CN110449797B - 焊渣接火退火装置和其中永磁体间距确定方法及清渣工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊渣接火退火装置和其中永磁体间距确定方法及清渣工具，装置包括磁吸格栅、永磁体和锁紧组件；磁吸格栅包括若干高度不等的定位座，相邻两定位座之间通过格条相连；各永磁体分别置于对应的定位座上通过锁紧组件锁紧。使用时先计算确定永磁体的布置间距，然后制作包括定位座的磁吸格栅，各定位座的间距等于永磁体的间距，将永磁体通过锁紧组件装配于相应的定位座上即可投入使用，使用时将装置安装于焊接作业下方，对其有效接火范围内的焊渣高温金属溶液进行吸附降温，避免在焊接作业中焊渣直接掉落存在的安全隐患，避免出现重大人员伤害及消除火灾隐患；焊接完成后对永磁体进行临时退磁即可进行清渣，便于焊渣的清理收集。

Description

焊渣接火退火装置和其中永磁体间距确定方法及清渣工具

技术领域

本发明属于钢结构现场施工安全技术领域，特别是涉及一种焊渣接火退火装置和其中永磁体间距确定方法及清渣工具。

背景技术

土木工程等现场作业常用到金属焊接，如钢结构施工作业当中现场焊接不可避免，当焊接作业在四周临边高空时，焊接作业的高温焊渣，随着焊接作业无法避免溅射下落，其高于100℃掉落的含铁焊渣金属溶液极易成为建筑施工安全重大人员伤害隐患及火灾隐患。而目前并没有相应的焊渣接火退火装置，常用金属圆盘置于焊接位置下方用于接收焊渣，当焊渣掉落至金属圆盘上后依然存在溅落的问题，并且在金属圆盘上冷却与金属圆盘有一定的融合难以清理。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种能够实现高温焊渣吸附降温和收集清理的焊渣接火退火装置和其中永磁体间距确定方法及清渣工具。

本发明提供的这种焊渣接火退火装置，它包括磁吸格栅、永磁体和锁紧组件；磁吸格栅包括若干高度不等的定位座，相邻两定位座之间通过格条相连；各永磁体分别置于对应的定位座上通过锁紧组件锁紧。

在一个具体实施方式中，所述磁吸格栅包括矩形的边框，边框上均布有多个所述定位座，边框内对应定位座处有平行于边框设置的纵格条和横格条，纵格条和横格条交汇处设有所述定位座，纵格条和横格条将边框内部区域分隔为若干方框，相邻两方框共用一对定位座。

为了避免出现力学平衡，所述定位座为圆筒形座体，定位座有高度不等的三类，一类为高磁点位定位座、一类为中磁点位定位座、还有一类为低磁点位定位座。

进一步的，将所述高磁点位定位座、中磁点位定位座和低磁点位定位座高度依次递减2mm，以避免永磁体对角线交点位置力学平衡。

作为优选，在所述边框上均布多个中磁点位定位座，边框内相邻两定位座类型不同。

在一个具体实施方式中，所述永磁体为环形耐高温永磁铁；所述锁紧组件包括螺栓和螺母；永磁体置于定位座上，螺栓的杆部穿过永磁体和定位座后通过螺母锁紧。

为了便于清渣，在所述螺栓的杆部外套有金属铁芯，金属铁芯外绕有金属线圈，金属线圈通电后对永磁体充磁或退磁。

为了提高使用便捷度，在所述磁吸格栅上设有挂钩以便安装定位。

本发明还提供了一种用于确定上述焊渣接火退火装置中永磁体布置间距的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立权利要求9所述焊渣接火退火装置的模型；

步骤二、简化模型，

将网状模型的框架采用中心线替代，保留永磁铁轮廓，并设置不同点位永磁铁轮廓的高度，各点位永磁铁轮廓分别为3mm、5mm、7mm三种，采取间距布置，以避免永磁体对角线交点位置力学平衡；

