大吨位双梁铝电解天车关键件有限元分析

张玲玲

（中国有色（沈阳）冶金机械有限公司设计研究院，辽宁 沈阳 110141）

1 大车主梁强度、刚度分析

1.1 主梁结构及计算载荷

本次计算以受力工况较差的主梁1为研究对象，主梁1为偏轨箱形梁结构。主要由上、下盖板，左右腹板及T型钢等焊接而成，材质为Q345B。内附加强筋板，筋板材质为Q235B。

主梁总长：29.1m，跨度28.5m，上下盖板厚度16 mm，腹板厚度10mm和12mm；工具小车重量为40t；出铝小车总重为14t，额定起重量为32t；出铝小车采有偏挂式。

1.2 分析结果

①静刚度校核。提取主梁在Z方向的位移云图，如图1所示。主梁中部竖直方向最大挠度为19.64mm。而主梁允许最大挠度为S/750=28500/750=38mm。故主梁静刚度满足要求。

图1 主梁UZ方向变形云图

②静强度校核。有限元计算所得主梁应力云图。整体最大VonMises应力为74.3MPa，位于主梁中部附近格子板与腹板焊接处中下部的腹板上；此时，主梁中部弯曲应力最大，为30.42MPa。主梁静强度符合要求，其中盖板及腹板许用应力应为［σ］=345/1.48=233.1 MPa。该计算过程中，主梁整体虽达到74.3MPa，其主要原因是采用壳单元的上下盖板或腹板与内部加强格子板之间网格为直角尖角形式，未经过类似焊角的圆滑过渡。因此，主梁实际最大合应力将小于该值。此外，主梁盖板上焊接有轨道垫板及安装有轨道和平台，其将加强主梁的刚度和局部强度。

2 出铝车垂直导向架强度、刚度分析

2.1 垂直导向架结构及基本参数

垂直导向架主要参数：材料Q345；弹性模量2.06×1011Pa；密度 7850kg/m3。筋板：材料 Q235；弹性模量2.01×1011Pa；密度 7800kg/m3。承载重量：额定起重量32t。

2.2 分析结果

①静刚度校核，提取垂直导向架位移云图，如图2所示。垂直导向架最大合位移为8.74mm，竖直Z方向最大挠度为7.07mm，Y方向最大挠度为7.95mm，X方向最大挠度为0.33mm，均位于垂直导向架中部。而主梁允许最大挠度为S/150=2100/150=14mm。故垂直 导向架静刚度满足要求。

图2 垂直导向架各方向变形云图

②静强度校核。有限元计算所得垂直导向架应力云图。整体最大VonMises应力为410.12MPa，位于垂直导向架减速电机和卷筒支撑座底部，主要原因为该处几何结构为进行尖角处理，且在该处的网格不均匀。但该垂直导向架的总体变形和应力分布并未受到影响。

去除该处应力奇异引起的应力集中，即去除该处不合理的应力值，从图中可得出垂直导向架实际最大Von Mises应力范围为45.6～136.7MPa，位于卷扬系统平台下端斜支撑与导向架之间附近。许用应力应为［σ］=345/1.48=233.1MPa，静强度符合要求。该计算过程中，整体结构虽达到410.12MPa，其主要是采用板材之间网格为直角尖角形式，未经过类似焊角的圆滑过渡。因此，实际最大合应力将小于该值。此外，盖板上焊接有垫板及安装有平台，其将加强垂直导向架的刚度和局部强度。

3 结语

以“大吨位双梁铝电解天车关键件有限元分析”作为主要内容，围绕大车和出铝车的有限元计算，将多功能起重机主要件设计参数导入ANSYS软件后，得出的计算数据是比较准确的，同时从大车和出铝车的关键件强度和刚度计算结果得出，文章所提出的大吨位双梁铝电解多功能起重机的整体设计方案是可靠的。

尽管铝行业危机的影响还没有完全消除，但世界及中国经济已经开始复苏。在未来的十到十五年中，中国仍将处于快速的城市化、工业化进程当中，对资源性产品也将保持旺盛的需求。预计到2022年我国钢铁需求量可能达到8亿t，有色金属需求量将达到4000万t。巨大的需求必然带动装备制造的持续发展。预计未来5年，中国电解铝产能仍将以每年250万～300万t的速度增长，到2022年预计年产能将达到5214万t。到2020年中国市场新增电解铝系统设备市场规模将达到300亿～350亿元，其中电解车需求为5.8亿～7亿元。随着制铝技术的发展，电解槽型的不断扩大，为提高生产效率，大吨位出铝必将是未来发展的趋势，文章对降低制造成本，增强企业竞争力有着重要的意义。