一种铝电解多功能机组主梁刚性修复方法及效果分析

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)

一种铝电解多功能机组主梁刚性修复方法及效果分析

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、用途及使用环境，并对有限元方法及其与传统方法的区别进行了描述。叙述了机组主要承载部件主梁的重要性和影响寿命的关键指标，并通过介绍一种主梁刚性修复的方法，采用有限元计算分析，验证和探讨了该修复方法的效果，为主梁改造、优化设计、修复等展示了现代虚拟试验方法的优越性和工程实际问题处理的重要性。

有限元； 铝电解多功能机组； 主梁； 虚拟试验； PTM； 起重机

0 概述

铝电解多功能机组(以下简称机组)属于桥式起重机范畴，所承受的载荷复杂且使用频率较高，在高磁、高温、多粉尘和静电等恶劣环境下运行的重型设备。机组主要由大车、工具小车和出铝小车组成，具有更换阳极、破碎电解质结壳、清理阳极坑、添加氧化铝和氟化盐、出铝并计量、抬阳极母线、电解槽吊运检修等一系列功能。

桥式起重机结构的主要承载部件为主梁，主梁的寿命是起重机有效使用期限的关键，而主梁刚性是描述主梁寿命的主要因素之一。在工程实际应用中，主梁刚性下降主要表现为主梁下挠。从而引起车轮啃轨、小车爬坡等影响起重机稳定运行的问题。铝电解多功能机组更是如此，刚性降低，导致小车溜车，容易造成机组各项功能执行的准确性，可能导致机组设备甚至电解槽设备发生破坏，从而造成严重安全事故。因此，需要对机组进行定期监检。

根据文献[1]GB/T6067.1—2010起重机械安全规程，对主要受力构件因产生塑性变形，使工作机构不能正常安全运行时，应进行修复，否则报废。对起重机使用企业，设备改造修复是节约能源、降低成本的一项重要课题。长期以来，这种关键技术主要掌握在经验丰富的中老年工程技术人员手中。随着现代化设计方法的推广，一般技术人员也能在该类问题处理上有用武之地。

本文通过一主梁刚度加强案例，采用有限元分析方法，进行了过程分析验证和讨论，既有效对主梁刚度不足的问题进行了虚拟模拟和效果验证，又以一种简单直接的方式介绍了一种问题处理方法，值得在实际工程问题处理、结构改造、设计优化等工作中应用和发挥。

1 有限元方法

1.1 有限元方法及实现

有限元分析方法(以下简称有限元法[2])是一种采用计算机求解结构静、动态力学特征等问题的数值解法。与实际工程试验和其它计算方法相比，有限元法具有精度高、适应性强、低成本、周期短等优点。因此，随着电子计算机技术的飞速发展，现代化设计过程中有限元法获得了广泛应用，且应用领域遍及机械、电子电器、航空航天、汽车、船舶、土木水利等众多领域。

Ansys[3]是实现有限元分析的一种具有代表性的大型通用软件，能解决包括力学、热学、电磁学、电学、声学、流体动力学以及它们的耦合问题等科学和工程计算难题。具有参数优化、拓扑优化等功能。Ansys能与多数CAD软件接口实现数据共享和交换，且具有友好的图形用户界面，方便用户一步一步交互访问和完成整个分析。

1.2 主梁计算有限元法与传统方法比较

采用传统设计方法，安全系数较大，结构显得笨重；并且传统计算方法比较繁琐，效率不高。应用有限元分析方法，不但可以达到传统计算效果，还能解决传统分析方法计算而必须简化和假设或无法计算的一些繁杂问题。

对于主梁计算，传统计算只能先简化实际结构，再通过施加等效载荷来计算危险点应力值，且对箱型结构变形情况需另行计算；而有限元法能准确显示主梁实际结构中任一位置的应力值及变形位移大小。通过调整视图，可方便直观地观察和显示整体或任一局部的变形情况和大小。并且，通过施加实际工况载荷，通过软件计算直接获得结果，省去了人为的中间分析步骤，避免错误累积，有效节约了设计周期和效率。

