陆莹 毛洪利 赵文华
沈阳华起重工有限公司 辽宁 沈阳 110141
摘要：科学技术的发展迅速，我国的化工工程建设的发展也有了创新。铝电解多功能工具小车及其中的各项工具是电解铝生产中所必需的核心部分，针对其结构的改进、优化是非常重要的，简单介绍了工具小车及其各项工具的主要功能及结构特点，重点阐述了工具小车各部分结构的改进、优化，包括工具小车运行装置轨道刷及支架、工具小车回转装置的驱动装置、下料装置检修平台、下料装置仓体、下料装置旋转装置、更换阳极装置夹子、打壳装置活动框架、清渣装置导向架的改进和优化。结构改进优化后对保证设备安全性、进一步完善机构的功能及提高生产运行效率都具有十分重要的意义。
关键词：铝电解；多功能机组工具；小车结构优化设计
引言
铝是国民经济、军事等领域的重要基础材料，2017年全球铝产量约6200万t，其中中国3300多万t。目前工业产铝的方法是熔盐电解法，而铝电解多功能机组是铝电解生产最重要、最核心、最复杂、的作业装备。通常一个新建500kA铝电解系列需要配置14～18台，用以完成电解槽生产的主要作业(打壳、扭拔、捞渣、加料、阳极测高、出铝、辅助抬母线等)。但现有铝电解多功能机组的生产作业过多依靠人工介入，劳动强度大、操作难度高、环境恶劣，导致企业人工成本高、用工难;高温熔融铝液和电解质存在的安全隐患，恶劣工况对工人健康的影响，以及人工操作可能出现的失误，都是实现铝电解生产过程本质安全的障碍。
1工具小车所有工作机构功能的简单介绍
工具小车行走轨道为起重钢轨ＱＵ８０，主要包括小车运行、小车回转、下料装置、更换阳极装置、打壳装置和清渣装置。降低了加工成本，提高了生产率；运行装置：驱动整个工具小车在主梁上完成行走；回转装置：驱动各项工具机构绕回转中心旋转；打壳装置：打开电解质结壳；下料装置：向操作电解槽加氧化铝及氟化盐等电解质；更换阳极装置：拧开提起及落下拧紧螺旋夹具，吊走残极，更换新阳极，并测量高度；捞渣装置：把阳极坑内的残极散块及结壳电解质清理出去，以便安放新阳极；操作室：便于从各个角落观察机构动作，所有机构动作均可在操作室里控制。
2铝电解多功能机组智能控制系统
控制系统是智能铝电解多功能机组的基础和核心，它要能完成大/小车运行，工具回转的精确控制，打壳/扭拔/捞渣/下料，出铝及抬母线操作、控制系统状态的检测和故障报警等。机组需要根据车间MES指令，自动计算当前位置与下一目标位置移动量并到达相应位置，按照程序实施当前目标位置的操作(换极、出铝或抬母线)，完成后到达下一目标，直到完成所有作业过程。机组的整个控制系统为闭环控制，需要获取并判断当前位置与目标位置的差值，将差值信息反馈到控制系统，控制系统将根据反馈信息调整机组运行位置，实现精确的移动定位和换极、出铝或抬母线操作。(1)现场硬件层。主要是现场安装的各类传感器、电机、液压驱动装置等。(2)控制硬件层。包括模拟量模块、离散量模块等数据采集模块，以及运动控制卡、变频器等运动控制硬件模块。(3)控制系统软件层。通过控制系统硬件，控制系统软件完成传感器数据的采集和处理，根据要求完成运动控制。(4)网络通讯层。完成上位机软件和控制系统的通讯，可选用ModbusTCP/IP、CANopen等工业通讯协议。(5)安全报警层。为了方便人机交互及保证生产安全，及时反馈机组故障，控制系统需增加安全报警功能。结合实时状态采集、语音合成技术，安全报警层可以报告机组的位置、速度、作业状态及故障部位等信息。(6)上位机软件层。可以选用工业组态软件，实时监控智能机组运行位置、速度、各部件状态等，并可与铝电解车间MES系统进行信息交互。
3横梁结构的有限元分析
