电解天车抓斗固定架的结构优化_舒清波.pdf

现代制造技术与装备1262023 年第 3 期总第 316 期电解天车抓斗固定架的结构优化舒清波（贵州工业职业技术学院，贵阳 550081）摘要：电解天车抓斗固定架的结构优化设计，运用有限元分析软件进行仿真计算。对比优化前后两种结构的计算结果云图发现，改进后的结构明显优于改进前，在实际工程中对传统固定架结构的改进具有一定的指导意义。关键词：电解天车；抓斗固定架；结构优化Structure Optimization of the Grab Fixer for Electrolytic CraneSHU Qingbo(Guizhou Industry Polytechnic College,Guiyang 550081)Abstract:The structure optimization design of grab fixer for electrolytic crane is carried out by using finite element analysis software.After comparing the calculation results of two kinds of structures before and after optimization,it is found that the improved structure is obviously better than that before improvement,which has certain guiding significance for the improvement of traditional fixed frame structure in practical engineering.Keywords:electrolytic crane;grab fixed frame;structural optimization1电解天车抓斗固定架概述抓斗是起重机装卸物料的一种取物装置，广泛应用于矿山、航运和冶炼等领域，具有操作简单方便、易于实现自动化等特点。抓斗形式多种多样，有单绳普通抓斗、双绳普通抓斗、单绳电液抓斗以及双绳电液抓斗等。这类抓斗的运动特点是升降由钢丝绳或链条牵引，开合靠钢丝绳、液压油缸和气缸驱动1。在电解铝生产中，需捞出电解槽中的电解渣以及掉入其中的残极。捞出方法有人工捞渣和抓斗捞渣两种。电解槽中的铝液温度较高，工作环境粉尘多，条件十分恶劣。采用人工捞渣时，操作人员的劳动强度大且工作效率低，高温、粉尘易对操作人员造成伤害，危害其健康。因此，随着电解槽的大型化，一般不再采用该方式。抓斗捞渣则具有工作效率高、操作人员劳动强度低、操作安全可靠以及投入的人力少等优点，目前较为常用2。电解铝生产的各项操作由电解天车上的各个工具完成，其中包括捞渣抓斗机构。捞渣抓斗机构主要由抓斗、移动架、固定架和升降葫芦等组成，如图 1 所示。固定架固定在工具小车上，移动架安装在固定架上端，能够在固定架的导轨上上下自由移动。移动架利用螺栓与抓斗连接，并通过钢丝绳与电动葫芦相连。生产操作时，首先操纵电解天车的大车和工具小车，将抓斗移动至需捞渣的电解槽上方，且要求安装在移动架内的抓斗张开。其次，移动架沿固定架下降，将抓斗放入电解槽内，此时气缸杆缩回，抓斗关闭，将电解渣抓入抓斗内。再次，移动架沿固定架上升，将抓斗升至电解槽上方。最后，操纵电解天车的大车和工具小车，将抓斗移动至渣箱上方，此时抓斗张开卸掉电解渣3。图 1抓斗机构固定架在抓斗捞渣的过程中起到固定与支撑作用，其强度直接关系整台设备的安全性。在实际工程应用中，固定架虽然具有足够的强度和刚度，但是安基金项目：2022 年贵州工业职业技术学院院级科研项目立项课题“某多功能天车抓斗固定架的结构优化”（2022ZK03）。DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0156127工 艺 与 装 备全余量过大，会造成不必要的钢材浪费，同时增加成本。在保证强度和刚度不影响抓斗使用性能的前提下，可对固定架进行结构优化。2优化设计优化前的固定架如图 2（a）所示，主要采用Q235A 的钢板焊接，四周用厚度为 8 mm 和 10 mm的钢板加强。优化后的固定架如图 2（b）所示，主要用 T 形钢和钢板拼焊。两根立柱分别用 TM 形的 T 形钢和钢板焊接，每根立柱对称焊 10 块加强板。两立柱之间用钢管加强，且立柱间安装导轨的距离与原固定架保持相等，保证留出的空间能使移动架在导轨上上下自由移动。在上端同样焊一块钢板，并用 1 块钢板和 3 块筋板加强。优化后的固定架立柱如图 3 所示，优化后的固定端如图 4 所示。（a）优化前（b）优化后1.T 形钢；2.钢板；3.加强板；4.钢管；5.钢板；6.钢板。图 2固定架3有限元分析采用 SolidWorks 软件进行三维建模，再通过SolidWorks Simulation 有限元分析软件对优化前后的模型进行静力分析，并对比分析模型的应力和位移情况。Simulation 是 SolidWorks 公司开发的一种功能强大的有限元分析工具软件，作为嵌入式分析软件与SolidWorks 无缝集成。工程技术人员运用 SolidWorks Simulation 可以进行产品分析，并快速得到相应的计算、分析结果，极大缩短了新产品的设计周期，降低了试验成本，提高了产品质量，获得可观的利润。