，在Z轴作用力为3.150 kN。提升摆臂固定在机架作用力在X轴作用力为-8.25 kN，在Z轴作用力为-1.97 kN。

3 结论

通过对引进剥片机关键机构进行改造，能有效地降低翻转架的翻转过程中的惯性力，降低剥片机运转过程中振动噪声。

  

图11 提升摆臂固定在机架上的作用力(翻转时间2.5～5.5 s)Fig.11 The fixing force for the lifting arm in the machine rack (turning time 2.5～5.5 s)

  

图12 翻转架下气缸固定在机架上的作用力(翻转时间3～6.5 s)Fig.12 The fixing force for the cylinder under the flip rack (turning time 3～6.5 s)

  

图13 翻转架上气缸固定在机架上的作用力(翻转时间3～6.5 s)Fig.13 The fixing force for the cylinder above the flip rack (turning time 3～6.5 s)

  

图14 提升摆臂固定在机架上的作用力(翻转时间3～6.5 s)Fig.14 The fixing force for the lifting arm in the machine rack (turning time 3～6.5 s)

“你又错了，天下既大，气量就不能太小。”刘雁衡的口气是淡淡的，然而也是傲然的，“不管你所说的那两位是谁，至少要再加上一个。”

〔2〕 张卫国. 液压挖掘机工作装置动力学仿真分析及研究[D]. 太原：太原理工大学, 2010.

〔3〕 程佳卫. 永久阴极铜剥片机组关键技术的研究[D]. 兰州：兰州理工大学, 2015.

〔1〕 史有高. 电解精炼的进展[J]. 中国有色冶金, 1995,24(4):1-7.

利用仿真软件ADAMS对改进后剥片机进行运动学仿真分析，讨论不同翻转时间工作过程中，机架横梁受力情况，基于仿真结果分析得到了，在满足企业生产率的前提下，而且保证剥片机的使用寿命，宜选择3 s为翻转时间，完全剥离时间为6 s。

新古典增长模型为本文建模提供了理论基础，根据柯布—道格拉斯生产函数，总生产函数可以写成Y=F(L，K)。其中，Y代表实际总产出；L代表劳动力或人口；K代表资本存量。本文旨在研究贸易变量对经济增长的影响，因此加入T代表贸易相关的变量，将模型扩展为Y=F(L，K，T)。参考Vamvakidis和Jalles两篇文献的模型设定和具体指标的选取[1][5]，采用固定效应模型，建立回归方程如下：

参考文献：

由图6-8可知，当翻转时间t=2.5～5 s时，在t=2.5 s时固定翻转架下气缸在机架作用力在X轴方向作用力最大，其最大值为32.5 kN,在Z轴方向受力最大值为-5 kN。在t=5 s时(翻转架恢复到待剥离位置)，翻转架上气缸固定在机架作用力在X轴作用力为-12.5 kN，在Z轴作用力为-1.935 kN。t=2.5 s翻转架上气缸固定在机架作用力在X轴作用力为-20 kN，在Z轴作用力为4.875 kN。提升摆臂固定在机架作用力在X轴作用力为-12.5 kN，在Z轴作用力为-840 N。

8月31日，第十三届全国人大常委会第五次会议以157票赞成，2票反对，11票弃权，表决通过了关于修改个人所得税法的决定。

白及Bletilla striata（Thunb.）Rchb.f.为兰科白及属多年生草本植物，白及干燥块茎别名良姜、紫兰。白及在我国主要分布于江西、江苏、甘肃、陕西、四川、云南等地〔1-2〕，其中在云南的分布比较广泛，主要集中分布在文山、曲靖、昆明、玉溪、红河等地区。白及块茎为我国传统中药，可用于治疗咳血、溃疡疼痛、烫伤灼伤、手足皲裂、肺结核、百日咳、食管炎、鼻窦炎、血管瘤等疾病〔3〕。白及还被誉为“美容仙子”，具有美白祛斑、除皱等美容功效，可作为粘稠剂、保湿剂和助乳化剂等用在化妆品中〔4〕。

〔5〕 李坚, 王达健, 朱祖泽. 铜电解中的钛种板[J]. 有色矿冶, 2003, 19(1):37-40.

施工技术管理工作需要有明确的工作目标作为方向引导，为实现施工技术的有效管理，需要工程项目能够明确工程项目施工技术管理目标，并通过管理制度的确定，将总管理目标分化到各施工流程，实现总目标的分解，以保证管理目标具有针对性。通过管理目标的分解同时也伴随施工技术权责的分解，每个环节管理目标的实现都能够为总目标的实现奠定基础，实现有效的管理目标控制，是实现技术管理工作目标实现的前提条件。

〔6〕 李雪梅, 曾德怀, 丁峰. 真空吸盘的设计与应用[J]. 液压与气动, 2004(3):48-49.

〔7〕 岳俊英, 刘云飞. 真空吸盘技术在搬运薄钛板材中的应用[J]. 有色设备, 2007(3):17-18.

〔8〕 范增良, 周一届, 欧阳焕,等. 新型刚性真空吸盘的动力学分析与应用[J]. 绿色科技, 2011(10):218-220.

2.2.2 毒扁豆碱溶液 称取2 mg的毒扁豆碱粉末溶解在2 mL的无水甲醇中，充分震荡，配制成0.125 mg/mL的待用溶液。

〔9〕 HARRISON A. Simulation of conveyor dynamics[J]. Bulk Solids Handling, 1996, 16(1):33-42.