電解鋁多功能起重機打殼機構(gòu)機械故障原因分析

張 野，李 娜，朱繪麗，安林超，楊用增

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電解鋁多功能起重機打殼機構(gòu)機械故障原因分析

張 野，李 娜，朱繪麗，安林超，楊用增

（河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

打殼機構(gòu)是電解鋁多功能起重機的重要工作機構(gòu)之一，依靠高頻率的振動將黏附在電解槽及陽極碳塊周圍的結(jié)殼打碎。它的這種工作特點使它的結(jié)構(gòu)和零件在高頻振動時產(chǎn)生共振，引起磨損以及疲勞破壞。目前對其研究大多僅停留在簡單的外形設(shè)計和靜力學(xué)校核階段，這阻礙了該機構(gòu)性能的進一步提升，文章采用有限元方法對打殼機構(gòu)模態(tài)特性進行研究，為其結(jié)構(gòu)改進提供了參考和依據(jù)。

電解鋁；打殼機構(gòu)；模態(tài)特性；電解鋁多功能起重機；故障

0 引言

打殼機構(gòu)是電解鋁多功能起重機的重要工作機構(gòu)之一，依靠高頻率的振動將黏附在電解槽及陽極碳塊周圍的結(jié)殼打碎。目前打殼機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式為四連桿打殼機構(gòu)（見圖1）。打殼機構(gòu)的工作條件惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)裂紋、緊固件連接失效以及液壓件密封失效等故障，本文將分析這些故障產(chǎn)生的原因并提出改進意見。

圖1 四連桿打殼機構(gòu)

1 打殼機構(gòu)的靜力學(xué)分析

由于機構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)部分常出現(xiàn)裂紋故障，為了校核打殼機構(gòu)靜強度是否滿足要求，首先對機構(gòu)進行靜力學(xué)分析。

1.1 打殼機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)

打殼機構(gòu)的基本參數(shù)見表1。

表1 打殼機構(gòu)的部分技術(shù)參數(shù)

1.2 打殼機構(gòu)有限元模型的建立

首先采用Solidworks2014建立機構(gòu)的三維幾何模型，然后利用Solidworks與ANSYS Workbench有限元分析軟件的無縫連接，將幾何模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，最終建立機構(gòu)的有限元模型(見圖2)。

最終有限元模型共有節(jié)點416138個，單元127984個。

1.3 打殼機構(gòu)所受到的載荷

打殼機構(gòu)的釬桿處受到氣動打擊頭提供的打擊力以及四連桿各零件自重以及擺動油缸所產(chǎn)生的壓緊力，其受力圖為圖3所示：

總=+0

式中總—釬桿處受到的外力（N）

0—連桿自重、油缸推力折合在釬桿處的外力（N）

—釬桿處打擊頭提供的最大打擊力，已知=8000N

上—上連桿重，上=92kg

下—下連桿重，下=92kg

固—固定架重，固=78kg

推—擺動油缸推力，推=80384N

釬桿處受到的外力為

總=+0=8000+29614=37614N

在釬桿的下表面上添加大小為37614N的載荷，載荷方向為垂直下表面。

圖3 機構(gòu)受力圖

1.4 靜力學(xué)分析結(jié)果

最終計算所得到的機構(gòu)和各主要零件的應(yīng)力大小及應(yīng)力圖見圖4所示：

通過等效應(yīng)力圖4可以看出，在工況2的情況下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在下連桿與固定架連接的銷軸上，最大應(yīng)力為211.68MPa。其他主要的零件及最大應(yīng)力位置見圖5和圖6。

根據(jù)分析結(jié)果來看，靜載荷使機構(gòu)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力小于材料的屈服極限，不足以使機構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，故對于打殼機構(gòu)而言，僅僅考慮靜載荷的作用是不夠的。

圖4 機構(gòu)等效應(yīng)力圖

圖5 上連桿等效應(yīng)力圖

圖6 下連桿等效應(yīng)力圖

2 打殼機構(gòu)模態(tài)分析

從靜力學(xué)分析結(jié)果來看，如果把打殼機構(gòu)所受到的載荷簡化為靜載荷的話，得到的應(yīng)力大小不足以使機構(gòu)的零件產(chǎn)生破壞，而作用在打殼機構(gòu)上的載荷的頻率為20Hz，顯然載荷變化對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較大，相應(yīng)的載荷應(yīng)被看作動載荷，所以打殼機構(gòu)的結(jié)構(gòu)計算問題屬動力學(xué)問題。因此，我們將從模態(tài)分析入手，探討打殼機構(gòu)的故障原因。

2.1 模態(tài)分析基本步驟

模態(tài)分析是基于振動學(xué)的相關(guān)理論，目的在于研究模態(tài)參數(shù)的一種分析方法。它既是系統(tǒng)識別理論在機械振動領(lǐng)域的應(yīng)用，同時也是研究結(jié)構(gòu)的動力特征的一種重要方法。

