600 kA電解槽用絕緣起重機的設計與分析

鄭沈蘋， 郭春鳳

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

0 前言

600 kA電解槽用絕緣起重機是某公司研制的一種鋁電解車間的輔助設備。該設備是600 kA電解鋁生產車間進行槽前工作的關鍵設備，需要滿足高溫熔鹽，大電流、強磁場，多粉塵及HF煙氣的環境要求和生產工藝需要，主要用于吊運出鋁抬包進行出鋁作業，電解槽輔助下料作業，進行電解槽、母線提升框架吊運作業，以及其他輔助吊運工作。該設備主要由大車、主小車、副小車、下料系統、電氣系統等部分組成，如圖1所示。

1.大車 2.主小車 3.電氣系統 4.副小車 5.下料系統圖1 600 kA電解槽用絕緣天車總圖

1 600 kA電解槽用絕緣起重機技術特點

600 kA電解槽用絕緣起重機作為電解鋁廠槽前設備鋁電解多功能機組的有效補充，在天車運行、防磁、防靜電、下料系統設計方面均采用先進、可靠的技術和結構，以滿足600 kA電解槽電解鋁生產現場大起重量、高溫、強電磁場、粉塵、腐蝕性氣體等工況要求。

1.1 強磁場環境下大車、小車穩定運行技術

該設備在結構上合理優化布局，均勻分布輪壓，采用4輪驅動的方式取代傳統的2輪驅動方式，使設備運行更加平穩，同時提高了減速機的輸出轉矩，確保設備在強磁場、高粉塵、高溫等惡劣的環境下能夠安全穩定的運行。小車運行采用與大車同樣的4輪支撐水平加水平輪導向布置形式，同時在運行端梁與卷揚平臺支架增加了一道絕緣，使系統不能形成磁回路，有效降低了強磁場對小車運行的影響。

1.2 采用可靠的防磁技術

該設備應用整車防磁技術，降低了強磁場對天車操作及運行的影響。通過對電氣控制柜、吊鉤等采用防磁技術大大降低設備的故障率，提高工作效率，保證操作人員的人身安全。

1.3 增加副小車偏掛下料系統新結構

通過合理配置，把原偏掛在主梁一側，獨立運行的下料小車系統與副小車相結合，把下料系統安放在副小車上，簡化了設計結構，降低了設計和運行成本，如圖2所示。

1.副小車 2.料倉 3.下料裝置 4.主梁圖2 下料系統位置及結構圖

2 關鍵機構的選擇計算

2.1 主小車、副小車鋼絲繩的選擇計算

鋼絲繩所受的最大拉力：

(1)

式中Q—額定起重量(kg)，Q=35 000 kg；

G0—t吊鉤組重量(kg)，G0=730 kg；

M—滑輪組倍率，m=4；

ηh—滑輪組效率，取ηh=0.98。

鋼絲繩直徑[1]：

(2)

鋼絲繩的整繩最小破斷拉力：

F0≥Smaxn=4.47×104×7.1=
31.737×104=317.37 kN

(3)

式中N—安全系數，取n=7.1。

根據GB 8918—2006重要用途鋼絲繩標準，所選的鋼絲繩要滿足最小破斷拉力的鋼絲繩工程抗拉強度。

設計選用鋼絲繩直徑d=24 mm，型號為24NA6×19W+IWR1770ZS(SZ)，鋼絲繩的最小斷裂載荷F0=363 kN=3.63×105N。

鋼絲繩的安全系數n：

(4)

鋼絲繩的機構工作級別為M7時，要求最小的安全系數[n]=7.1，因此選擇此型號規格的鋼絲繩滿足要求。

2.2 主、副小車卷筒電動機參數的選擇與計算

主、副小車卷筒電動機靜功率計算:

(5)

式中Pj—主、副小車卷筒電動機靜功率，kW；

η—機構總效率，取η=0.85；

V—起升速度(m/s)，取V=6.0 m/min=6/60 m/s。

主、副小車卷筒電動機計算功率：

P=KdPj=0.95×41.19=39.13 kW

(6)

式中Kd—系數，取Kd=0.95。

考慮到電機使用在海拔2 000 m，環境溫度≤55 ℃，取系數K=0.84，則：P=39.13/0.84=46.6 kW。

設計所選電機型號為YZP280M- 8C，功率55 kW，轉速為750 r/min，滿足要求。

2.3 主、副小車卷筒減速機的選擇與計算

600 kA電解槽用絕緣天車的主、副小車卷筒的計算轉速[2]：

(7)