步骤三、将简化模型导入ANSYS Maxwell，并定义环境和材料属性，

环境定义：空气磁导率为1，气压为标准气压1MPa，温度定义为常温24℃，

材料定义：

(1)选取永磁体为空心环状磁铁，材料为常规标号N40磁铁，磁导率为1.086，电导率为625000Siemens/m，相对磁导率为-11600Oe，各向异性、充磁方向为垂直Z轴，

(2)定义金属焊渣为普通铁steel1008，其磁导率参照B-H常规曲线、电导率为2000000Siemens/m；

步骤四、选取参照点，

(1)以模型的一个顶点为原点，长为X轴，宽为Y轴，高为Z轴建立坐标系，

(2)在坐标系内选取若干个参照点，各个参照点在X-Y平面内均位于相邻四个永磁体围成的长方形的中心，

(3)为在同一个参照点上沿Z轴自-3mm起按3mm依次递增将参照点进行单元切分，切分为9个计算点位；

步骤五、设置求解迭代参数，设置求解器，选择最小精度为0.01；

步骤六、输出各参照点的合力以及在X、Y、Z三个方向的分力；

步骤七、根据不同参照点受力确定各焊渣运动轨迹；

步骤八、根据运动轨迹确定各参照点的瞬时力和瞬时加速度，并求得焊渣在X向和Y向的位移为：

S_x＝∫∫a_瞬时力x×t_时刻d(t_时刻)d(t_时刻)，

S_y＝∫∫a_瞬时力y×t_时刻d(t_时刻)d(t_时刻)；

各永磁体均布，则布置间距为G＝2S_x，S_x＜S_y，

G＝2S_y，S_x≥S_y，；

步骤八、数据修正，得修正后的间距布置公式：

S_修正后x＝D²×∫∫a_瞬时力x×t_时刻d(t_时刻)d(t_时刻)，

S_修正后y＝D²×∫∫a_瞬时力y×t_时刻d(t_时刻)d(t_时刻)，

其中t₁焊渣坠落的总时间、

t₂为焊渣自坠点至最高计算点位所用时间、

t₃为最高计算点位至最低计算点位所用时间、

t₄为在最高计算点位以初速度为零下落至最低点位的时间；

步骤九、实验论证，使用多组实验在相同条件不同参照点下进行释放，不断在永磁体布置间距G进行调整，得到实际接落率100％；得G_实际＝C×G，C为修正值。

本发明还提供了一种用于清理上述焊渣接火退火装置上焊渣的工具，该工具包括握把、电池仓和电磁铁；握把为梯形握把，其下底内表面设有便于手持的凹槽；电池仓设置于握把内与底边平行设置，两端分别与两腰相连；电磁铁连接于握把上底边的中心处与电池仓内的电源通过导线相连，电磁铁通电后产生磁场，磁场强度大于所述永磁体的磁场强度。

本发明先计算确定永磁体的布置间距，然后制作包括定位座的磁吸格栅，各定位座的间距等于永磁体的间距，将永磁体通过锁紧组件装配于相应的定位座上即可投入使用，使用时将装置安装于焊接作业下方，对其有效接火范围内的焊渣高温金属溶液进行吸附降温，避免在焊接作业中焊渣直接掉落存在的安全隐患，避免出现重大人员伤害及消除火灾隐患；焊接完成后对永磁体进行临时退磁即可进行清渣，便于焊渣的清理收集。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例中焊渣接火退火装置的俯视示意图。

图2为本优选实施例中焊渣接火退火装置的侧视放大示意图。

图3为本优选实施例中清渣工具的主视示意图。

图4为本优选实施例中接火退火装置的三维模型示意图。

图5为本优选实施例中接火退火装置的模型简化示意图。

图6为本优选实施例中参照点分布示意图。

图7为本优选实施例中计算点位分布式示意图。

图8为本优选实施例中求解器设置示意图。

图9为本优选实施例中输出参数设置示意图。

图10为本优选实施例中输出的各计算点位受力表。

图示序号：

1—磁吸格栅，11—边框，12—定位座，13—纵格条,14—横格条；

2—永磁体；

3—锁紧组件,31—螺栓，32—螺母；

4—挂钩；5—金属铁芯；6—线圈；

7—握把；8—电池仓；9—电磁铁；

A—高磁点位定位座；B—中磁点位定位座；C—低磁点位定位座。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开的这种焊渣接火退火装置，它包括磁吸格栅1、永磁体2、锁紧组件3和挂钩4。