横梁的结构确定后，为了确保结构的合理性，对横梁结构进行分析计算，本文采用有限元分析的方法进行计算。有限元分析（ＦＥＡ）是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是一种求解边值或初值问题，建在待定场函数离散化基础上的一种数值方法。目前，通用的有限元分析软件主要有：ＬＵＳＡＳ、ＮＡＳＴＲＡＮ、ＡＮＳＹＳ、ＡＬＧＯＲ、ＡＢＡＱＵＳ等，其中ＡＮＳＹＳ是应用最为广泛的大型通用有限元分析软件。ＡＮＳＹＳ软件具有建模简单、快速、方便的特点，是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的分析软件。它能与大多数ＣＡＤ软件接口，实现数据共享和交换，如Ｎａｓｔｒａｎ，Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ，Ｉ－Ｄｅａｓ，ＡｕｔｏＣＡＤ等，是高级的ＣＡＤ／ＣＡＥ软件之一。ＡＮＳＹＳ分析软件主要由三个部分构成：前处理模块、求解模块和后处理模块。它巧妙地将有限元分析、计算机图形学和优化技术结合起来，是解决现代工程学问题必不可少的有力工具。因此，采用ＡＮ－ＳＹＳ软件对横梁结构进行有限元分析计算。
３．１ 模型建立
横梁采用箱型梁结构，由钢板焊接而成。工具小车横梁总长为８ ０３０ｍｍ，跨度７ ５００ｍｍ，高度６２０ｍｍ，上下盖板１４ｍｍ，腹板厚度为１０ｍｍ。根据实际模型结构进行几何建模，以实际截面对相应位置几何模型赋值。基于ＡｎｓｙｓＷｏｒｋｂｅｎｃｈ，采用实体ｓｏｌｉｄ１８７实体单元建立回转支承有限元网格模型。总节点数１８８ １２２，单元数５７ ４６０，
３．２ 施加约束及载荷
根据横梁实际工作情况，考虑实际回转横梁结构形式，横梁的一端仅释放在垂直平面内的旋转自由度（本模型为ＲｏｔＸ）；另一端释放垂直平面内的旋转和沿横梁长度方向移动这２个自由度（本模型为ＲｏｔＸ和ＵＹ）。当工具小车料仓满载，出铝卷扬装置满载３２ｔ时，横梁所受载荷及变形最大，因此以横梁处于该状态时，对横梁进行相应大小载荷施加。已知回转上支撑自重９７０ｋｇ，回转下支撑自重１ ６８０ｋｇ，横梁自重２ ０３０ｋｇ，主回转支承自重１ ６８０ｋｇ，出铝卷扬装置重１２ ２７０ｋｇ，四项工具及液压系统的重量。计算静刚度及静强度时，回转支承自重及吊重作为载荷考虑以力的方式施加于相应位置。
结语
近三十年铝冶炼技术的发展，基本只在于电流和槽型的不断加大，在节能和环保方面取得了巨大成效，但对于操作技术，则一直没有突破性发展。目前国内虽已开发出铝电解厂的MES系统，但由于装备自动化程度的限制，使得铝厂在迈向智能工厂时缺失了手和脚，提升铝电解多功能机组的智能化是目前各大电解铝企业的迫切要求。虽然面临本文提到的诸多难点，随着机器人技术、机器视觉等传感器技术及大通量无线通讯技术的发展，铝电解多功能机组的智能化研究已经可以提上日程，必将引领铝冶炼行业在绿色节能、安全环保、职业健康方面的技术水平。
参考文献
［１］ 张质文，虞和谦．起重机设计手册［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９８．
［２］ ＧＢ／Ｔ ３８１１－２００８起重机设计规范［Ｓ］．北京：中国标准出版社，２００８．
［３］ 宗志坚．ＣＡＤ／ＣＡＭ技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００１．
［４］ 陈育仪．工程机械优化设计［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９８７．
［５］ 刘惟信．机械最优化设计（第二版）［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９４．
［６］ 徐芝纶．弹性力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．