引言

輸送帶擁有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于礦物、貨物等的運輸行業(yè)。目前,礦物開采行業(yè)的輸送裝置大多為帶式輸送機。同步電機一般使用永磁體式轉(zhuǎn)子,相較于異步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加簡單。同步電機功率密度高于異步電機,因而更容易實現(xiàn)小型化:同步電機轉(zhuǎn)速容易調(diào)節(jié),因而可以縮減控制成本:同步電機低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,更符合礦山用機械的使用環(huán)境,可以延長相關(guān)設(shè)備壽命。基于以上優(yōu)點,帶式輸送機中越來越多地使用同步電機取代異步電機。

同步電機一般使用支架固定于輸送帶兩端,作為主要的支撐部件,支架設(shè)計的好壞直接決定了電機穩(wěn)定與否,可見優(yōu)良的支架設(shè)計方案的重要性。目前,關(guān)于支架設(shè)計,主要依靠經(jīng)驗和傳統(tǒng)方法,已經(jīng)不能適應(yīng)時代的發(fā)展,因而需要引入現(xiàn)代化的設(shè)計方法及工具。國內(nèi)學(xué)者對現(xiàn)代方法及工具的研究現(xiàn)已取得了較多成果:顧穎等人利用ANSYS推算出DEHSM參數(shù)的求解方法,對雙橢球熱源模型進行了優(yōu)化:陶征等人利用有限元分析軟件對加工中心底座進行了分析,優(yōu)化了其支撐結(jié)構(gòu),使其性能大幅提升:湯偉達等人對硬盒包裝機組推手進行了優(yōu)化設(shè)計,使其使用壽命得到了很大的提升:孫倫業(yè)等人在有限元基礎(chǔ)上,基于拓撲優(yōu)化方法建立多目標優(yōu)化函數(shù),對機床部件進行了優(yōu)化設(shè)計。

本文首先對漳村礦現(xiàn)有的皮帶輸送機用同步電機支架進行形狀和結(jié)構(gòu)改變,并在此基礎(chǔ)上對其進行拓撲優(yōu)化,去除不必要的部位,在不降低強度的前提下降低支架的質(zhì)量,為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。

1結(jié)構(gòu)形狀改變

電機支架的設(shè)計需要考慮成本、強度及安裝方便等因素。目前大多數(shù)支架均使用板材沖壓而成,在電機機殼之上預(yù)留出相應(yīng)的安裝螺釘孔,然后將安裝腳與機殼用螺釘緊固為一體,再對整機進行安裝。這種方式較為便宜且操作簡便。

本文所述電機支架使用鋼材折彎獲得,材質(zhì)為3mm厚的SPCC鋼板(又稱SPCC3)。SPCC鋼材以其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和低廉的價格獲得了廣泛的應(yīng)用,其密度為7850kg/m3,楊氏模量為205GPa,泊松比為0.3。

在初始設(shè)計中,支架采用平板直接沖壓而成,造型雖較為簡單,但輸送機長期處于碎石不間斷的沖擊中,這就導(dǎo)致支架的疲勞破損概率較高,因此需要對該支架的形狀進行一定的改良:在距側(cè)面7mm處沖壓出加強筋。這樣做沒有增加材料消耗,還能增加結(jié)構(gòu)強度。

支架在運行當中需要承受以下載荷:傳送帶頭尾兩臺電機的質(zhì)量、傳送帶本體的質(zhì)量、傳送帶輸送的煤礦石的質(zhì)量。每個傳送帶系統(tǒng)使用兩臺同步電機,每臺電機質(zhì)量約為25kg,因此電機總重為50kg:一條傳送帶上可以運送的煤礦石質(zhì)量約為180kg:輸送帶本體質(zhì)量約為20kg。因而支架總共的負載為250kg,即2500N。