磁吸格栅1为绝缘耐高温工业塑料制作而成的网状格栅，包括边框11、定位座12、纵格条13和横格条14；其中边框为矩型边框；定位座12为圆筒形座体，定位座有高度不等的三类，一类为高磁点位定位座A、一类为中磁点位定位座B、还有一类为低磁点位定位座C；纵格条13和横格条14交错布置于边框内，将边框内部区域均为多个单元模块；纵格条、横格条与边框的交汇处均设置中磁点位定位座B，纵格条与横格条的交汇处交替布置高磁点位定位座A和低磁点位定位座C，以避免同一单元模块内永磁体对角线交点位置处出现力学平衡，并且将高磁点位定位座、中磁点位定位座和低磁点位定位座高度设计为依次递减2mm进一步防止避免永磁体对角线交点位置力学平衡，从而保证对于焊渣的吸附性能。

如图1、图2所示，永磁体2为环形耐高温永磁铁；锁紧组件3包括螺栓31和螺母32；装配时将永磁体2放置于对应的定位座上，然后将螺栓穿过永磁体和定位座后通过螺母紧固即可。同时为了便于清理吸附的焊渣，在螺栓外连接有同轴布置的空心金属铁芯5，并在金属铁芯5外绕有线圈6。当需要吸附焊渣时，向线圈通电，使金属铁芯产生与永磁体磁极方向相同的磁场，相当于为永磁体充磁从而提高吸附效果；当吸附完成后需要清理焊渣时，向线圈方向通电，使金属铁芯产生与永磁体磁极方向相反的磁场，使得永磁体临时退磁，焊渣失去吸附力即可进行清理。

在实际使用时，在磁吸格栅的四周连接有多个挂钩4以便于与外部装置安装。

另外，为了便于在缺乏大型通电条件清理附着的金属焊渣，本实施例还提供了一种用于清理焊渣接火退火装置上焊渣的工具，如图3所示，这种工具包括握把7、电池仓8和电磁铁9；握把7为梯形握把，其下底内表面设有便于手持的凹槽；电池仓8设置于握把内与底边平行设置，两端分别与两腰相连；电磁铁9连接于握把上底边的中心处与电池仓内的电源通过导线相连。在焊渣接火退火装置上线圈难以接电而需要清理吸附的焊渣时，将电磁铁与电池仓内的电源接通，通电后电磁铁产生磁场，磁场强度大于焊渣接火退火装置中永磁体的磁场强度，手持握把贴近接火退火装置即可抢夺其上吸附的焊渣，将焊渣吸附于本工具的电磁铁上，抢夺完成后断开电磁铁与电源，焊渣脱离即完成清理收集。

为了尽可能的吸附掉落的高温焊渣，本实施例还提供了一种用于确定焊渣接火退火装置中永磁体布置间距的方法。

本方法按照如下步骤进行：

一、建模

1.1建模：

如图4所示，通过REVIT软件进行模型设计网状结构，网状节点固定有空心环状强磁永磁铁。

1.2模型简化

如图5所示，通过CAD软件进行简化，因计算区域为仅为永磁体距离相关，遂将主体框架进行中心线简化，并将不影响分析结果的挂钩等其他配件去除，仅仅保留空心环状永磁体轮廓，以及高差等参数，高程分别为3mm、5mm、7mm三种采取间距布置，该设计是为避免永磁体对角线交点位置力学平衡，其中虚线所示为3mm高、双点划线所示为5mm高、实线所示为7mm高。

