大型搗固裝煤車搗固機(jī)機(jī)架的優(yōu)化及疲勞分析*

王 俊，王亞良*，寧曉斌，左 強(qiáng)，孫乃鑫

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024)

0 引 言

搗固煉焦是將松散的裝爐煤料用搗固機(jī)搗實(shí)成煤餅，這種煉焦技術(shù)能夠充分利用煤炭資源[1]。搗固機(jī)在搗固裝煤車中的主要作用是搗固過(guò)程中提升搗固錘到一定高度，然后搗固錘自由落體夯實(shí)煤粉，是搗固裝煤車的重要裝置[2]。

為提高大型搗固裝煤車的搗固效率，基于搗固過(guò)程有限元瞬態(tài)分析，元利昆等人[3]運(yùn)用HyperWorks的OptiStruct模塊對(duì)搗固裝煤車的煤箱進(jìn)行了尺寸的優(yōu)化，并使得煤箱實(shí)際減重比達(dá)到29%；王劍松等人[4]通過(guò)正交試驗(yàn)的方法對(duì)搗固錘質(zhì)量、搗固錘高度、搗固錘數(shù)量等搗固煤餅工藝參數(shù)進(jìn)行了選取，提升了搗固機(jī)的搗固效率；以煤粉為研究對(duì)象，鄭明東等人[5]通過(guò)選取最優(yōu)煤粉參數(shù)來(lái)降低配煤成本。但是通過(guò)降低搗固機(jī)機(jī)架重量來(lái)減少材料消耗與降低制造成本方面的研究相對(duì)較少。

在使用過(guò)程中，疲勞失效是實(shí)際結(jié)構(gòu)主要的失效方式之一[6]。BASQUIN O H[7]總結(jié)了材料的S-N曲線中應(yīng)力與疲勞循環(huán)數(shù)之間存在著雙對(duì)數(shù)線性關(guān)系；基于隨機(jī)循環(huán)載荷，王正等人[8]對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)；張劍波等人[9]對(duì)隨機(jī)載荷作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。以上分析對(duì)機(jī)架的疲勞分析有一定的指導(dǎo)作用，但是其載荷添加較為理想化。隨著計(jì)算機(jī)CAE技術(shù)的發(fā)展，使用相應(yīng)的軟件就能完成疲勞仿真分析[10-11]。在HyperWorks中，可以采用S-N(應(yīng)力-壽命)的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命分析[12]。

本文將對(duì)某國(guó)外公司設(shè)計(jì)的6.25 m搗固裝煤車搗固機(jī)機(jī)架重新進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，分析搗固機(jī)機(jī)架強(qiáng)度、位移，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的搗固機(jī)機(jī)架進(jìn)行疲勞分析。

1 搗固機(jī)多體動(dòng)力學(xué)分析

針對(duì)某6.25 m大型搗固裝煤車，其搗固機(jī)共有5組錘搗固機(jī)組，共34個(gè)搗固錘。筆者選取其中一組8錘搗固機(jī)組作為本文的研究對(duì)象。

基于UG繪制的三維模型如圖1所示。

圖1 搗固機(jī)三維模型圖

搗固機(jī)主要由機(jī)架、提錘裝置及搗固錘組成；凸輪軸與搗固機(jī)機(jī)架上的軸承座相連；凸輪外緣與搗固錘錘桿上的彈性片接觸,從而實(shí)現(xiàn)提錘和落錘。

搗固機(jī)多體動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 搗固機(jī)動(dòng)力學(xué)模型圖

基于UG建立的提錘裝置實(shí)體模型，本研究將搗固機(jī)機(jī)架、凸輪、凸輪軸、軸承座、搗固錘彈性片、搗固錘錘桿以及簡(jiǎn)化后的搗固錘導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中，在搗固錘下方添加幾何體模擬搗固的煤粉，添加各構(gòu)件之間的約束關(guān)系，并設(shè)置材料與重力場(chǎng)。本研究根據(jù)凸輪軸的轉(zhuǎn)速為60 r/min，在ADAMS中添加兩側(cè)凸輪軸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)分別為360*time和-360*time，其角位移在-180°與180°之間往復(fù)。

角位移曲線如圖3所示。

圖3 凸輪軸角位移曲線

凸輪外緣材料、搗固錘錘桿上摩擦片是兩種特殊材料，根據(jù)進(jìn)口商提供的接觸參數(shù)建立兩者的接觸，接觸參數(shù)如表1所示。

表1 凸輪外緣-彈性片接觸參數(shù)

本研究通過(guò)Impact與Coulomb分別定義其法向正壓力與提錘摩擦力。在搗固過(guò)程中，搗固錘會(huì)與煤粉碰撞，兩者接觸接近鋼和橡膠的接觸，通過(guò)Impact定義兩者的法向接觸。

接觸參數(shù)如表2所示。

表2 搗固錘-煤粉接觸參數(shù)

搗固機(jī)搗固錘的實(shí)際提升高度為500 mm。將凸輪外緣與彈性片的靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)、剛度系數(shù)分別設(shè)置為0.3，0.25和7 000 N/mm；搗固錘與煤粉的剛度系數(shù)與阻尼系數(shù)設(shè)置為2 855 N/mm和0.45。取仿真時(shí)間為30 s，步數(shù)為3 000進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

本研究在ADAMS中建立了相關(guān)的Measure函數(shù)，由于曲線基本重復(fù)以及為了圖示清晰，通過(guò)后處理繪制0～3 s內(nèi)C1～C8搗固錘的提錘高度曲線如圖4所示。

