礦井提升機的動態(tài)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

孟忠良, 陳美麗

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礦井提升機的動態(tài)響應(yīng)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

孟忠良*1, 陳美麗2

(1. 棗莊學(xué)院 機電工程學(xué)院, 山東 棗莊, 277160; 2. 上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司, 上海, 200125)

根據(jù)有限元方法運用有限元分析軟件Nastran建立單繩單筒纏繞式礦井提升機模型, 并以軸承底座、主軸和左、右兩個支輪作為優(yōu)化對象進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析. 在保證零件的強度和剛度要求下, 每個零件的質(zhì)量均有所降低, 為該零件的輕量化設(shè)計提供了參考依據(jù).

礦井提升機; 動態(tài)響應(yīng); 軸承底座; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

礦井提升機在工作時, 提升容器在井筒中做上下往返的周期性運動, 所以礦井提升機也會頻繁地啟動、換向、停止, 在此過程中, 有必要對礦井提升機中與卷筒相連接的鋼絲繩的瞬態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行分析[1—3], 因為與提升鋼絲繩直接相連的提升容器提升的可能是重物, 也有可能是操作人員, 因此一定要避免出現(xiàn)意外, 提前預(yù)測出意外出現(xiàn)時可能發(fā)生的情況. 在UGNX中進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析的步驟如圖1所示.

圖1 瞬態(tài)響應(yīng)流程圖

礦井提升機在工作時的提升速度和力學(xué)情況如圖2所示, 從圖2可以看出礦井提升機的工作周期中有6個階段的運行時間, 分別是0初加速度階段、1主加速階段、2等速階段、3主減速階段、4爬行階段和5抱閘停車階段.

針對礦井提升機在受迫運動的作用下結(jié)構(gòu)自身位移、應(yīng)力、速度、加速度和頻率等物理量的響應(yīng)情況, 在動力學(xué)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上, 結(jié)合動態(tài)響應(yīng)的理論知識, 采用瞬態(tài)頻率響應(yīng)功能[4—5], 運用UG Nastran解算器, 并考慮各種阻尼效應(yīng)的作用, 完成對單元結(jié)點相對于指定輸入節(jié)點處強迫運動的頻率響應(yīng)的評估, 并可繪出傳遞性曲線、瞬態(tài)激勵響應(yīng)曲線及單元動應(yīng)力變化曲線.

圖2 提升速度圖和力圖

1 礦井提升機的動態(tài)響應(yīng)分析

在UGNX高級仿真中提供了2種阻尼因子: 粘性阻尼和遲滯阻尼, 可以通過對這兩個參數(shù)的編輯, 模擬實際情況中的阻尼情況. 接著為了減少后續(xù)計算的計算規(guī)模, 可以將對后續(xù)動態(tài)響應(yīng)貢獻(xiàn)不大的模態(tài)抑制住, 不參與后續(xù)響應(yīng)的計算. 如本例中只有第3、6階模態(tài)在方向?qū)討B(tài)響應(yīng)的貢獻(xiàn)大, 其他的各階影響很小, 所以可將其他階的模態(tài)抑制住. 接下來就可以評估系統(tǒng)的傳遞性了, 即評估系統(tǒng)中1個或多個節(jié)點或單元相對于指定輸入節(jié)點處強迫運動的頻率響應(yīng)情況.