SolidWorks Simulation 能够提供丰富的计算与分析工具，运算、测试和分析较复杂的零件及装配体，主要功能包括应力计算与分析、应变计算与分析、位移计算与分析、产品设计与优化以及线性与非线性分析等4。1.T 形钢；2.钢板；3.加强板；4.钢管。图 3优化后的固定架立柱1.T 形钢；2.钢板；5.钢板；6.钢板；7.筋板。图 4优化后的固定端移动架与抓斗连接后，总长度约为 6 m。导向轮位于移动架上部，抓斗与电解渣的质量较大。在电解天车运行和起动、制动时，移动架会产生较大的惯性冲击力。在杠杆力的作用下，该冲击力会使导向轮与导轨之间产生较大的相互作用力，再通过导轨作用于固定架。由于固定架与导轨通过焊缝连接，而冲击力局部作用于固定架，因此易造成导轨与导轮的位置发生偏离。当移动架上下升降运行时，两者不能正确啮合，将会发生卡轨5。固定架的最大载荷工况是抓斗捞到电解渣后，移动架沿固定架上升，将抓斗升至固定架上方。此时，上下两侧分别承受大小相等、方向相反的惯性力。根据现场使用情况对模型施加载荷，由于固定架的上端与工具小车固定，应在其上表面施现代制造技术与装备1282023 年第 3 期总第 316 期加固定约束。两种模型结构的材料均定义为 Q235A，施加边界条件并划分网格，优化前后的分析模型如图 5 所示。（a）优化前 （b）优化后图 5分析模型最终的应力情况如图 6 所示。从应力云图可知：优化前的结构最大应力为 119.700 MPa，处于左侧筋板靠近上端面的位置，其他位置的应力都很小；优化后的结构最大应力为 90.122 MPa，处于右侧立柱的底部，其他位置的应力都比优化前要小。优化后的钢管应力情况如图 7 所示，钢管的最大应力为 25.787 MPa，处于第 2 根与左侧立柱交界处。两立柱的应力分布较均匀合理，可见充分利用了优化后的材料。（a）优化前（b）优化后图 6应力情况图 7优化后的钢管应力情况优化前后的位移情况如图 8 所示，原固定架的位移约为 1.98 mm，优化后的位移为 6.93 mm。虽然优化后的位移比原固定架大，但是此工况下抓斗处于固定架的上部，对导轨和导轮的影响很小。相较于近 6 m 高的固定架，6.93 mm 的变形显得很微小，且此工况的载荷考虑较为保守，综合考虑认为该变形量对整台设备的影响不大。另外，原固定架的质量为 1 126 kg，优化后为 524 kg，减小了 54%。（下转第 133 页）133工 艺 与 装 备4结语本次在生产设备具有柔性的作业车间基础上，考虑了操作工人与生产设备的双重柔性，同时考虑了提前交付罚金及超期交付罚金，细化了模型，并利用理想虚拟分子理论对多目标优化模型进行归一化处理和改进，对应用改进的化学反应算法求解 DFJSP 问题的整体流程进行详细阐述。根据某公司柔性车间生产数据设计了更贴近实际生产情况的调度算例，并应用上述算法对其进行求解，以甘特图的形式展示最终的调度结果，直观展示此改进的化学反应算法在求解多目标的双柔性作业车间生产调度问题上的可用性。参考文献1 宋昌兴，阮景奎，王宸.基于混合多目标遗传算法的柔性作业车间调度问题研究 J.机电工程，2021（2）：169-176.2LI H，ZHU H.Modified water wave optimization for energy-conscious dual-resource constrained flexible job shop schedulingJ.International Journal of Performability Engineering，2020（6）：916.3 张智晟，温令云，李国，等.基于改进化学反应优化算法的电动汽车与可再生能源多目标协同调度 J.电网技术，2014（3）：633-637.4 张奎，朱斌，郭岳，等.基于双层编码的柔性作业车间分批调度研究J.组合机床与自动化加工技术，2020（9）：167-170.5 刘雪红，段程，王磊.基于改进候鸟算法的柔性作业车间分批调度问题 J.计算机集成制造系统，2021（11）：3185-3195.4结语通过对电解天车抓斗固定架的结构进行优化设计，并运用 SolidWorks Simulation 有限元分析软件对比分析优化前后的应力与位移情况。结果表明：优化后的结构最大应力为 90.122 MPa，优化前为 119.700 MPa，减小了 24.7%；优化后的位移变形量为 6.93 mm，优化前约为 1.98 mm，虽然优化后比优化前大，但是在可接受范围内；优化后质量由原来的 1 126 kg 减至524 kg，减少了 54%。可见，优化后的结构设计更合理。参考文献1 严旭明.铝电解捞块抓斗的设计 J.冶金设备，2008（增刊 2）：91-92.2 王振海.气动抓斗机构优化设计 J.山西机械，2002（增刊 1）：117-118.3 陈 永 当，鲍 志 强，任 慧 娟，等.基 于 SolidWorks Simulation 的产品设计有限元分析 J.计算机技术与发展，2012（9）：177-180.4 冯硕，秦义校.双梁铸造起重机副起升定滑轮组小车速度研究 J.起重运输机械，2019（17）：83-87.5 高忠江.新型铝电解多功能机组的大车结构设计 J.起重运输机械，2010（5）：8-11.（a）优化前 （b）优化后图 8位移情况（上接第 128 页）