一種鋁電解多功能機組主梁剛性修復方法及效果分析

常興娥

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

一種鋁電解多功能機組主梁剛性修復方法及效果分析

常興娥

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

簡述了鋁電解多功能機組結構、用途及使用環境，并對有限元方法及其與傳統方法的區別進行了描述。敘述了機組主要承載部件主梁的重要性和影響壽命的關鍵指標，并通過介紹一種主梁剛性修復的方法，采用有限元計算分析，驗證和探討了該修復方法的效果，為主梁改造、優化設計、修復等展示了現代虛擬試驗方法的優越性和工程實際問題處理的重要性。

有限元； 鋁電解多功能機組； 主梁； 虛擬試驗； PTM； 起重機

0 概述

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

橋式起重機結構的主要承載部件為主梁，主梁的壽命是起重機有效使用期限的關鍵，而主梁剛性是描述主梁壽命的主要因素之一。在工程實際應用中，主梁剛性下降主要表現為主梁下撓。從而引起車輪啃軌、小車爬坡等影響起重機穩定運行的問題。鋁電解多功能機組更是如此，剛性降低，導致小車溜車，容易造成機組各項功能執行的準確性，可能導致機組設備甚至電解槽設備發生破壞，從而造成嚴重安全事故。因此，需要對機組進行定期監檢。

根據文獻[1]GB/T6067.1—2010起重機械安全規程，對主要受力構件因產生塑性變形，使工作機構不能正常安全運行時，應進行修復，否則報廢。對起重機使用企業，設備改造修復是節約能源、降低成本的一項重要課題。長期以來，這種關鍵技術主要掌握在經驗豐富的中老年工程技術人員手中。隨著現代化設計方法的推廣，一般技術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案例，采用有限元分析方法，進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、結構改造、設計優化等工作中應用和發揮。

1 有限元方法

1.1 有限元方法及實現

有限元分析方法(以下簡稱有限元法[2])是一種采用計算機求解結構靜、動態力學特征等問題的數值解法。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、適應性強、低成本、周期短等優點。因此，隨著電子計算機技術的飛速發展，現代化設計過程中有限元法獲得了廣泛應用，且應用領域遍及機械、電子電器、航空航天、汽車、船舶、土木水利等眾多領域。

Ansys[3]是實現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、熱學、電磁學、電學、聲學、流體動力學以及它們的耦合問題等科學和工程計算難題。具有參數優化、拓撲優化等功能。Ansys能與多數CAD軟件接口實現數據共享和交換，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方法比較

采用傳統設計方法，安全系數較大，結構顯得笨重；并且傳統計算方法比較繁瑣，效率不高。應用有限元分析方法，不但可以達到傳統計算效果，還能解決傳統分析方法計算而必須簡化和假設或無法計算的一些繁雜問題。

對于主梁計算，傳統計算只能先簡化實際結構，再通過施加等效載荷來計算危險點應力值，且對箱型結構變形情況需另行計算；而有限元法能準確顯示主梁實際結構中任一位置的應力值及變形位移大小。通過調整視圖，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果，省去了人為的中間分析步驟，避免錯誤累積，有效節約了設計周期和效率。

2 案例分析

2.1 問題描述

某現場需要利用鋁電解多功能機組進行偶爾超額定吊重使用，由于現有主梁結構在該吊重時的下撓值接近標準[4]許可值，為此需要對主梁進行改造加強，以降低下撓達到使用要求。由于現場條件和現有設備的限制，采用火焰矯正或下蓋板預應力矯正方法實施難度較大。為此，經過討論，決定對主梁上蓋板進行加強方式來降低吊重時的下撓。

2.2 方案確定

考慮鋁電解多功能機組主梁上蓋板軌道和空間布局，采用焊接工字鋼或H型鋼的方式進行加強。采用傳統方法確定H型鋼型號的方法過于繁瑣，且計算結果的精確度受結構簡化程度影響較大。因此，引入了有限元方法，對未加強及加強后的主梁整體建模，進行下撓值虛擬模擬分析。本案僅取一種H型鋼型號加強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主梁有限元網格模型。計算靜剛度及靜強度時，小車自重及吊重作為載荷考慮，以輪壓的方式施加于相應位置；考慮實際主梁結構形式，主梁的一端僅釋放在垂直平面內的旋轉自由度；另一端釋放垂直平面內的旋轉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于同一線上，否則相當于在主梁該端約束了垂直平面內的旋轉自由度。

主梁最危險工況：工具小車及岀鋁小車均在主梁中部。

加強后和未加強主梁網格模型、約束及載荷見圖1。其中單元數為61662，節點數為60170。

2.4 靜剛度分析結果

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型鋼加強的主梁比無H型鋼的主梁下撓度減小1.5 mm左右，主梁剛度提高6.4%。

根據上述一種型鋼結構計算結果可以清晰表示主梁的變形情況，得到該型鋼對主梁下撓值減小的比例。根據最終需要增加的剛度值要求，進行型鋼模擬選型，以確定最終型號和結構方式。該方法能夠對技術人員的經驗要求相對不高，也能對實際加強結構的效果進行量化。若對結構進一步進行細化計算，能夠得到結構改造的更豐富的信息和數據。

3 結論

通過一個簡單案例，對有限元方法的應用進行了論述。隨著當前國家能源政策和環保要求的日趨嚴厲，有限元方法應用于工程設計、問題處理等各個環節，不但能夠彌補技術人員經驗不足的短板，更能為企業節省大量試驗和試制成本，更高效實現產品結構改造、優化設計和更新換代。

圖1 主梁模型及邊界條件施加方式

表1 主梁下撓變形對比情況

圖2 主梁豎直方向變形云圖

[1] GB/T 6067.1—2010， 起重機械安全規程[S].

[2] 劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應用教程—機械篇[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[3] 藍宇，張連杰.大型有限元分析軟件ANSYS[J]．應用科技，2000，(6).

[4] GB/T 3811—2008， 起重機設計規范[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組的設計工作，現任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司鋁設備研究所科長。

TF821

B

1003-8884(2014)04-0027-03