圖3 礦井提升機上3個節(jié)點的瞬態(tài)激勵響應(yīng)曲線

因為在分析時就已經(jīng)假設(shè)纏繞在卷筒上的鋼絲繩不會出現(xiàn)打滑的情況, 所以卷筒上的變化都會直接反映到鋼絲繩上. 為了分析的簡便, 本文就直接從卷筒上選取了3個節(jié)點作為分析對象. 此3個節(jié)點位置分別為: ①卷筒上連接鋼絲繩的區(qū)域; ②卷筒筒殼上的最大應(yīng)變位置出現(xiàn)的區(qū)域; ③卷筒的中點位置. 在選取時要注意此3個節(jié)點是在同一條水平線選取的. 又因為卷筒為一個軸對稱零件, 同時也是左右對稱零件, 所以此3個節(jié)點最能反映卷筒的情況, 比較具有代表性. 圖3即為上述3個節(jié)點的瞬態(tài)激勵響應(yīng)曲線, 在考慮各種阻尼作用的情況下, 當(dāng)主軸輸入一個加速度時, 各節(jié)點對此激勵的不同響應(yīng)情況. 從圖5中可以明顯看出, 第1個節(jié)點的響應(yīng)曲線即紅色的曲線較劇烈, 幅值最大, 緊接著第2個節(jié)點和第3個節(jié)點的幅值依次降低. 從圖中還可以看出此3個節(jié)點的主振幅差別較大, 慢慢地振蕩變化, 逐漸趨于一致. 即表示當(dāng)主軸上有一個激勵時, 鋼絲繩纏繞處的響應(yīng)最大, 中間最小, 響應(yīng)時第一階響應(yīng)值最大, 然后逐漸變小, 直至消失, 鋼絲繩也會跟隨著一起變化, 直至穩(wěn)定. 反之, 當(dāng)?shù)V井提升機工作時, 若鋼絲繩正好纏繞在卷筒的中部, 則此時卷筒中部的響應(yīng)最大, 兩側(cè)的響應(yīng)較小.

2 礦井提升機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

需要對卷筒、主軸、軸承底座以及左、右兩個支輪等零件做優(yōu)化分析, 用計算機進(jìn)行有限元優(yōu)化優(yōu)化設(shè)計的一般流程如圖4所示.

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一般流程示意圖

3 軸承底座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

軸承底座與軸承上蓋進(jìn)行配合, 工作時, 軸承底座與基礎(chǔ)梁用長螺栓連接在一起, 起到對礦井提升機的固定作用, 內(nèi)部裝載軸承與軸的配合,, 傳遞運動與載荷. 對軸承底座進(jìn)行優(yōu)化主要是在滿足剛度、強度要求的前提下, 通過改變某些設(shè)計參數(shù), 使得軸承底座模型的某一階固有頻率最大, 以達(dá)到避開共振的目的(圖5).

礦井提升機在工作時的模態(tài)為0～50 Hz, 而礦井提升機的固有頻率主要集中在20～60 Hz和180～210 Hz這個范圍內(nèi), 恰好會發(fā)生共振, 因此需要采取抑制共振的減振、消振措施.

圖5 軸承底座三維圖

在對軸承底座進(jìn)行優(yōu)化時, 優(yōu)化的目標(biāo)是整個模型的重量最小; 約束條件是在不改變模型網(wǎng)格劃分要求、邊界約束條件的前提下, 參考計算出的模態(tài)分析結(jié)果后確定的, 要求保證模型剛度安全裕度前提下, 模型的模態(tài)上下限分別為180 Hz、50 Hz. 設(shè)計變量為軸承底座下部的尺寸, 優(yōu)化時定義軸承底座下部軸方向尺寸范圍為: 300～350 mm.

圖6 軸承底座迭代尺寸變化曲線

在優(yōu)化時, 需要對模型設(shè)置材料參數(shù): 45號鋼. 因為此軸承底座在分析時主要以模態(tài)作為目標(biāo), 所以先采用103解算模塊, 計算出軸承底座的固有模態(tài), 以此確定優(yōu)化約束條件的基準(zhǔn)值; 優(yōu)化時, 設(shè)計變量可以采用經(jīng)驗來預(yù)判, 也可以借助軟件提供的全局靈敏度功能更加精確地判斷各個設(shè)計變量對設(shè)計目標(biāo)的敏感程度.

