大噸位雙梁鋁電解天車關(guān)鍵件有限元分析

張玲玲

（中國(guó)有色（沈陽）冶金機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110141）

1 大車主梁強(qiáng)度、剛度分析

1.1 主梁結(jié)構(gòu)及計(jì)算載荷

本次計(jì)算以受力工況較差的主梁1為研究對(duì)象，主梁1為偏軌箱形梁結(jié)構(gòu)。主要由上、下蓋板，左右腹板及T型鋼等焊接而成，材質(zhì)為Q345B。內(nèi)附加強(qiáng)筋板，筋板材質(zhì)為Q235B。

主梁總長(zhǎng)：29.1m，跨度28.5m，上下蓋板厚度16 mm，腹板厚度10mm和12mm；工具小車重量為40t；出鋁小車總重為14t，額定起重量為32t；出鋁小車采有偏掛式。

1.2 分析結(jié)果

①靜剛度校核。提取主梁在Z方向的位移云圖，如圖1所示。主梁中部豎直方向最大撓度為19.64mm。而主梁允許最大撓度為S/750=28500/750=38mm。故主梁靜剛度滿足要求。

圖1 主梁UZ方向變形云圖

②靜強(qiáng)度校核。有限元計(jì)算所得主梁應(yīng)力云圖。整體最大VonMises應(yīng)力為74.3MPa，位于主梁中部附近格子板與腹板焊接處中下部的腹板上；此時(shí)，主梁中部彎曲應(yīng)力最大，為30.42MPa。主梁靜強(qiáng)度符合要求，其中蓋板及腹板許用應(yīng)力應(yīng)為［σ］=345/1.48=233.1 MPa。該計(jì)算過程中，主梁整體雖達(dá)到74.3MPa，其主要原因是采用殼單元的上下蓋板或腹板與內(nèi)部加強(qiáng)格子板之間網(wǎng)格為直角尖角形式，未經(jīng)過類似焊角的圓滑過渡。因此，主梁實(shí)際最大合應(yīng)力將小于該值。此外，主梁蓋板上焊接有軌道墊板及安裝有軌道和平臺(tái)，其將加強(qiáng)主梁的剛度和局部強(qiáng)度。

2 出鋁車垂直導(dǎo)向架強(qiáng)度、剛度分析

2.1 垂直導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)

垂直導(dǎo)向架主要參數(shù)：材料Q345；彈性模量2.06×1011Pa；密度 7850kg/m3。筋板：材料 Q235；彈性模量2.01×1011Pa；密度 7800kg/m3。承載重量：額定起重量32t。

2.2 分析結(jié)果

①靜剛度校核，提取垂直導(dǎo)向架位移云圖，如圖2所示。垂直導(dǎo)向架最大合位移為8.74mm，豎直Z方向最大撓度為7.07mm，Y方向最大撓度為7.95mm，X方向最大撓度為0.33mm，均位于垂直導(dǎo)向架中部。而主梁允許最大撓度為S/150=2100/150=14mm。故垂直 導(dǎo)向架靜剛度滿足要求。

圖2 垂直導(dǎo)向架各方向變形云圖

②靜強(qiáng)度校核。有限元計(jì)算所得垂直導(dǎo)向架應(yīng)力云圖。整體最大VonMises應(yīng)力為410.12MPa，位于垂直導(dǎo)向架減速電機(jī)和卷筒支撐座底部，主要原因?yàn)樵撎帋缀谓Y(jié)構(gòu)為進(jìn)行尖角處理，且在該處的網(wǎng)格不均勻。但該垂直導(dǎo)向架的總體變形和應(yīng)力分布并未受到影響。

去除該處應(yīng)力奇異引起的應(yīng)力集中，即去除該處不合理的應(yīng)力值，從圖中可得出垂直導(dǎo)向架實(shí)際最大Von Mises應(yīng)力范圍為45.6～136.7MPa，位于卷揚(yáng)系統(tǒng)平臺(tái)下端斜支撐與導(dǎo)向架之間附近。許用應(yīng)力應(yīng)為［σ］=345/1.48=233.1MPa，靜強(qiáng)度符合要求。該計(jì)算過程中，整體結(jié)構(gòu)雖達(dá)到410.12MPa，其主要是采用板材之間網(wǎng)格為直角尖角形式，未經(jīng)過類似焊角的圓滑過渡。因此，實(shí)際最大合應(yīng)力將小于該值。此外，蓋板上焊接有墊板及安裝有平臺(tái)，其將加強(qiáng)垂直導(dǎo)向架的剛度和局部強(qiáng)度。

3 結(jié)語

以“大噸位雙梁鋁電解天車關(guān)鍵件有限元分析”作為主要內(nèi)容，圍繞大車和出鋁車的有限元計(jì)算，將多功能起重機(jī)主要件設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入ANSYS軟件后，得出的計(jì)算數(shù)據(jù)是比較準(zhǔn)確的，同時(shí)從大車和出鋁車的關(guān)鍵件強(qiáng)度和剛度計(jì)算結(jié)果得出，文章所提出的大噸位雙梁鋁電解多功能起重機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案是可靠的。

盡管鋁行業(yè)危機(jī)的影響還沒有完全消除，但世界及中國(guó)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)開始復(fù)蘇。在未來的十到十五年中，中國(guó)仍將處于快速的城市化、工業(yè)化進(jìn)程當(dāng)中，對(duì)資源性產(chǎn)品也將保持旺盛的需求。預(yù)計(jì)到2022年我國(guó)鋼鐵需求量可能達(dá)到8億t，有色金屬需求量將達(dá)到4000萬t。巨大的需求必然帶動(dòng)裝備制造的持續(xù)發(fā)展。預(yù)計(jì)未來5年，中國(guó)電解鋁產(chǎn)能仍將以每年250萬～300萬t的速度增長(zhǎng)，到2022年預(yù)計(jì)年產(chǎn)能將達(dá)到5214萬t。到2020年中國(guó)市場(chǎng)新增電解鋁系統(tǒng)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到300億～350億元，其中電解車需求為5.8億～7億元。隨著制鋁技術(shù)的發(fā)展，電解槽型的不斷擴(kuò)大，為提高生產(chǎn)效率，大噸位出鋁必將是未來發(fā)展的趨勢(shì)，文章對(duì)降低制造成本，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的意義。