系統(tǒng)的總頻率響應(yīng)函數(shù)可以由單個模態(tài)的頻率響應(yīng)函數(shù)疊加而成，對于超過所考慮的頻率范圍越大的模態(tài)對總的頻響函數(shù)的作用也越小，所以我們可以不考慮那些超過所考慮頻率范圍較大的模態(tài)。這樣在實際應(yīng)用中，人們通常只要關(guān)注它的前幾階模態(tài)以至十幾階模態(tài)，就可以滿足需求，而計算量卻大大地減少了。

一般說來，我們采用有限元方法進行模態(tài)分析大體需要經(jīng)過：建模，加載及求解，擴展模態(tài)和觀察結(jié)果等主要過程，具體流程如圖7所示：

圖7 模態(tài)分析的過程圖

2.2 模態(tài)分析結(jié)果

采用ANSYS Workbench對機構(gòu)進行模態(tài)分析，得到前10階模態(tài)頻率如表2。

表2 打殼機構(gòu)固有頻率

打殼機構(gòu)前6階模態(tài)的振型如下：

1）1階模態(tài)的固有頻率為0.39281Hz。振型如圖8所示，在此模態(tài)中，釬桿和四連桿沿著軸的方向擺動，其中固定架和釬桿擺動最為劇烈。

2）2階模態(tài)的固有頻率為0.66256Hz。振型如圖9所示，在此模態(tài)中，擺動最劇烈位置仍然為固定架和釬桿。

3）3階模態(tài)的固有頻率為3.5108Hz。振型如圖10所示，在此模態(tài)中，釬桿和固定架繞著軸的方向轉(zhuǎn)動，其中固定架和釬桿轉(zhuǎn)動最為劇烈。

4）4階模態(tài)的固有頻率為6.7219Hz。振型如圖11所示，在此模態(tài)中，整個機構(gòu)沿著軸的方向擺動，其中伸縮油缸的擺動最為劇烈。

5）5階模態(tài)的固有頻率為8.3981Hz。振型如圖12所示，在此模態(tài)中，伸縮油缸尾部沿方向擺動，固定架和釬桿輕微擺動，其他位置幾乎無任何振動。

6）6階模態(tài)的固有頻率為9.9116Hz。振型如圖13所示，在此模態(tài)中，機構(gòu)上方和下放發(fā)生沿方向擺動，其中伸縮油缸的擺動最為劇烈。

7階~10階段模態(tài)對結(jié)構(gòu)影響較小，故忽略不計。

3 故障分析及改進

通過模態(tài)分析的結(jié)果來看，前3階模態(tài)的最大響應(yīng)位置均出現(xiàn)在打擊頭固定架和釬桿上，第4到10階模態(tài)的最大響應(yīng)都出現(xiàn)在伸縮油缸上，由于打擊頭的工作頻率為0~20Hz，覆蓋了整個1-10階頻率，因此在打殼機工作時，工作頻率與各階模態(tài)頻率接近時將引起相應(yīng)位置的共振，這樣在響應(yīng)的最大位置將出現(xiàn)諸如裂紋、固定螺栓松動以及油缸密封失效等故障。為了避免這些現(xiàn)象，在設(shè)計時還應(yīng)對這些部位進行加強，尤其是那些本身應(yīng)力較大的位置。對此我們采用了如下改進措施：

1）打殼頭固定架由鑄鋼改為55號鋼整體鍛造后加工而成，強度大大增強，同時也增大了固定架的固有頻率，使其能夠避開打擊頭的工作頻率，解決了固定架易斷裂的問題。

2）優(yōu)化了連桿的形狀，材質(zhì)由原有普通鋼板改為耐熱性較好而且防磁的奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti制作。

3）釬桿直徑由原有50增加至70，材質(zhì)由45號鋼改為1Cr18Ni9Ti制作。

4）油缸由專業(yè)廠家生產(chǎn)，與供貨商協(xié)商后增加了缸體的厚度，以獲得較大的系統(tǒng)剛性，從而避開了打擊頭的工作頻率。

4 結(jié)束語

在本項目中對電解鋁多功能機組打殼機構(gòu)進行了靜強度和模態(tài)分析，所得到的結(jié)果表明打殼機構(gòu)機械故障的主要原因并非簡單的靜強度破壞，而是由于機械振動所導(dǎo)致的破壞。對于采用振動原理工作的產(chǎn)品，例如破碎錘，振動設(shè)備等與本產(chǎn)品一樣，在進行設(shè)計時需進一步對其進行動力學(xué)方面的分析，而非簡單的靜強度分析。

（責任編輯呂春紅）

[1]GB/T3811-2008.起重機設(shè)計規(guī)范[S].

[2]YS/T7-2008.鋁電解多功能機組技術(shù)條件[S].

[4]張質(zhì)文,等.起重機設(shè)計手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1998.

[5]張野.PTM鶴式打殼裝置設(shè)計[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2012（04）.

[6]李欣業(yè).機械振動（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[7]鄺吉貴.鋁電解多功能機組關(guān)鍵技術(shù)及部件的分析與研究[D].太原：太原科技大學(xué),2011.

2016-06-25

張野（1981―），男，黑龍江佳木斯人，工程師，碩士，主要從事起重機設(shè)計研究。

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1008–2093(2016)05–0012–04