常興娥

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

一種鋁電解多功能機(jī)組主梁剛性修復(fù)方法及效果分析

常興娥

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

簡述了鋁電解多功能機(jī)組結(jié)構(gòu)、用途及使用環(huán)境，并對有限元方法及其與傳統(tǒng)方法的區(qū)別進(jìn)行了描述。敘述了機(jī)組主要承載部件主梁的重要性和影響壽命的關(guān)鍵指標(biāo)，并通過介紹一種主梁剛性修復(fù)的方法，采用有限元計算分析，驗證和探討了該修復(fù)方法的效果，為主梁改造、優(yōu)化設(shè)計、修復(fù)等展示了現(xiàn)代虛擬試驗方法的優(yōu)越性和工程實際問題處理的重要性。

有限元； 鋁電解多功能機(jī)組； 主梁； 虛擬試驗； PTM； 起重機(jī)

0 概述

鋁電解多功能機(jī)組(以下簡稱機(jī)組)屬于橋式起重機(jī)范疇，所承受的載荷復(fù)雜且使用頻率較高，在高磁、高溫、多粉塵和靜電等惡劣環(huán)境下運(yùn)行的重型設(shè)備。機(jī)組主要由大車、工具小車和出鋁小車組成，具有更換陽極、破碎電解質(zhì)結(jié)殼、清理陽極坑、添加氧化鋁和氟化鹽、出鋁并計量、抬陽極母線、電解槽吊運(yùn)檢修等一系列功能。

橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的主要承載部件為主梁，主梁的壽命是起重機(jī)有效使用期限的關(guān)鍵，而主梁剛性是描述主梁壽命的主要因素之一。在工程實際應(yīng)用中，主梁剛性下降主要表現(xiàn)為主梁下?lián)?。從而引起車輪啃軌、小車爬坡等影響起重機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的問題。鋁電解多功能機(jī)組更是如此，剛性降低，導(dǎo)致小車溜車，容易造成機(jī)組各項功能執(zhí)行的準(zhǔn)確性，可能導(dǎo)致機(jī)組設(shè)備甚至電解槽設(shè)備發(fā)生破壞，從而造成嚴(yán)重安全事故。因此，需要對機(jī)組進(jìn)行定期監(jiān)檢。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]GB/T6067.1—2010起重機(jī)械安全規(guī)程，對主要受力構(gòu)件因產(chǎn)生塑性變形，使工作機(jī)構(gòu)不能正常安全運(yùn)行時，應(yīng)進(jìn)行修復(fù)，否則報廢。對起重機(jī)使用企業(yè)，設(shè)備改造修復(fù)是節(jié)約能源、降低成本的一項重要課題。長期以來，這種關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在經(jīng)驗豐富的中老年工程技術(shù)人員手中。隨著現(xiàn)代化設(shè)計方法的推廣，一般技術(shù)人員也能在該類問題處理上有用武之地。

本文通過一主梁剛度加強(qiáng)案例，采用有限元分析方法，進(jìn)行了過程分析驗證和討論，既有效對主梁剛度不足的問題進(jìn)行了虛擬模擬和效果驗證，又以一種簡單直接的方式介紹了一種問題處理方法，值得在實際工程問題處理、結(jié)構(gòu)改造、設(shè)計優(yōu)化等工作中應(yīng)用和發(fā)揮。

1 有限元方法

1.1 有限元方法及實現(xiàn)

有限元分析方法(以下簡稱有限元法[2])是一種采用計算機(jī)求解結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)力學(xué)特征等問題的數(shù)值解法。與實際工程試驗和其它計算方法相比，有限元法具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、低成本、周期短等優(yōu)點。因此，隨著電子計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化設(shè)計過程中有限元法獲得了廣泛應(yīng)用，且應(yīng)用領(lǐng)域遍及機(jī)械、電子電器、航空航天、汽車、船舶、土木水利等眾多領(lǐng)域。

Ansys[3]是實現(xiàn)有限元分析的一種具有代表性的大型通用軟件，能解決包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、流體動力學(xué)以及它們的耦合問題等科學(xué)和工程計算難題。具有參數(shù)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化等功能。Ansys能與多數(shù)CAD軟件接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，且具有友好的圖形用戶界面，方便用戶一步一步交互訪問和完成整個分析。

1.2 主梁計算有限元法與傳統(tǒng)方法比較

采用傳統(tǒng)設(shè)計方法，安全系數(shù)較大，結(jié)構(gòu)顯得笨重；并且傳統(tǒng)計算方法比較繁瑣，效率不高。應(yīng)用有限元分析方法，不但可以達(dá)到傳統(tǒng)計算效果，還能解決傳統(tǒng)分析方法計算而必須簡化和假設(shè)或無法計算的一些繁雜問題。

