电解铝多功能起重机打壳机构机械故障原因分析
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第 ２ ４卷 第 ５期 ２ ０ １ ６年 ９月
河南机 电高等专 科学校学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｅ ｎ ａ ｎ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ
（Ｎ ）
＝
结构 产 生破坏 ，故对 于打壳 机构 而言 ，仅 仅 考虑静
粤＋ ＋
６ ４ Ｎ
载荷 的作 用 是不够 的 。
钎 杆 处 打 击 头 提 供 的最 大 打 击 力 ， 已 知
８ ０ ０ ０Ｎ
Ｉ 一 上连 杆重 ，Ｇ １ ． ＝ ９ ２ ｋ ｇ Ｇ 一 下 连杆重 ，百度文库￣ － ＝ ９ ２ ｋ ｇ Ｇ 一 同定架重 ， ＝ ７ ８ ｋ ｇ
， 一 摆动 油缸 推力 ，Ｆ￣ ＝ ８ ０ ３ ８ ４ Ｎ 钎杆 处受 到的外 力为
’
＝ １ ＋￣ ＝８ ０ ０ ０ ＋２ ９ ６１ ４＝３ ７ ６１ ４Ｎ
在钎杆 的下 表面 上添 加大 小 为 ３ ７ ６ １ ４ Ｎ的载荷 ， 载荷 方 向为垂 直下表 面 。
图 ４ 机 构 等 效 应 力 图
Ｖｏ１ ． ２４ Ｎｏ． ５ Ｓｅ ｐｔ． ２ ０１ ６
电解铝 多功 能起重机打 壳机构 机械 故障原 因分析
张 野 ，李 娜 ，朱绘 丽 ，安 林超 ，杨 用增
（ 河南工 学院 ，河 南 新 乡 ４ ５ ３ ０ ０ ３ ）
摘要 ：打 壳机 构是 电解 铝 多功 能起 重机 的重 要工作 机构 之 一 ，依 靠 高频率 的振 动将 黏 附在 电解槽 及 阳极碳
从静 力学 分析结 果 来看 ，如 果把 打壳 机构 所受
通 过等 效应 力图 ４可 以看 ｆ Ｉ ｊ ，在 ＿ ｒ 况 ２的情况 下． 最 大应 力出现 在下 连杆 与 同定 架连 接 的销轴 上 ， 最 大应 力为 ２ １ １ ． ６ ８ ＭＰ ａ 。其 他 主要 的零 件及 最 大应
块周 围 的结 壳打 碎 。它 的这种 工作特 点使 它 的结构和 零件 在高 频振 动时产 生共振 ，引起磨 损 以及 疲 劳破 坏
目前对其 研 究大 多仅停 留在 简单 的 外形设 计 和静 力学校 核 阶段 ，这 阻碍 了该机 构性 能的进 一步提 升 ，文 章 采用 有 限元方 法对打 壳机构 模 态特性 进行研 究 ，为其 结构 改进提供 了参考 和依 据 。
关键 词 ：电解铝 ；打 壳机构 ；模 态特 性； 电解铝 多功 能起 重机 ； 故障
中图 分类 号 ：Ｔ Ｈ２ １ ８ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：ｌ ０ ０ ８ — ２ ０ ９ ３ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ５ — ０ ０ １ ２ — ０ ４
０ 引 言
打壳 机构是 电解 铝多功 能起 重机 的重要 工作 机 构之 一 ，依靠 高频率 的振 动将 黏附在 电解槽 及 阳极 碳块 周 围的结壳 打碎 。 目前 打壳 机构 的结构 型式 为 四连 杆打 壳机构 （ 见图 １ ｏ打壳 机构 的工作 条件 恶 劣 ，经常 出现金 属结 构裂纹 、紧 固件 连接失 效 以及 液压 件密 封失效 等故 障 ，本 文将 分析 这些故 障产 生
模 型 ，然后利 用 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ 与 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 有
限 元 分 析 软 件 的 无 缝 连 接 ， 将 几 何 模 型 导 入 到 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ中 ，最终 建立机 构 的有 限元模 型
力 位 置 见 阁 ５和 图 ６ 。