以上載荷通過螺釘傳遞至支架,因而總的載荷應(yīng)該均分至每個通孔。每臺電機使用4個支架,每個支架上使用3個通孔,因而每個通孔承受的載荷為104.2N。

每個支架上開有一個安裝孔,安裝孔與機架連接,因而這部分在進行分析時應(yīng)視作固定不動。

為每個螺紋通孔加載104.2N垂直向下的力,將每個安裝孔均設(shè)置為固定約束:將結(jié)構(gòu)鋼板的密度、楊氏模量和泊松比賦予支架,進行網(wǎng)格劃分:網(wǎng)格劃分時將網(wǎng)格密度比例設(shè)置為100%,將邊角過渡設(shè)置為緩慢,將網(wǎng)格翹曲度設(shè)置為優(yōu)良,通過這些設(shè)置保證網(wǎng)格質(zhì)量可靠。以上設(shè)置完成之后進行結(jié)構(gòu)靜力分析,結(jié)果如圖1所示。

優(yōu)化之前支架受到的最大應(yīng)力為27.6MPa,形狀優(yōu)化之后支架受到的最大應(yīng)力為24.6MPa,形狀改變之后的支架受力相比改變前的支架小了3MPa,減小幅度為10.87%。SPCC3的屈服強度為300MPa,安全系數(shù)均大于10,結(jié)構(gòu)強度足夠且余量較大,因而可以適當進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

2拓撲優(yōu)化及對比

Shape0ptimization為ANSYS平臺下專門進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的功能模塊。該模塊可以在靜力分析的基礎(chǔ)上尋找出結(jié)構(gòu)上多余的部位,將多余部位高亮顯示,方便使用者快速進行識別[5-6]。

將上文形狀優(yōu)化之后的支架導(dǎo)入Shape0ptimization平臺中,為每個螺紋通孔加載104.2N垂直向下的力,將安裝孔均設(shè)置為固定約束,將結(jié)構(gòu)鋼板的密度、楊氏模量和泊松比賦予支架,進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分設(shè)置及參數(shù)必須與上文一致,以保證對比可靠。

物體的質(zhì)量與體積成正比,因而在計算設(shè)置時當將優(yōu)化目標設(shè)置為體積減少60%,計算完成得出形狀拓撲優(yōu)化云圖,結(jié)果如圖2所示。

圖2形狀拓撲優(yōu)化云圖

圖2中,深灰色顯示的部分為受力較小、可以去除的部分,這部分可結(jié)合工藝成本等考慮進行適當刪除:淺灰色部分為主要承載部位,這部分必須保留。根據(jù)圖2,并考慮加工工藝對支架進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,適當去除深灰色多余部位即可達到輕量化設(shè)計的目的。

對優(yōu)化之后的支架再次進行靜力分析:為每個通孔加載104.2N垂直向下的力,將安裝孔均設(shè)置為固定約束,將形狀優(yōu)化前后的支架均設(shè)置為上文相同的材質(zhì),進行網(wǎng)格劃分,設(shè)置及參數(shù)與上文保持一致。計算完成之后得到的應(yīng)力云圖如圖3所示。

由圖3可以看出:拓撲優(yōu)化之后的支架受到的最大應(yīng)力為24.9MPa,較拓撲優(yōu)化之前的支架增加0.3MPa,增加幅度為1.22%,可忽略不計。此時支架的質(zhì)量由47.1g降低至39.25g,降低幅度為16.67%?？梢?本次拓撲優(yōu)化是成功的。

圖3拓撲優(yōu)化后支架應(yīng)力云圖

3結(jié)論

本文對漳村礦的皮帶輸送機用同步電機支架進行了拓撲優(yōu)化,得到以下結(jié)果:

(1)通過對原始支架沖壓形狀進行適當改變,使支架受力減小3MPa,減小幅度為10.87%,支架質(zhì)量未增加:此時支架受到的最大應(yīng)力為24.6MPa,安全系數(shù)大于10,支架強度足夠。

(2)支架經(jīng)拓撲優(yōu)化之后受到的最大應(yīng)力為24.9MPa,較拓撲優(yōu)化之前的支架基本無增加:支架的質(zhì)量由47.1g降低至39.25g,降低幅度為16.67%。

本文為相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計研究提供了參考。