對于主梁計算，傳統(tǒng)計算只能先簡化實際結(jié)構(gòu)，再通過施加等效載荷來計算危險點應(yīng)力值，且對箱型結(jié)構(gòu)變形情況需另行計算；而有限元法能準(zhǔn)確顯示主梁實際結(jié)構(gòu)中任一位置的應(yīng)力值及變形位移大小。通過調(diào)整視圖，可方便直觀地觀察和顯示整體或任一局部的變形情況和大小。并且，通過施加實際工況載荷，通過軟件計算直接獲得結(jié)果，省去了人為的中間分析步驟，避免錯誤累積，有效節(jié)約了設(shè)計周期和效率。

2 案例分析

2.1 問題描述

某現(xiàn)場需要利用鋁電解多功能機(jī)組進(jìn)行偶爾超額定吊重使用，由于現(xiàn)有主梁結(jié)構(gòu)在該吊重時的下?lián)现到咏鼧?biāo)準(zhǔn)[4]許可值，為此需要對主梁進(jìn)行改造加強(qiáng)，以降低下?lián)线_(dá)到使用要求。由于現(xiàn)場條件和現(xiàn)有設(shè)備的限制，采用火焰矯正或下蓋板預(yù)應(yīng)力矯正方法實施難度較大。為此，經(jīng)過討論，決定對主梁上蓋板進(jìn)行加強(qiáng)方式來降低吊重時的下?lián)稀?/p>

2.2 方案確定

考慮鋁電解多功能機(jī)組主梁上蓋板軌道和空間布局，采用焊接工字鋼或H型鋼的方式進(jìn)行加強(qiáng)。采用傳統(tǒng)方法確定H型鋼型號的方法過于繁瑣，且計算結(jié)果的精確度受結(jié)構(gòu)簡化程度影響較大。因此，引入了有限元方法，對未加強(qiáng)及加強(qiáng)后的主梁整體建模，進(jìn)行下?lián)现堤摂M模擬分析。本案僅取一種H型鋼型號加強(qiáng)后的主梁與原主梁剛度對比計算，其它型號對比方法與此相同。

2.3 有限元建模

基于Ansys以MKS單位制，采用shell63殼單元建立PTM主梁有限元網(wǎng)格模型。計算靜剛度及靜強(qiáng)度時，小車自重及吊重作為載荷考慮，以輪壓的方式施加于相應(yīng)位置；考慮實際主梁結(jié)構(gòu)形式，主梁的一端僅釋放在垂直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)自由度；另一端釋放垂直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)和沿主梁軸向移動這2個自由度。其中，軸向約束只能施加在下蓋板端部的一條線或相當(dāng)于同一線上，否則相當(dāng)于在主梁該端約束了垂直平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)自由度。

主梁最危險工況：工具小車及岀鋁小車均在主梁中部。

加強(qiáng)后和未加強(qiáng)主梁網(wǎng)格模型、約束及載荷見圖1。其中單元數(shù)為61662，節(jié)點數(shù)為60170。

2.4 靜剛度分析結(jié)果

提取主梁在豎直方向(本例為模型Z方向)的位移云圖，主梁變形情況見表1和圖2。

由表1和圖2可知，在僅有工具小車和出鋁小車在主梁中部時，主梁在三種厚度情況下均滿足靜剛度條件，而有H型鋼加強(qiáng)的主梁比無H型鋼的主梁下?lián)隙葴p小1.5 mm左右，主梁剛度提高6.4%。

根據(jù)上述一種型鋼結(jié)構(gòu)計算結(jié)果可以清晰表示主梁的變形情況，得到該型鋼對主梁下?lián)现禍p小的比例。根據(jù)最終需要增加的剛度值要求，進(jìn)行型鋼模擬選型，以確定最終型號和結(jié)構(gòu)方式。該方法能夠?qū)夹g(shù)人員的經(jīng)驗要求相對不高，也能對實際加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的效果進(jìn)行量化。若對結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)化計算，能夠得到結(jié)構(gòu)改造的更豐富的信息和數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

通過一個簡單案例，對有限元方法的應(yīng)用進(jìn)行了論述。隨著當(dāng)前國家能源政策和環(huán)保要求的日趨嚴(yán)厲，有限元方法應(yīng)用于工程設(shè)計、問題處理等各個環(huán)節(jié)，不但能夠彌補(bǔ)技術(shù)人員經(jīng)驗不足的短板，更能為企業(yè)節(jié)省大量試驗和試制成本，更高效實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改造、優(yōu)化設(shè)計和更新?lián)Q代。

圖1 主梁模型及邊界條件施加方式

表1 主梁下?lián)献冃螌Ρ惹闆r

圖2 主梁豎直方向變形云圖

[1] GB/T 6067.1—2010， 起重機(jī)械安全規(guī)程[S].

[2] 劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程—機(jī)械篇[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[3] 藍(lán)宇，張連杰.大型有限元分析軟件ANSYS[J]．應(yīng)用科技，2000，(6).

[4] GB/T 3811—2008， 起重機(jī)設(shè)計規(guī)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

常興娥(1978-)，遼寧沈陽人，工程師，主要從事鋁電解多功能機(jī)組的設(shè)計工作，現(xiàn)任中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司鋁設(shè)備研究所科長。

TF821

B

1003-8884(2014)04-0027-03