常興娥

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司 鋁設(shè)備研究所，遼寧 沈陽 110141)

鋁電解天車駕駛室環(huán)形軌道設(shè)計及優(yōu)化

常興娥

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司 鋁設(shè)備研究所，遼寧 沈陽 110141)

簡述了鋁電解多功能機(jī)組結(jié)構(gòu)及其使用環(huán)境，并對駕駛室的用途進(jìn)行了描述。通過初步設(shè)計、校核和分析過程，利用有限元方法對駕駛室環(huán)形軌道進(jìn)行了設(shè)計驗證和優(yōu)化。間接體現(xiàn)了現(xiàn)代化設(shè)計方法應(yīng)用的可靠性和高效性。

現(xiàn)代化設(shè)計；有限元；鋁電解多功能機(jī)組；環(huán)形軌道；駕駛室

0 前言

鋁電解多功能機(jī)組(以下簡稱機(jī)組)是鋁電解工藝過程中的關(guān)鍵輔助操作設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)氧化鋁和氟化鹽下料、打開電解質(zhì)結(jié)殼、更換陽極、清理陽極坑電解質(zhì)塊、出鋁并計量、輔助提升陽級母線等多項功能，可從根本上解決人力與勞動強(qiáng)度問題，提高工作效率。機(jī)組主要由大車、工具小車、出鋁車和電控系統(tǒng)組成，通過設(shè)置在工具小車上的駕駛室及內(nèi)部操控設(shè)備實現(xiàn)上述所有功能。

眾所周知，鋁電解過程是在強(qiáng)電流、高熱條件下，通過消耗氧化鋁及陽極碳塊等原料來產(chǎn)出高溫熔融狀態(tài)純鋁，最終制成原鋁產(chǎn)品。由于鋁電解工藝的特殊性，電解車間存在高溫、多粉塵、強(qiáng)電流和腐蝕性氣體等復(fù)雜環(huán)境因素的影響[1]，為了保證駕駛室內(nèi)操作人員能在各個操作工位實現(xiàn)機(jī)組有效操控，且高效完成工藝操作，對駕駛室及其環(huán)形運(yùn)行軌道的穩(wěn)定性有較高要求。而軌道的穩(wěn)定性取決于軌道的固定安裝結(jié)構(gòu)和軌道各段梁結(jié)構(gòu)的剛性。為此，本文將對鋁電解多功能機(jī)組常用駕駛室環(huán)形軌道及吊板結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，指出結(jié)構(gòu)中的薄弱點(diǎn)，并對其進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更為合理的環(huán)形軌道安裝結(jié)構(gòu)。

1 環(huán)形軌道結(jié)構(gòu)及載荷計算

駕駛室環(huán)形軌道及吊板為主要承載結(jié)構(gòu)，故均選用Q345B材質(zhì)。根據(jù)駕駛室在鋁電解多功能機(jī)組的工具小車上的動作過程，初步設(shè)計環(huán)形軌道及吊板結(jié)構(gòu)見圖1。其中以8個吊板底端與環(huán)形軌道焊接作為軌道的支撐結(jié)構(gòu)，且吊板沿環(huán)狀軌道兩垂直中心線方向布置；為保證駕駛室行走輪支撐與吊板不發(fā)生干涉，按圖1b結(jié)構(gòu)設(shè)計吊板。

圖1 環(huán)形軌道結(jié)構(gòu)

駕駛室以三點(diǎn)式輪壓施加載荷于環(huán)形軌道，其中軌道上表面承受1個驅(qū)動輪輪壓載荷P，軌道下表面承受2個支撐輪輪壓載荷P1，見圖2。駕駛室及其驅(qū)動裝置總重量為4 t(即P=40000 N)。將上述總重量移至驅(qū)動輪上，則同時產(chǎn)生一個使駕駛室翻轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩P×1600 N·mm，該轉(zhuǎn)矩由兩個支撐輪平衡，即：

P×1600=2×P1×1600P1=20000 N

取動載荷系數(shù)1.5[2]，則環(huán)形軌道上施加的載荷分別為：

驅(qū)動輪處F=P×1.5=60000 N；

從動輪處F1=P1×1.5=30000 N。

圖2 駕駛室運(yùn)行機(jī)構(gòu)示意圖

2 有限元試算

基于Ansys有限元分析軟件，采用8節(jié)點(diǎn)六面體solid45實體單元建立環(huán)形軌道結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型。約束施加于吊板兩螺栓孔面上，采用全約束方式。載荷施加分兩種情況：