二、环境及材料定义

2.1环境定义：

将简化后的模型导入ANSYS Maxwell，并在其中定义环境为常规空气环境，空气磁导率为1，气压为标准气压1MPa，温度定义为常温24℃。

2.2材料定义：

1)选取永磁体定义为常规标号N40磁铁，

2)材料磁导率为1.086，

3)体电导率为625000Siemens/m，

4)材料磁导率为-11600Oe、各向异性、充磁方向为垂直Z轴，

5)材料为空心环状内径3mm，外径20mm，厚度3.6mm。

6)定义金属焊渣为普通铁steel1008，其磁导率参照B-H常规曲线、体电导率为2000000Siemens/m。

三、选取参照点：

3.1如图6所示，以模型的一个顶点为原点，长为X轴，宽为Y轴，高为Z轴建立坐标系。

3.2在坐标系内选取八个参照点，各个参照点在X-Y平面内均位于相邻四个永磁体围成的长方形的中心，其中四个用于模拟2mm焊渣坠落，另外四个用于模拟3mm焊渣坠落。

3.3对参照点内的运动模型及模拟轨迹分段，经过ANSYS Maxwell软件建模分析后选取磁场强度近乎为零区域为参照点计算段，通过实际计算，可以确保遂参照点参考为-3mm-21mm，因考虑到计算简化及计算机计算能力限制，将参照点竖向的参照线按照3mm进行线单元切分，分别高程为-3mm、0mm、3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、18mm、21mm，即每个参照点有9个计算点位，定义2mm焊渣坠落参照点为19-11、29-21、39-31、49-41，定义3mm焊渣坠落参照点为A9-A1、B9-B1、C9-C1、D9-D1，本计算点位为2×4×9＝72个，如图7所示。

四、设置求解：

如图8所示，在软件中设置求解器Solve Setup，在迭代步Adaptive Setup设置最大迭代2次，错误循环1次；并设置Parameter的值为经过计算后得出的值；即不勾选SolveField Only，选取After last pass；并在solver栏目中选择最小精度为0.01。(比计算的单位小一级，即增加估度位)

五、求解输出和数据转化：

5.1在各点均设置求解极化铁吸力Parameter，设置求解单位为N(单位为牛顿)，定义计算位置为全局，并选择定义属性为virtual，如图9所示；将每个点参照名称加入前缀force后运行求解器解析各点单元收到力的大小；运行Solution Data,选择force栏目即可将对应点的各项X、Y、Z的力学参数导出；

5.2通过运动学公式F＝m×a(F为力，单位牛顿。m为质量，单位为千克。a为加速度，单位为米每秒)根据计算模型，实验测试的焊渣种类在2mm-3mm直径内，遂存通过求解2mm直径及3mm直径种类的焊渣在相同代表焊渣坠落区域的相同参照线中的各线单元上，对应范围内的直径的焊渣均按照计算的两个极端条件取差值，导出数据如图10所示。

六、计算得出焊渣的位移表达式：

得到各单元在各线单元上状态上的X、Y方向上的F_x、F_y、。

通过

F_x＝m₂×a_x (1)

F_x为X方向上的力，单位牛顿。m₂为直径为2mm的铁球的质量，单位为千克。a_x为X方向加速度，单位为米每秒

F_y＝m₂×a_y (2)

F_y为X方向上的力，单位牛顿。m₂为直径为2mm的铁球的质量，单位为千克。a_y为X方向加速度，单位为米每秒

因选取的参照线长度为21mm，假定在自由下落时，金属铁球进从高处下落。所用总时为t₁，其计算的公式为

实际公式：

(V_初为在金属小球进入参照线运动范围前实际速度，g为重力加速度，取9.8m/s)

为方便计算与分配参照时间，与相比实际情况，简化所用时t₄的公式为

简化公式：(g为重力加速度，取9.8m/s)

因V_初恒大于零，且在V_初运动阶段前所进行自由落体时间远远大于仅在参照线长度的运动情况。经(3)和(4)的简化对比，通过即得到t₂＜t₁，因初速度造成的假定计算时间与实际计算时间用4.1修正公式进行对(3)计算式的结果t₄进行修正，现选取t₄作为计算时间。