到 的载荷 简化 为静载 荷 的话 ，得 到的应 力大小 不足
以使机 构 的零件 产生 破坏 ．而 作用 在打 壳机 构 上的
图 ２ 打 壳 机 构 有 限 元 模 型
图 ５ 上 连杆等 效 应力 图
图 ３ 机 构 受 力 图
１ ． ４ 静 力学分析 结 果
图 ６ 下 连杆 等效 应 力图
最终计 算所 得到 的机 构和 各主要 零 件的应 力火
小 及应 力 图见 图 ４所 示 ：
２ 打 壳机 构模 态分 析
（ 见图 ２ ） 。
最终 有限元模型共有 节点 ４ １ ６ １ ３ ８ 个 ，单 元
１ ２ ７ ９ ８ ４个 。
图 １ 四连杆 打壳机 构
１ ． ３ 打壳机构 所 受到 的载荷
打 壳机构 的钎 杆处受 到气 动打 击头提 供 的打击
力 以及 四连 杆各零 件 自重 以及 摆动 油缸所 产生 的压 紧力 ，其受力 图为图 ３ 所示 ：
的原 因并 提 出改 进意 见 。
进行 静力 学分析 。 １ １ 打 壳机构 的相关 参数
打壳 机构 的基本 参数 见表 １ 。
表 １ 打 壳 机 构 的 部 分 技 术 参 数
１ 。 ２ 打壳机 构有 限元模 型 的建立
首 先采 用 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ ２ ０ １ ４建立 机构 的三 维几何
ｌ ２
张野 ，等 ：电解铝 多功 能起 重机 打壳 机构机械故障原 分析
式中 ， 一 钎杆 处受 到的外 力 （ Ｎ）
一
根据 分 析结果 来 看 ，静 载 荷使 机构所 产 生的最
大 应力 小于材 料 的屈 服极 限 ，不足 以使机 构 的金属
连 杆 自重 、油缸 推 力折 合在 钎 杆处 的外 力
Ｆ ＝ｎ Ｆ０
１ 打 壳机构 的静 力学分 析
由于机 构 的金 属结 构部分 常 出现裂 纹故 障 ，为 了校核 打壳 机构静 强度 是否 满足要 求 ，首先 对机构
收稿 日期 ：２ ０ １ ６ — ０ ６ — ２ ５
作者 简 介 ：张 野 （ １ ９ ８ １ 一 ），男 ，黑 龙江佳 木 斯人 ，工 程师 ，硕 士 ，主要从 事起 重机 设计研 究 。
河南机 电高等专 科学校学报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｈｅ ｎ ａ ｎ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ
（Ｎ ）
＝
结构 产 生破坏 ，故对 于打壳 机构 而言 ，仅 仅 考虑静
粤＋ ＋
６ ４ Ｎ
载荷 的作 用 是不够 的 。
钎 杆 处 打 击 头 提 供 的最 大 打 击 力 ， 已 知
８ ０ ０ ０Ｎ
Ｉ 一 上连 杆重 ，Ｇ １ ． ＝ ９ ２ ｋ ｇ Ｇ 一 下 连杆重 ，百度文库￣ － ＝ ９ ２ ｋ ｇ Ｇ 一 同定架重 ， ＝ ７ ８ ｋ ｇ
， 一 摆动 油缸 推力 ，Ｆ￣ ＝ ８ ０ ３ ８ ４ Ｎ 钎杆 处受 到的外 力为
’
＝ １ ＋￣ ＝８ ０ ０ ０ ＋２ ９ ６１ ４＝３ ７ ６１ ４Ｎ
在钎杆 的下 表面 上添 加大 小 为 ３ ７ ６ １ ４ Ｎ的载荷 ， 载荷 方 向为垂 直下表 面 。
图 ４ 机 构 等 效 应 力 图
Ｖｏ１ ． ２４ Ｎｏ． ５ Ｓｅ ｐｔ． ２ ０１ ６
电解铝 多功 能起重机打 壳机构 机械 故障原 因分析
张 野 ，李 娜 ，朱绘 丽 ，安 林超 ，杨 用增
（ 河南工 学院 ，河 南 新 乡 ４ ５ ３ ０ ０ ３ ）
摘要 ：打 壳机 构是 电解 铝 多功 能起 重机 的重 要工作 机构 之 一 ，依 靠 高频率 的振 动将 黏 附在 电解槽 及 阳极碳
从静 力学 分析结 果 来看 ，如 果把 打壳 机构 所受
通 过等 效应 力图 ４可 以看 ｆ Ｉ ｊ ，在 ＿ ｒ 况 ２的情况 下． 最 大应 力出现 在下 连杆 与 同定 架连 接 的销轴 上 ， 最 大应 力为 ２ １ １ ． ６ ８ ＭＰ ａ 。其 他 主要 的零 件及 最 大应
