鄭沈蘋， 郭春鳳

(中國(guó)有色(沈陽(yáng))冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110141)

0 前言

600 kA電解槽用絕緣起重機(jī)是某公司研制的一種鋁電解車間的輔助設(shè)備。該設(shè)備是600 kA電解鋁生產(chǎn)車間進(jìn)行槽前工作的關(guān)鍵設(shè)備，需要滿足高溫熔鹽，大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)，多粉塵及HF煙氣的環(huán)境要求和生產(chǎn)工藝需要，主要用于吊運(yùn)出鋁抬包進(jìn)行出鋁作業(yè)，電解槽輔助下料作業(yè)，進(jìn)行電解槽、母線提升框架吊運(yùn)作業(yè)，以及其他輔助吊運(yùn)工作。該設(shè)備主要由大車、主小車、副小車、下料系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

1.大車 2.主小車 3.電氣系統(tǒng) 4.副小車 5.下料系統(tǒng)圖1 600 kA電解槽用絕緣天車總圖

1 600 kA電解槽用絕緣起重機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

600 kA電解槽用絕緣起重機(jī)作為電解鋁廠槽前設(shè)備鋁電解多功能機(jī)組的有效補(bǔ)充，在天車運(yùn)行、防磁、防靜電、下料系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面均采用先進(jìn)、可靠的技術(shù)和結(jié)構(gòu)，以滿足600 kA電解槽電解鋁生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)大起重量、高溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)、粉塵、腐蝕性氣體等工況要求。

1.1 強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下大車、小車穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)

該設(shè)備在結(jié)構(gòu)上合理優(yōu)化布局，均勻分布輪壓，采用4輪驅(qū)動(dòng)的方式取代傳統(tǒng)的2輪驅(qū)動(dòng)方式，使設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)，同時(shí)提高了減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，確保設(shè)備在強(qiáng)磁場(chǎng)、高粉塵、高溫等惡劣的環(huán)境下能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。小車運(yùn)行采用與大車同樣的4輪支撐水平加水平輪導(dǎo)向布置形式，同時(shí)在運(yùn)行端梁與卷?yè)P(yáng)平臺(tái)支架增加了一道絕緣，使系統(tǒng)不能形成磁回路，有效降低了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)小車運(yùn)行的影響。

1.2 采用可靠的防磁技術(shù)

該設(shè)備應(yīng)用整車防磁技術(shù)，降低了強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)天車操作及運(yùn)行的影響。通過對(duì)電氣控制柜、吊鉤等采用防磁技術(shù)大大降低設(shè)備的故障率，提高工作效率，保證操作人員的人身安全。

1.3 增加副小車偏掛下料系統(tǒng)新結(jié)構(gòu)

通過合理配置，把原偏掛在主梁一側(cè)，獨(dú)立運(yùn)行的下料小車系統(tǒng)與副小車相結(jié)合，把下料系統(tǒng)安放在副小車上，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)計(jì)和運(yùn)行成本，如圖2所示。

1.副小車 2.料倉(cāng) 3.下料裝置 4.主梁圖2 下料系統(tǒng)位置及結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的選擇計(jì)算

2.1 主小車、副小車鋼絲繩的選擇計(jì)算

鋼絲繩所受的最大拉力：

(1)

式中Q—額定起重量(kg)，Q=35 000 kg；

G0—t吊鉤組重量(kg)，G0=730 kg；

M—滑輪組倍率，m=4；

ηh—滑輪組效率，取ηh=0.98。

鋼絲繩直徑[1]：

(2)

鋼絲繩的整繩最小破斷拉力：

F0≥Smaxn=4.47×104×7.1=
31.737×104=317.37 kN

(3)

式中N—安全系數(shù)，取n=7.1。

根據(jù)GB 8918—2006重要用途鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)，所選的鋼絲繩要滿足最小破斷拉力的鋼絲繩工程抗拉強(qiáng)度。

設(shè)計(jì)選用鋼絲繩直徑d=24 mm，型號(hào)為24NA6×19W+IWR1770ZS(SZ)，鋼絲繩的最小斷裂載荷F0=363 kN=3.63×105N。

鋼絲繩的安全系數(shù)n：

(4)

鋼絲繩的機(jī)構(gòu)工作級(jí)別為M7時(shí)，要求最小的安全系數(shù)[n]=7.1，因此選擇此型號(hào)規(guī)格的鋼絲繩滿足要求。

2.2 主、副小車卷筒電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇與計(jì)算

主、副小車卷筒電動(dòng)機(jī)靜功率計(jì)算:

(5)

式中Pj—主、副小車卷筒電動(dòng)機(jī)靜功率，kW；

η—機(jī)構(gòu)總效率，取η=0.85；

V—起升速度(m/s)，取V=6.0 m/min=6/60 m/s。

主、副小車卷筒電動(dòng)機(jī)計(jì)算功率：

P=KdPj=0.95×41.19=39.13 kW

(6)

式中Kd—系數(shù)，取Kd=0.95。

考慮到電機(jī)使用在海拔2 000 m，環(huán)境溫度≤55 ℃，取系數(shù)K=0.84，則：P=39.13/0.84=46.6 kW。

設(shè)計(jì)所選電機(jī)型號(hào)為YZP280M- 8C，功率55 kW，轉(zhuǎn)速為750 r/min，滿足要求。

2.3 主、副小車卷筒減速機(jī)的選擇與計(jì)算

600 kA電解槽用絕緣天車的主、副小車卷筒的計(jì)算轉(zhuǎn)速[2]：

(7)

