鋁電解天車駕駛室環(huán)形軌道設計及優(yōu)化

常興娥

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

鋁電解天車駕駛室環(huán)形軌道設計及優(yōu)化

常興娥

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

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

現(xiàn)代化設計；有限元；鋁電解多功能機組；環(huán)形軌道；駕駛室

0 前言

鋁電解多功能機組(以下簡稱機組)是鋁電解工藝過程中的關鍵輔助操作設備，能夠?qū)崿F(xiàn)氧化鋁和氟化鹽下料、打開電解質(zhì)結殼、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度問題，提高工作效率。機組主要由大車、工具小車、出鋁車和電控系統(tǒng)組成，通過設置在工具小車上的駕駛室及內(nèi)部操控設備實現(xiàn)上述所有功能。

眾所周知，鋁電解過程是在強電流、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、強電流和腐蝕性氣體等復雜環(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)機組有效操控，且高效完成工藝操作，對駕駛室及其環(huán)形運行軌道的穩(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構和軌道各段梁結構的剛性。為此，本文將對鋁電解多功能機組常用駕駛室環(huán)形軌道及吊板結構進行分析計算，指出結構中的薄弱點，并對其進行優(yōu)化，以獲得更為合理的環(huán)形軌道安裝結構。

1 環(huán)形軌道結構及載荷計算

駕駛室環(huán)形軌道及吊板為主要承載結構，故均選用Q345B材質(zhì)。根據(jù)駕駛室在鋁電解多功能機組的工具小車上的動作過程，初步設計環(huán)形軌道及吊板結構見圖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構，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結構設計吊板。

圖1 環(huán)形軌道結構

駕駛室以三點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 駕駛室運行機構示意圖

2 有限元試算

基于Ansys有限元分析軟件，采用8節(jié)點六面體solid45實體單元建立環(huán)形軌道結構有限元網(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，吊板承受的最大應力集中制均在圓角處單側，見圖4。長期單側受力時，易在應力集中點發(fā)生冷作硬化，產(chǎn)生裂紋，從而影響吊板的使用壽命。此外，吊板結構相對復雜，增加了一定的加工成本。因此，有必要對該結構進行適當優(yōu)化。

圖4 吊板應力分布云圖

3 結構優(yōu)化

圖5 吊板分布位置優(yōu)化及吊板結構圖

上述分析表明，最大應力位置在吊板圓角過渡處，且應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。當驅(qū)動輪位于吊板附近時，吊板應以整個圓角位置承載，受力效果更好，因此優(yōu)化原設計思路，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，可簡化吊板結構，見圖5b。

3.1 靜剛度校核

提取Z方向的位移云圖，見圖6。當驅(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 靜強度校核

提取有限元計算所得應力云圖，見圖7。圖7a和圖7b顯示了兩種載荷位置時吊板應力分布情況，最大應力分別為圖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力分布均勻，在遠離吊板位置時最大應力雖在厚度方向上有偏轉(zhuǎn)，但應力也得到減小。

4 結論

在對鋁電解多功能機組使用環(huán)境及駕駛室動作響應要求進行簡單分析前提下，通過初步設計、驗證、優(yōu)化設計過程，對駕駛室環(huán)形軌道結構進行了仔細討論，既提供了一種基于現(xiàn)代化手段的先進設計方法，也探討了駕駛室環(huán)形軌道設計考慮的重點問題和思路。在當今節(jié)能環(huán)保要求日益嚴峻的趨勢下，制造業(yè)應大力提倡現(xiàn)代化設計方法。

圖7 環(huán)形軌道結構應力云圖

[1] 馮乃祥.鋁電解[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[2] 董達善.起重機械金屬結構[M].上海：上海交通大學出版社，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，主要從事鋁設備研究設計工作，現(xiàn)任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司鋁電解天車設計室科長。

TF821

B

1003-8884(2014)03-0045-03