(1)軌道上表面承受輪壓位于吊板附近，見圖3a；

(2)軌道上表面承受輪壓位于兩吊板之間中部，見圖3b。

圖3 載荷施加方式和位置

經(jīng)計算，無論驅(qū)動輪在吊板附近還是兩吊板之間，吊板承受的最大應(yīng)力集中制均在圓角處單側(cè)，見圖4。長期單側(cè)受力時，易在應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生冷作硬化，產(chǎn)生裂紋，從而影響吊板的使用壽命。此外，吊板結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，增加了一定的加工成本。因此，有必要對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。

圖4 吊板應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖5 吊板分布位置優(yōu)化及吊板結(jié)構(gòu)圖

上述分析表明，最大應(yīng)力位置在吊板圓角過渡處，且應(yīng)力值在該處厚度上不等。因此，可通過旋轉(zhuǎn)吊板的安裝角度以使吊板沿厚度方向受力一致。當(dāng)驅(qū)動輪位于吊板附近時，吊板應(yīng)以整個圓角位置承載，受力效果更好，因此優(yōu)化原設(shè)計思路，將吊板沿環(huán)形軌道軸對稱布置，見圖5a。同時，由于吊板沿環(huán)形軌道徑向排列，驅(qū)動輪支撐對吊板的干涉消除，可簡化吊板結(jié)構(gòu)，見圖5b。

3.1 靜剛度校核

提取Z方向的位移云圖，見圖6。當(dāng)驅(qū)動輪位于兩吊板之間中部時，模型具有最大變形，且最大變形位移分別為0.821 mm。以兩吊板之間軌道長度為跨度L，以L/1000為基準(zhǔn)計算，模型受力后位移在允許范圍內(nèi)，故靜剛度滿足要求。

圖6 環(huán)形軌道豎直方向位移云圖

3.2 靜強(qiáng)度校核

提取有限元計算所得應(yīng)力云圖，見圖7。圖7a和圖7b顯示了兩種載荷位置時吊板應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力分別為圖7a 191 MPa和圖7b 135 MPa，位于吊板過渡圓角處，且載荷在吊板附近時吊板圓角處沿厚度方向承受應(yīng)力分布均勻，在遠(yuǎn)離吊板位置時最大應(yīng)力雖在厚度方向上有偏轉(zhuǎn)，但應(yīng)力也得到減小。

4 結(jié)論

在對鋁電解多功能機(jī)組使用環(huán)境及駕駛室動作響應(yīng)要求進(jìn)行簡單分析前提下，通過初步設(shè)計、驗證、優(yōu)化設(shè)計過程，對駕駛室環(huán)形軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仔細(xì)討論，既提供了一種基于現(xiàn)代化手段的先進(jìn)設(shè)計方法，也探討了駕駛室環(huán)形軌道設(shè)計考慮的重點(diǎn)問題和思路。在當(dāng)今節(jié)能環(huán)保要求日益嚴(yán)峻的趨勢下，制造業(yè)應(yīng)大力提倡現(xiàn)代化設(shè)計方法。

圖7 環(huán)形軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

[1] 馮乃祥.鋁電解[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] 董達(dá)善.起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

Design and Optimization of Circular Rail of Operator Cabin for PTM

CHANG Xing-e

(Aluminium industry equipment institute, NFC (Shenyang) metallurgical machinery Co., Ltd. Shenyang 110141, China)

The paper introduces structure and service environment of pot tending machine, and application of operating cab. With the process of preliminary design, check and analysis, the circular rail is verified and optimized in design by finite element method. Furthermore, the reliability and efficiency is reflected with the modern design method.

modern design；finite element；pot tending machine；circular rail；operator cabin

2013-12-20

常興娥(1978-)，女，山西忻州人，碩士研究生，工程師，主要從事鋁設(shè)備研究設(shè)計工作，現(xiàn)任中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司鋁電解天車設(shè)計室科長。

TF821

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1003-8884(2014)03-0045-03