铝电解天车驾驶室环形轨道设计及优化

常兴娥

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司 铝设备研究所，辽宁 沈阳 110141)

铝电解天车驾驶室环形轨道设计及优化

常兴娥

(中国有色(沈阳)冶金机械有限公司 铝设备研究所，辽宁 沈阳 110141)

简述了铝电解多功能机组结构及其使用环境，并对驾驶室的用途进行了描述。通过初步设计、校核和分析过程，利用有限元方法对驾驶室环形轨道进行了设计验证和优化。间接体现了现代化设计方法应用的可靠性和高效性。

现代化设计；有限元；铝电解多功能机组；环形轨道；驾驶室

0 前言

铝电解多功能机组(以下简称机组)是铝电解工艺过程中的关键辅助操作设备，能够实现氧化铝和氟化盐下料、打开电解质结壳、更换阳极、清理阳极坑电解质块、出铝并计量、辅助提升阳级母线等多项功能，可从根本上解决人力与劳动强度问题，提高工作效率。机组主要由大车、工具小车、出铝车和电控系统组成，通过设置在工具小车上的驾驶室及内部操控设备实现上述所有功能。

众所周知，铝电解过程是在强电流、高热条件下，通过消耗氧化铝及阳极碳块等原料来产出高温熔融状态纯铝，最终制成原铝产品。由于铝电解工艺的特殊性，电解车间存在高温、多粉尘、强电流和腐蚀性气体等复杂环境因素的影响[1]，为了保证驾驶室内操作人员能在各个操作工位实现机组有效操控，且高效完成工艺操作，对驾驶室及其环形运行轨道的稳定性有较高要求。而轨道的稳定性取决于轨道的固定安装结构和轨道各段梁结构的刚性。为此，本文将对铝电解多功能机组常用驾驶室环形轨道及吊板结构进行分析计算，指出结构中的薄弱点，并对其进行优化，以获得更为合理的环形轨道安装结构。

1 环形轨道结构及载荷计算

驾驶室环形轨道及吊板为主要承载结构，故均选用Q345B材质。根据驾驶室在铝电解多功能机组的工具小车上的动作过程，初步设计环形轨道及吊板结构见图1。其中以8个吊板底端与环形轨道焊接作为轨道的支撑结构，且吊板沿环状轨道两垂直中心线方向布置；为保证驾驶室行走轮支撑与吊板不发生干涉，按图1b结构设计吊板。

图1 环形轨道结构

驾驶室以三点式轮压施加载荷于环形轨道，其中轨道上表面承受1个驱动轮轮压载荷P，轨道下表面承受2个支撑轮轮压载荷P1，见图2。驾驶室及其驱动装置总重量为4 t(即P=40000 N)。将上述总重量移至驱动轮上，则同时产生一个使驾驶室翻转的转矩P×1600 N·mm，该转矩由两个支撑轮平衡，即：

P×1600=2×P1×1600P1=20000 N

取动载荷系数1.5[2]，则环形轨道上施加的载荷分别为：

驱动轮处F=P×1.5=60000 N；

从动轮处F1=P1×1.5=30000 N。

图2 驾驶室运行机构示意图

2 有限元试算

基于Ansys有限元分析软件，采用8节点六面体solid45实体单元建立环形轨道结构有限元网格模型。约束施加于吊板两螺栓孔面上，采用全约束方式。载荷施加分两种情况：

(1)轨道上表面承受轮压位于吊板附近，见图3a；

(2)轨道上表面承受轮压位于两吊板之间中部，见图3b。

图3 载荷施加方式和位置

经计算，无论驱动轮在吊板附近还是两吊板之间，吊板承受的最大应力集中制均在圆角处单侧，见图4。长期单侧受力时，易在应力集中点发生冷作硬化，产生裂纹，从而影响吊板的使用寿命。此外，吊板结构相对复杂，增加了一定的加工成本。因此，有必要对该结构进行适当优化。

图4 吊板应力分布云图

3 结构优化

图5 吊板分布位置优化及吊板结构图

上述分析表明，最大应力位置在吊板圆角过渡处，且应力值在该处厚度上不等。因此，可通过旋转吊板的安装角度以使吊板沿厚度方向受力一致。当驱动轮位于吊板附近时，吊板应以整个圆角位置承载，受力效果更好，因此优化原设计思路，将吊板沿环形轨道轴对称布置，见图5a。同时，由于吊板沿环形轨道径向排列，驱动轮支撑对吊板的干涉消除，可简化吊板结构，见图5b。

3.1 静刚度校核

提取Z方向的位移云图，见图6。当驱动轮位于两吊板之间中部时，模型具有最大变形，且最大变形位移分别为0.821 mm。以两吊板之间轨道长度为跨度L，以L/1000为基准计算，模型受力后位移在允许范围内，故静刚度满足要求。

图6 环形轨道竖直方向位移云图

3.2 静强度校核

提取有限元计算所得应力云图，见图7。图7a和图7b显示了两种载荷位置时吊板应力分布情况，最大应力分别为图7a 191 MPa和图7b 135 MPa，位于吊板过渡圆角处，且载荷在吊板附近时吊板圆角处沿厚度方向承受应力分布均匀，在远离吊板位置时最大应力虽在厚度方向上有偏转，但应力也得到减小。

4 结论

在对铝电解多功能机组使用环境及驾驶室动作响应要求进行简单分析前提下，通过初步设计、验证、优化设计过程，对驾驶室环形轨道结构进行了仔细讨论，既提供了一种基于现代化手段的先进设计方法，也探讨了驾驶室环形轨道设计考虑的重点问题和思路。在当今节能环保要求日益严峻的趋势下，制造业应大力提倡现代化设计方法。

图7 环形轨道结构应力云图

[1] 冯乃祥.铝电解[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2] 董达善.起重机械金属结构[M].上海：上海交通大学出版社，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

常兴娥(1978-)，女，山西忻州人，硕士研究生，工程师，主要从事铝设备研究设计工作，现任中国有色(沈阳)冶金机械有限公司铝电解天车设计室科长。

TF821

B

1003-8884(2014)03-0045-03