式中V—主、副小車額定起升速度(m/min)，V=6.0 m/min；

m—滑輪組倍率，m=4；

D0—卷筒的計(jì)算直徑，D0=648 mm。

減速器的計(jì)算速比：

(8)

式中n1—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min),n1=750 r/min。

設(shè)計(jì)選用減速器型號(hào)M3PSF60，速比62，輸出轉(zhuǎn)矩63.6 kN·m。

因此，主、副小車實(shí)際起升速度:

(9)

(10)

一般允許的起升速度誤差為[ε]=15%。

卷筒的實(shí)際轉(zhuǎn)速：

nj=n′j×(1+ε)=11.79×(1-2.7%)=
11.47 r/min

(11)

卷筒運(yùn)轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩：

(12)

式中Pj—主、副小車卷筒電動(dòng)機(jī)靜功率，Pj=41.19 kW。

因此，所選減速器輸出轉(zhuǎn)矩足夠滿足要求。

3 600 kA電解槽用絕緣起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)有限元分析

主梁是600 kA電解槽用絕緣起重機(jī)中的主要受力構(gòu)件，為了確保該設(shè)備的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠性，對(duì)主梁受力情況進(jìn)行了有限元分析計(jì)算。目前，有限元分析軟件中ANSYS是應(yīng)用最為廣泛的，該軟件程序已經(jīng)成為大范圍多用途的設(shè)計(jì)分析軟件。因此，本文采用ANSYS軟件對(duì)該設(shè)備的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

3.1 創(chuàng)建有限元模型

主梁采用正軌箱型梁結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成，為了增加主梁的抗彎內(nèi)力，在上蓋板的下方焊接一工字鋼。主梁總長(zhǎng)為34 800 mm，跨度34 500 mm，高度2 000 mm，寬度720 mm，上蓋板厚度為18 mm，下蓋板為16 mm，腹板厚度為10 mm。根據(jù)實(shí)際模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何模型的建立，以實(shí)際截面對(duì)相應(yīng)位置幾何模型賦值。

3.2 施加約束及載荷

由于兩根主梁的結(jié)構(gòu)相同，因此只分析受力最大的一根主梁就能滿足要求。根據(jù)主梁實(shí)際工作情況，主梁Ⅱ的受力情況最大，從最壞的工況考慮，即當(dāng)?shù)蹩蚣軙r(shí)，兩個(gè)小車滿載，兩小車吊鉤中心距為11 060 mm，且距煙道側(cè)14 100 mm，副小車氟化鹽料箱裝滿料5 000 kg停止作業(yè)，主梁Ⅱ截面受到的載荷最大，所以變形最大。因此主梁處于該狀態(tài)時(shí)，對(duì)主梁Ⅱ進(jìn)行相應(yīng)大小載荷施加。已知主小車的自重12 874.4 kg，吊鋁包滿載35 000 kg，副小車的自重16 531 kg，吊鋁包滿載35 000 kg，氟化鹽料箱裝滿料5 000 kg，下料系統(tǒng)的自重4 365 kg。小車軌道間距為3 000 mm，主小車輪間距2 700 mm，副小車輪間距3 942 mm。小車輪壓通過軌道傳遞到主梁上，為計(jì)算方便，此處把車輪與軌道的作用面等效到輪壓作用在主梁上的作用面，如圖3所示。

圖3 主梁Ⅱ邊界條件

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.3.1 主梁Ⅱ變形情況

通過有限元分析主梁Ⅱ在豎直方向最大變形為36.854 2 mm，如圖4所示。主梁Ⅱ在豎直方向允許的最大變形為：

圖4 主梁Ⅱ變形圖

[f]=L×1/750=46 mm

(13)

式中 [f]—在豎直方向允許的最大變形，mm；

L—主梁Ⅱ跨度，L=34 500 mm。

由此可見，該主梁Ⅱ變形量滿足剛性設(shè)計(jì)及使用要求。

3.3.2 主梁Ⅱ應(yīng)力狀態(tài)

提取主梁Ⅱ應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，見圖5。主梁Ⅱ受最大應(yīng)力為90.875 6 MPa。主梁Ⅱ主要由Q345B材料構(gòu)成，屈服應(yīng)力為σS=345 MPa，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù)n=1.34，則許用應(yīng)力為[σ]=σS/n=257.5 MPa，滿足該設(shè)備主梁的強(qiáng)度要求。

圖5 主梁Ⅱ應(yīng)力圖

4 結(jié)論

本文對(duì)600 kA電解槽用絕緣起重機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過計(jì)算確定了關(guān)鍵件的參數(shù)，并進(jìn)行了選型，同時(shí)對(duì)該設(shè)備中承載的主要結(jié)構(gòu)件主梁進(jìn)行有限元分析計(jì)算。通過模型的建立、施加邊界條件、得到最終計(jì)算結(jié)果，并顯示出了主梁整體的變形和應(yīng)力狀態(tài)。通過此計(jì)算過程確保了主梁結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性。本文的設(shè)計(jì)計(jì)算方法具有一定的通用性,為今后類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了借鑒作用。