礦用扒渣機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂拓?fù)鋬?yōu)化

田啟華 趙厚權(quán)

（三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

礦用扒渣機(jī)廣泛地應(yīng)用于隧洞挖掘、礦山工程、水利工程等.近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)建設(shè)的快速發(fā)展，礦用扒渣機(jī)的需求量越來(lái)越大［1］，對(duì)扒渣機(jī)的性能要求越來(lái)越高，轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)的加入大大提高了礦車(chē)的運(yùn)渣效率.轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂則決定著礦車(chē)的數(shù)量，從而影響著整個(gè)除渣系統(tǒng)的效率.

1 轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂分析

扒渣機(jī)扒渣方式是通過(guò)挖斗將礦渣扒到刮板槽內(nèi)，然后刮板槽轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)將礦渣轉(zhuǎn)送到礦車(chē)內(nèi)，但是由于礦車(chē)是在特定軌道上運(yùn)行，一次只能一輛礦車(chē)在軌道上運(yùn)行，因此扒渣效率不高.為了彌補(bǔ)扒渣機(jī)的這一不足，相繼出現(xiàn)了很多轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu).加入轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)的扒渣機(jī)系統(tǒng)如圖1所示，通過(guò)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)可以同時(shí)使得3輛礦車(chē)在礦道上運(yùn)行，從而可以大大提高單位時(shí)間礦車(chē)的運(yùn)渣量［2］.

圖1 加入轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)的扒渣機(jī)總圖

扒渣機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂模型如圖2所示，扒渣機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)的總體長(zhǎng)度為8 166mm，其中支撐懸臂長(zhǎng)度為6 888mm，支撐懸臂相對(duì)底面高度為1 500mm，整個(gè)機(jī)懸臂采用材料為45號(hào)鋼，支撐懸臂為桁架結(jié)構(gòu).由于懸臂的載荷較大且長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，在工作中會(huì)出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)破壞，塑性變形等問(wèn)題，本文擬對(duì)支撐懸臂進(jìn)行有限元分析及結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，研究出一種新型的懸臂結(jié)構(gòu).

圖2 桁架結(jié)構(gòu)的支撐懸臂示意圖

對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)的支撐懸臂，質(zhì)量為m，自重為G0，其支撐的渣大多為煤渣和碎花崗巖，由于花崗巖密度大于煤渣，將渣按花崗巖計(jì)算，重量為G1，施加在支撐懸臂的載荷N為［3］：

在ANSYS建模過(guò)程如圖3所示，選擇的單元類(lèi)型為Solid 95，選擇自動(dòng)劃分網(wǎng)格方式，網(wǎng)格數(shù)量為65 213個(gè)，在N區(qū)域內(nèi)施加0.0857MPa載荷，約束加載在M處，為全約束.分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 ANSYS建模過(guò)程圖

從圖4可以看到，桁架結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂所受最大應(yīng)力為344MPa，在C區(qū)與D區(qū)；大部分應(yīng)力在E區(qū)與F區(qū)，應(yīng)力在100～200MPa左右，應(yīng)力分布均勻.形變最大值為71mm，其整個(gè)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)相對(duì)于地面為1 500mm，模型基本合理.

圖4 桁架結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂ANSYS分析圖

2 扒渣機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)懸臂拓?fù)鋬?yōu)化

桁架結(jié)構(gòu)基本滿足了靜力學(xué)要求，但是在扒渣機(jī)正常工作時(shí)支撐懸臂形變很大，現(xiàn)基于SIMP插值方法建立如式（2）所示的懸臂結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化模型［4］.

式中，x為設(shè)計(jì)變量，即懸臂結(jié)構(gòu)中所有單元的相對(duì)密度，xe為單元相對(duì)密度，C（x）為結(jié)構(gòu)的柔度，F(xiàn)為懸臂結(jié)構(gòu)所受外載荷，U為懸臂結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移，K為懸臂結(jié)構(gòu)所有網(wǎng)格整體剛度矩陣，ue為單元位移矩陣，k0為單元?jiǎng)偠?，V（x）是在設(shè)計(jì)變量狀態(tài)下的懸臂結(jié)構(gòu)最后保留的有效體積，V0是在設(shè)計(jì)變量取1狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)有效體積，f為懸臂結(jié)構(gòu)體積系數(shù)，Xmax為單元設(shè)計(jì)變量上限（這里取1），Xmin為單元設(shè)計(jì)變量下限，p為懲罰因子［5］，xei為迭代i步的單元密度.

現(xiàn)采用SoildThinking Inspire軟件，以柔度最小為目標(biāo)，以體積、應(yīng)力為約束，對(duì)扒渣機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，使得支撐懸臂剛度最大.優(yōu)化初始條件即所有單元密度為1，體積減小量為30%（減小到30%時(shí)優(yōu)化目標(biāo)的質(zhì)量達(dá)到m）經(jīng)過(guò)34步迭代得到最后結(jié)果，此時(shí)如式（3）

收斂，得到優(yōu)化結(jié)果如圖5所示.

圖5 轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化圖

圖6 轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型重構(gòu)圖

由于拓?fù)鋬?yōu)化模型表面粗糙，對(duì)其在Pro／E軟件中進(jìn)行模型重構(gòu)，重構(gòu)的模型如圖6所示.

對(duì)重構(gòu)模型在ANSYS軟件下分析，施加相同載荷，應(yīng)力與形變圖如圖7所示.

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化模型ANSYS分析圖

圖7與圖4比較可以看出拓?fù)鋬?yōu)化模型的最大應(yīng)力從344MPa減小到297MPa，應(yīng)力分布更均勻，形變量從71mm減小到42mm.在質(zhì)量m下拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于桁架結(jié)構(gòu).

3 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)現(xiàn)有扒渣機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)工作時(shí)支撐懸臂出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)有限元分析，對(duì)扒渣機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂結(jié)構(gòu)由桁架結(jié)構(gòu)到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，得出剛度最大的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)扒渣機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)支撐懸臂力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)桁架結(jié)構(gòu).

［1］ 姬云龍.裝載機(jī)振動(dòng)性能研究及優(yōu)化［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

［2］ 李富柱，董廣強(qiáng)，徐 勇.基于Pro／E環(huán)境下礦用裝載機(jī)工作裝置動(dòng)臂的有限元分析［J］.煤礦機(jī)械，2008，29（1）：75－76.

［3］ 李 璇.礦用裝載機(jī)的仿真優(yōu)化及有限元分析［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

［4］ 李凌飛.基于變密度法的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

［5］ 劉志強(qiáng)，王明強(qiáng).基于SIMP拓?fù)鋬?yōu)化理論的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，20（1）：65－68.