圖7 軸承底座優(yōu)化分析表格

優(yōu)化設(shè)計過程是一個不斷迭化的計算過程, 最終收斂于某個確定解, 每迭代一次模型會自動更新, 其中的迭代參數(shù)可以根據(jù)需要進(jìn)行修改. 在保證迭代精度和可靠收斂的前提下, 本實例設(shè)置迭代次數(shù)為10次, 這樣也有利于計算的時間(圖6和圖7).

4 礦井提升機上其他零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

按照同樣的步驟對主軸、支輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計, 分別對應(yīng)的迭代尺寸變化曲線及優(yōu)化分析表格如圖8、圖9及圖10、圖11所示. 主軸設(shè)計目標(biāo): 質(zhì)量最小; 約束條件: 頻率; 約束變量: 尺寸一初始值240, 上限245, 下限230; 尺寸二初始值175, 上限180, 下限160.

圖8 主軸迭代尺寸變化曲線

圖9 主軸優(yōu)化分析表格

右支輪設(shè)計目標(biāo): 質(zhì)量最小; 約束條件: 頻率上限80 Hz; 設(shè)計變量: 尺寸初始值132, 上限180, 下限125.

圖10 右支輪迭代尺寸變化曲線

圖11 右支輪優(yōu)化分析表格

左支輪的結(jié)構(gòu)與右支輪相同, 所以就不用再做分析.

5 結(jié)論

通過響應(yīng)分析可以針對特殊節(jié)點或特殊區(qū)域作單獨分析, 預(yù)測礦井提升機在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)意外情況時, 卷筒在外部情況忽然變化時可能發(fā)生的情況, 運用此方法還可進(jìn)一步預(yù)測鋼絲繩或者與鋼絲繩相連的提升容器可能出現(xiàn)的情況, 對意外的預(yù)防很有幫助. 以軸承底座、主軸以及左、右兩個支輪等零件作為優(yōu)化對象, 以重量最小作為優(yōu)化目標(biāo), 參照響應(yīng)分析的結(jié)果, 以模態(tài)、位移、應(yīng)力響應(yīng)的極限值作為約束條件, 以模型中某個特征尺寸或者草圖尺寸作為設(shè)計變量, 對各個零件進(jìn)行了優(yōu)化. 經(jīng)過優(yōu)化分析, 每個零件的質(zhì)量均有所降低, 但是仍能保證零件的強度和剛度要求, 這為該零件的輕量化設(shè)計提供了部分依據(jù). 此種方法為企業(yè)的產(chǎn)品改型提供新的改進(jìn)、校核和驗證的參考依據(jù).

[1] 陳美麗, 梅益, 劉喬英. 礦井提升機卷筒結(jié)構(gòu)有限元靜力及疲勞強度分析研究[J]. 煤礦機械, 2012(03): 95—97.

[2] 唐國祥, 武文輝, 王有益. 礦井提升機故障處理和技術(shù)改造[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2006: 25—46.

[3] 臧文周. 礦井提升機[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1993: 40—55

[4] 姚衛(wèi)星. 結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003: 101—112.

[5] 煤礦安全編委會. 煤礦安全規(guī)程實施手冊[M]. 北京: 當(dāng)代中國音像出版社, 2005: 93—115.

The dynamic response of the mine hoist and structure optimization analysis

MENG Zhong-liang, CHEN Mei-li

(1. School of Mechanical Engineering, Zaozhuang University School of Mechanical Engineering, Zaozhuang 277160, China; 2. Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd, Shanghai 200125, China)

With finite element method (FEM), a single rope-single tank intertwined type of mine hoist model is created on the basis of the software Nastran, and then a dynamic response analysis is conducted on the proposed model. On the premise of ensuring the strength and the stiffness, the bearing base, main shaft and the left and right sub-wheels are taken as the optimized objects. The numerical result demonstrates that the mass of each component is reduced respectively, which provides a practice guidance for the light weight design and development of the proposed model.

mine hoist; dynamic response; bearing base; structural optimization

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.04.011

TD 534

1672-6146(2013)04-0047-04

email: meng198512@126.com.

2013-10-22

(責(zé)任編校:劉剛毅)