因实际金属球在向X、Y方向运动后，从参照点不断向附近永磁体边界趋近。根据实验可得金属铁球越靠近永磁体。其所受的的力越大。即随着间距变短，F_x、F_y应逐渐增大。但在实验假定中计算的力均为在参照点上力的大小，假定的距离大于实际的距离。

即F_x实际＞F_x假定，F_y实际＞F_y假定 (5)

所以实际运动中，金属小球的运动更靠近永磁体落点范围。

对应最终落点的位移S，S_x实际＞S_x假定，S_y实际＞S_y假定 (6)

当参照点的金属球在参照线各个阶段运动时均假设为参照点上方垂直位置的参照线上进行X、Y向运动时到达。

所以单个参照点在t₁的运动时间内到达运动终止边界，即落点在永磁体平面区域内，即视为吸附，可得所求得参照点运动轨迹。

运动学公式的极限求解

通过参照点运动轨迹计算得到的F_瞬时力X、F_瞬时力y，可得到各参照点a_瞬时力x、a_瞬时力y。

因此可以得到在t_时刻内(0＜t_时刻＜t₄)的速度为拟合后a_瞬时力x-t曲线及a_瞬时力y-t曲线。

令f(x)＝a_瞬时力x×t_时刻＝v_瞬时；

得

(S_x为计算焊渣在X方向上的水平位移，S_y为计算焊渣在Y方向上的水平位移)。

六、数据修正：

6.1初速度修正，

在整个过程实际运动状态下，运动公式为

实际公式：

简化公式：

在已知参照长度一致的情况下，即S₂＝S₃，通过参数D对简化替代公式(3)的t₄进行调整。

t₁＝t₂+t₃(13)，S＝S₁+S₂(14)(S为垂直状态下设计的接火总位移，S₁为金属焊渣的自由落体位移，S₂为接火计算区域距离)

其中t₁焊渣坠落的总时间、t₂为焊渣自坠点至最高计算点位所用时间、

t₃为最高计算点位至最低计算点位所用时间、

t₄为在最高计算点位以初速度为零下落至最低点位的时间为；如图7所示。

因此S₃＝S₂，联立(10)(12)(13)(14)

可得

转换为

因为求t₃与t₄之间关系，因此将t₂看做常数，解(16)得：

因时间t₁、t₂、t₃、t₄始终为正，t”₃＜0，t”₃不成立。

所以

即得到t₂降落时间后，通过t₃＝D×t₄

得

6.2永磁体的布置间距公式修正，

因计算S_x、S_y均为在t₄时间内的位移，进行变加速运动，其单位时刻内的计算公式为

因采用差值D进行修正，将D代入t_瞬时。

则可得S_{修正后单位时刻内}＝D²×S_{单位时刻内}；

则有：

则有：

因已知参照点S_修正后x、S_修正后y。即可得到在磁场环境变化想变速运动的平面轨迹，根据假设，运动轨迹与永磁体平面布置投影面积重合即为吸附，则当满足吸附条件时，假设成立。若不满足条件则通过调整间距重新进行前步骤计算。

七、实验论证：

因理论计算为最小磁力最不利条件下的运动轨迹，与实际计算存在偏差。所以实际布置需要通过理论计算下通过修正值C(此处定义C为同模型下实际运动状态下实际轨迹与计算模型轨迹)。S_修正后值存在X及Y向，为保证计算可靠性取最小值，即两倍S_修正后为理论计算布置间距G，通过使用十组实验在相同条件不同参照点下进行释放，不断在永磁体布置间距G进行调整，得到实际接落率100％。

所得到的G_{仿真实验数据}/(S_{修正后x、y取小值}×2)＝C。

所以永磁体此布置实际距为G_{各参照点最小}×C。

Claims (5)

1.一种焊渣接火退火装置，其特征在于：它包括磁吸格栅、永磁体和锁紧组件；磁吸格栅包括若干高度不等的定位座，相邻两定位座之间通过格条相连；各永磁体分别置于对应的定位座上通过锁紧组件锁紧；