式中V—主、副小車額定起升速度(m/min)，V=6.0 m/min；

m—滑輪組倍率，m=4；

D0—卷筒的計算直徑，D0=648 mm。

減速器的計算速比：

(8)

式中n1—電動機轉速(r/min),n1=750 r/min。

設計選用減速器型號M3PSF60，速比62，輸出轉矩63.6 kN·m。

因此，主、副小車實際起升速度:

(9)

(10)

一般允許的起升速度誤差為[ε]=15%。

卷筒的實際轉速：

nj=n′j×(1+ε)=11.79×(1-2.7%)=
11.47 r/min

(11)

卷筒運轉所需的轉矩：

(12)

式中Pj—主、副小車卷筒電動機靜功率，Pj=41.19 kW。

因此，所選減速器輸出轉矩足夠滿足要求。

3 600 kA電解槽用絕緣起重機主梁結構有限元分析

主梁是600 kA電解槽用絕緣起重機中的主要受力構件，為了確保該設備的結構穩定可靠性，對主梁受力情況進行了有限元分析計算。目前，有限元分析軟件中ANSYS是應用最為廣泛的，該軟件程序已經成為大范圍多用途的設計分析軟件。因此，本文采用ANSYS軟件對該設備的橫梁結構進行有限元分析計算。

3.1 創建有限元模型

主梁采用正軌箱型梁結構，由鋼板焊接而成，為了增加主梁的抗彎內力，在上蓋板的下方焊接一工字鋼。主梁總長為34 800 mm，跨度34 500 mm，高度2 000 mm，寬度720 mm，上蓋板厚度為18 mm，下蓋板為16 mm，腹板厚度為10 mm。根據實際模型結構進行幾何模型的建立，以實際截面對相應位置幾何模型賦值。

3.2 施加約束及載荷

由于兩根主梁的結構相同，因此只分析受力最大的一根主梁就能滿足要求。根據主梁實際工作情況，主梁Ⅱ的受力情況最大，從最壞的工況考慮，即當吊框架時，兩個小車滿載，兩小車吊鉤中心距為11 060 mm，且距煙道側14 100 mm，副小車氟化鹽料箱裝滿料5 000 kg停止作業，主梁Ⅱ截面受到的載荷最大，所以變形最大。因此主梁處于該狀態時，對主梁Ⅱ進行相應大小載荷施加。已知主小車的自重12 874.4 kg，吊鋁包滿載35 000 kg，副小車的自重16 531 kg，吊鋁包滿載35 000 kg，氟化鹽料箱裝滿料5 000 kg，下料系統的自重4 365 kg。小車軌道間距為3 000 mm，主小車輪間距2 700 mm，副小車輪間距3 942 mm。小車輪壓通過軌道傳遞到主梁上，為計算方便，此處把車輪與軌道的作用面等效到輪壓作用在主梁上的作用面，如圖3所示。

圖3 主梁Ⅱ邊界條件

3.3 計算結果及分析

3.3.1 主梁Ⅱ變形情況

通過有限元分析主梁Ⅱ在豎直方向最大變形為36.854 2 mm，如圖4所示。主梁Ⅱ在豎直方向允許的最大變形為：

圖4 主梁Ⅱ變形圖

[f]=L×1/750=46 mm

(13)

式中 [f]—在豎直方向允許的最大變形，mm；

L—主梁Ⅱ跨度，L=34 500 mm。

由此可見，該主梁Ⅱ變形量滿足剛性設計及使用要求。

3.3.2 主梁Ⅱ應力狀態

提取主梁Ⅱ應力計算結果，見圖5。主梁Ⅱ受最大應力為90.875 6 MPa。主梁Ⅱ主要由Q345B材料構成，屈服應力為σS=345 MPa，該結構設計安全系數n=1.34，則許用應力為[σ]=σS/n=257.5 MPa，滿足該設備主梁的強度要求。

圖5 主梁Ⅱ應力圖

4 結論

本文對600 kA電解槽用絕緣起重機進行了設計，通過計算確定了關鍵件的參數，并進行了選型，同時對該設備中承載的主要結構件主梁進行有限元分析計算。通過模型的建立、施加邊界條件、得到最終計算結果，并顯示出了主梁整體的變形和應力狀態。通過此計算過程確保了主梁結構的安全性、穩定性。本文的設計計算方法具有一定的通用性,為今后類似產品的設計提供了借鑒作用。