块周 围 的结 壳打 碎 。它 的这种 工作特 点使 它 的结构和 零件 在高 频振 动时产 生共振 ，引起磨 损 以及 疲 劳破 坏
目前对其 研 究大 多仅停 留在 简单 的 外形设 计 和静 力学校 核 阶段 ，这 阻碍 了该机 构性 能的进 一步提 升 ，文 章 采用 有 限元方 法对打 壳机构 模 态特性 进行研 究 ，为其 结构 改进提供 了参考 和依 据 。
关键 词 ：电解铝 ；打 壳机构 ；模 态特 性； 电解铝 多功 能起 重机 ； 故障
中图 分类 号 ：Ｔ Ｈ２ １ ８ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：ｌ ０ ０ ８ — ２ ０ ９ ３ （ ２ ０ １ ６ ） ０ ５ — ０ ０ １ ２ — ０ ４
０ 引 言
打壳 机构是 电解 铝多功 能起 重机 的重要 工作 机 构之 一 ，依靠 高频率 的振 动将 黏附在 电解槽 及 阳极 碳块 周 围的结壳 打碎 。 目前 打壳 机构 的结构 型式 为 四连 杆打 壳机构 （ 见图 １ ｏ打壳 机构 的工作 条件 恶 劣 ，经常 出现金 属结 构裂纹 、紧 固件 连接失 效 以及 液压 件密 封失效 等故 障 ，本 文将 分析 这些故 障产 生
模 型 ，然后利 用 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ 与 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 有
限 元 分 析 软 件 的 无 缝 连 接 ， 将 几 何 模 型 导 入 到 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ中 ，最终 建立机 构 的有 限元模 型
力 位 置 见 阁 ５和 图 ６ 。
到 的载荷 简化 为静载 荷 的话 ，得 到的应 力大小 不足
以使机 构 的零件 产生 破坏 ．而 作用 在打 壳机 构 上的
图 ２ 打 壳 机 构 有 限 元 模 型
图 ５ 上 连杆等 效 应力 图
图 ３ 机 构 受 力 图
１ ． ４ 静 力学分析 结 果
图 ６ 下 连杆 等效 应 力图
最终计 算所 得到 的机 构和 各主要 零 件的应 力火
小 及应 力 图见 图 ４所 示 ：
２ 打 壳机 构模 态分 析
（ 见图 ２ ） 。
最终 有限元模型共有 节点 ４ １ ６ １ ３ ８ 个 ，单 元
１ ２ ７ ９ ８ ４个 。
图 １ 四连杆 打壳机 构
１ ． ３ 打壳机构 所 受到 的载荷
打 壳机构 的钎 杆处受 到气 动打 击头提 供 的打击
力 以及 四连 杆各零 件 自重 以及 摆动 油缸所 产生 的压 紧力 ，其受力 图为图 ３ 所示 ：
的原 因并 提 出改 进意 见 。
进行 静力 学分析 。 １ １ 打 壳机构 的相关 参数
打壳 机构 的基本 参数 见表 １ 。
表 １ 打 壳 机 构 的 部 分 技 术 参 数
１ 。 ２ 打壳机 构有 限元模 型 的建立
首 先采 用 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ ２ ０ １ ４建立 机构 的三 维几何
ｌ ２
张野 ，等 ：电解铝 多功 能起 重机 打壳 机构机械故障原 分析
式中 ， 一 钎杆 处受 到的外 力 （ Ｎ）
一
根据 分 析结果 来 看 ，静 载 荷使 机构所 产 生的最
大 应力 小于材 料 的屈 服极 限 ，不足 以使机 构 的金属
连 杆 自重 、油缸 推 力折 合在 钎 杆处 的外 力
Ｆ ＝ｎ Ｆ０
１ 打 壳机构 的静 力学分 析
由于机 构 的金 属结 构部分 常 出现裂 纹故 障 ，为 了校核 打壳 机构静 强度 是否 满足要 求 ，首先 对机构
收稿 日期 ：２ ０ １ ６ — ０ ６ — ２ ５
作者 简 介 ：张 野 （ １ ９ ８ １ 一 ），男 ，黑 龙江佳 木 斯人 ，工 程师 ，硕 士 ，主要从 事起 重机 设计研 究 。