所述磁吸格栅包括矩形的边框，边框上均布有多个所述定位座，边框内对应定位座处有平行于边框设置的纵格条和横格条，纵格条和横格条交汇处设有所述定位座，纵格条和横格条将边框内部区域分隔为若干方框，相邻两方框共用一对定位座；

所述定位座为圆筒形座体，定位座有高度不等的三类，一类为高磁点位定位座、一类为中磁点位定位座、还有一类为低磁点位定位座；

所述高磁点位定位座、中磁点位定位座和低磁点位定位座高度依次递减，递减的高度不低于永磁体厚度，最少高差不低于2mm，以避免永磁体对角线交点位置力学平衡；

所述永磁体为环形耐高温永磁铁；所述锁紧组件包括螺栓和螺母；永磁体置于定位座上，螺栓的杆部穿过永磁体和定位座后通过螺母锁紧。

2.如权利要求1所述的焊渣接火退火装置，其特征在于：所述边框上均布多个中磁点位定位座，边框内相邻两定位座类型不同。

3.如权利要求1所述的焊渣接火退火装置，其特征在于：所述螺栓的杆部外套有金属铁芯，金属铁芯外绕有金属线圈，金属线圈通电后对永磁体充磁或退磁。

4.如权利要求1所述的焊渣接火退火装置，其特征在于：所述磁吸格栅上设有挂钩以便安装定位。

5.一种用于确定权利要求1所述焊渣接火退火装置中永磁体布置间距的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立焊渣接火退火装置的模型；

步骤二、简化模型

将网状模型的框架采用中心线替代，保留永磁铁轮廓，并设置不同点位永磁铁轮廓的高度，各点位永磁铁轮廓分别为3mm、5mm、7mm三种，采取间距布置，以避免永磁体对角线交点位置力学平衡；

步骤三、将简化模型导入ANSYS Maxwell，并定义环境和材料属性，

环境定义：空气磁导率为1，气压为标准气压1MPa，温度定义为常温24℃；

材料定义：

(1)选取永磁体为空心环状磁铁，材料为常规标号N40磁铁，磁导率为1.086，电导率为625000Siemens/m，相对磁导率为-11600Oe，各向异性、充磁方向为垂直Z轴，

(2)定义金属焊渣为普通铁steel1008，其磁导率参照B-H常规曲线、电导率为2000000Siemens/m；

步骤四、选取参照点，

(1)以模型的一个顶点为原点，长为X轴，宽为Y轴，高为Z轴建立坐标系，

(2)在坐标系内选取若干参照点，各参照点在X-Y平面内均位于相邻四个永磁体围成的长方形的中心，

(3)在同一个参照点上沿Z轴自-3mm起按3mm依次递增将参照点进行单元切分，切分为9个计算点位；

步骤五、设置求解迭代参数，设置求解器，选择最小精度为0.01；

步骤六、输出各参照点的合力以及在X、Y、Z三个方向的分力；

步骤七、根据不同参照点受力确定各焊渣运动轨迹；

步骤八、根据运动轨迹确定各参照点的瞬时力和瞬时加速度，并求得焊渣在X向和Y向的位移为：

S_x＝∫∫a_瞬时力x×t_时刻d(t_时刻)d(t_时刻)，

S_y＝∫∫a_瞬时力y×t_时刻d(t_时刻)d(t_时刻)；

各永磁体均布，则布置间距为

G＝2S_x，S_x＜S_y，

G＝2S_y，S_x≥Sy；

步骤八、数据修正，得修正后的间距布置公式：

S_修正后＝D²×∫∫a_瞬时力x×t_时刻d(t_时刻)d(t_时刻)，

S_修正后y＝D²×∫∫a_瞬时力y×t_时刻d(t_时刻)d(t_时刻)

其中t₁渣坠落的总时间，

t₂为焊渣自坠点至最高计算点位所用时间，

t₃为最高计算点位至最低计算点位所用时间，

t₄为在最高计算点位以初速度为零下落至最低计算点位的时间；

步骤九、实验论证，使用多组实验在相同条件不同参照点下进行释放，不断在永磁体布置间距G进行调整，得到实际接落率100％；得G_实际＝C×G，C为修正值。