2 案例分析

2.1 问题描述

某现场需要利用铝电解多功能机组进行偶尔超额定吊重使用，由于现有主梁结构在该吊重时的下挠值接近标准[4]许可值，为此需要对主梁进行改造加强，以降低下挠达到使用要求。由于现场条件和现有设备的限制，采用火焰矫正或下盖板预应力矫正方法实施难度较大。为此，经过讨论，决定对主梁上盖板进行加强方式来降低吊重时的下挠。

2.2 方案确定

考虑铝电解多功能机组主梁上盖板轨道和空间布局，采用焊接工字钢或H型钢的方式进行加强。采用传统方法确定H型钢型号的方法过于繁琐，且计算结果的精确度受结构简化程度影响较大。因此，引入了有限元方法，对未加强及加强后的主梁整体建模，进行下挠值虚拟模拟分析。本案仅取一种H型钢型号加强后的主梁与原主梁刚度对比计算，其它型号对比方法与此相同。

2.3 有限元建模

基于Ansys以MKS单位制，采用shell63壳单元建立PTM主梁有限元网格模型。计算静刚度及静强度时，小车自重及吊重作为载荷考虑，以轮压的方式施加于相应位置；考虑实际主梁结构形式，主梁的一端仅释放在垂直平面内的旋转自由度；另一端释放垂直平面内的旋转和沿主梁轴向移动这2个自由度。其中，轴向约束只能施加在下盖板端部的一条线或相当于同一线上，否则相当于在主梁该端约束了垂直平面内的旋转自由度。

主梁最危险工况：工具小车及岀铝小车均在主梁中部。

加强后和未加强主梁网格模型、约束及载荷见图1。其中单元数为61662，节点数为60170。

2.4 静刚度分析结果

提取主梁在竖直方向(本例为模型Z方向)的位移云图，主梁变形情况见表1和图2。

由表1和图2可知，在仅有工具小车和出铝小车在主梁中部时，主梁在三种厚度情况下均满足静刚度条件，而有H型钢加强的主梁比无H型钢的主梁下挠度减小1.5 mm左右，主梁刚度提高6.4%。

根据上述一种型钢结构计算结果可以清晰表示主梁的变形情况，得到该型钢对主梁下挠值减小的比例。根据最终需要增加的刚度值要求，进行型钢模拟选型，以确定最终型号和结构方式。该方法能够对技术人员的经验要求相对不高，也能对实际加强结构的效果进行量化。若对结构进一步进行细化计算，能够得到结构改造的更丰富的信息和数据。

3 结论

通过一个简单案例，对有限元方法的应用进行了论述。随着当前国家能源政策和环保要求的日趋严厉，有限元方法应用于工程设计、问题处理等各个环节，不但能够弥补技术人员经验不足的短板，更能为企业节省大量试验和试制成本，更高效实现产品结构改造、优化设计和更新换代。

图1 主梁模型及边界条件施加方式

表1 主梁下挠变形对比情况

图2 主梁竖直方向变形云图

[1] GB/T 6067.1—2010， 起重机械安全规程[S].

[2] 刘国庆，杨庆东.ANSYS工程应用教程—机械篇[M].北京：中国铁道出版社，2002.

[3] 蓝宇，张连杰.大型有限元分析软件ANSYS[J]．应用科技，2000，(6).

[4] GB/T 3811—2008， 起重机设计规范[S].

AKindofStiffnessRepairMethodsandEffectAnalysisforGirderofPotTendingMachine

CHANG Xing-e
(Aluminum Equipment Institute, NFC (Shenyang) Metallurgy Machinery Co., Ltd. Shenyang 110141, China)

The paper introduces structure and application of pot tending machine (PTM), difference between the finite element method (FEM) and the traditional methods, the importance and key indicators of girder as the main bearing parts for PTM. Through a kind of girder stiffness repair method, the effects of the repair methods are verified and discussed with finite element analysis method. Therefore, the importance of engineering practical problems and the superiority of modern virtual test method are shown in girder optimal design, renovation, and repair.

finite element； pot tending machine； girder； virtual test； PTM； crane

2014-02-16

常兴娥(1978-)，辽宁沈阳人，工程师，主要从事铝电解多功能机组的设计工作，现任中国有色(沈阳)冶金机械有限公司铝设备研究所科长。

TF821

B

1003-8884(2014)04-0027-03