圖4 搗固錘高度曲線

圖4中仿真的提錘高度數(shù)值與實(shí)際提錘高度接近，由此驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。與軸承座的力-時(shí)間曲線如圖5所示。

圖5 軸承座力-時(shí)間曲線

圖5中，軸承座處Y方向與Z方向最大受力的時(shí)刻基本一致，為下一步搗固機(jī)機(jī)架的尺寸優(yōu)化與疲勞分析奠定了基礎(chǔ)。

2 搗固機(jī)機(jī)架有限元模型

2.1 有限元網(wǎng)格模型

基于圖1所建立搗固機(jī)三維模型圖，本研究將機(jī)架導(dǎo)入HyperMesh劃分網(wǎng)格,建立搗固機(jī)機(jī)架有限元網(wǎng)格模型，如圖6所示。

圖6 搗固機(jī)機(jī)架網(wǎng)格模型

2.2 載荷與約束

基于圖5的軸承座力-時(shí)間曲線，本研究將數(shù)據(jù)導(dǎo)出并得到搗固機(jī)機(jī)架軸承座在工作過(guò)程中的最大受力,并施加載荷如圖7所示。

本研究在HyperMesh中分別賦予軸承座Z方向9 950 N、11 000 N、10 700 N、10 500 N、10 500 N、10 500 N和Y方向4 490 N、5 880 N、4 300 N、4 490 N、4 920 N、5 210 N的力，重力加速度取9.8 m/s2。

機(jī)架的約束如圖8所示。

圖8 搗固機(jī)機(jī)架約束示意圖

機(jī)架是通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)上的4個(gè)輪子及固定裝置支撐在軌道上，輪子的剛性較大，其應(yīng)力與變形對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)影響較小。圖8通過(guò)在輪子中心建立剛性節(jié)點(diǎn)，并與兩側(cè)機(jī)架單元節(jié)點(diǎn)剛性連接。筆者對(duì)4個(gè)剛性節(jié)點(diǎn)施加六方向自由度的約束，使得機(jī)架得以固定。

3 搗固機(jī)機(jī)架尺寸優(yōu)化與分析

搗固機(jī)機(jī)架優(yōu)化三要素：目標(biāo)、約束條件和設(shè)計(jì)變量。本文以搗固機(jī)機(jī)架減重為目標(biāo)，將質(zhì)量最小化作為目標(biāo)函數(shù)。并根據(jù)企業(yè)要求設(shè)置最大應(yīng)力60 MPa和最大位移量0.5 mm作為優(yōu)化的約束條件。

搗固機(jī)機(jī)架尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 搗固機(jī)機(jī)架尺寸設(shè)計(jì)

本研究將搗固機(jī)機(jī)架4種不同厚度的鋼板尺寸設(shè)置為優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，并創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量和板件厚度屬性相關(guān)聯(lián)，從而保證優(yōu)化后的鋼板厚度是一致。

“中國(guó)經(jīng)作看柑橘，全國(guó)柑橘看廣西，廣西柑橘看桂林?！睋?jù)統(tǒng)計(jì)，廣西柑橘種植面積高達(dá)600萬(wàn)畝，其中桂林柑橘的種植面積高達(dá)全區(qū)的三分之一。在柑橘面積和產(chǎn)量雙高的背景下，提高柑橘的品質(zhì)成為農(nóng)民和農(nóng)資企業(yè)共同關(guān)注的話題。

本研究運(yùn)用有限元軟件HyperWorks的OptiStrict模塊進(jìn)行尺寸優(yōu)化和強(qiáng)度分析。在進(jìn)行30個(gè)迭代步后得到優(yōu)化結(jié)果。

3.1 搗固機(jī)機(jī)架尺寸優(yōu)化

優(yōu)化前后的鋼板厚度分布圖如圖9所示。

優(yōu)化前最大鋼板厚度為40 mm，最小鋼板厚度為14 mm；優(yōu)化后的最大鋼板厚度為21.8 mm，最小鋼板厚度為6.2 mm。

優(yōu)化前后的鋼板厚度變化如表4所示。

優(yōu)化后的搗固機(jī)機(jī)架各部鋼板厚度都有所下降。機(jī)架連接處鋼板厚度減小明顯，而上部、中部和下部鋼板厚度減小較少。通過(guò)搗固機(jī)機(jī)架的尺寸優(yōu)化使得機(jī)架質(zhì)量由6.277 t減小至3.705 t，減重比達(dá)到41%，減重后的機(jī)架能減輕支撐平臺(tái)的負(fù)重。

圖9 機(jī)架優(yōu)化前后鋼板厚度分布圖

項(xiàng)目原始值/mm優(yōu)化值/mm上部機(jī)架厚度146.2中部機(jī)架厚度169.3下部機(jī)架厚度2014.6機(jī)架連接處厚度4021.8

3.2 搗固機(jī)機(jī)架位移分析

優(yōu)化前后的機(jī)架位移云圖如圖10所示。

圖10 機(jī)架優(yōu)化前機(jī)架位移云圖

由圖10可知：機(jī)架最大位移量均出現(xiàn)在搗固機(jī)機(jī)架最頂部。機(jī)架的最大位移量由0.223 mm增加到0.451 mm。尺寸優(yōu)化后的搗固機(jī)機(jī)架滿足企業(yè)最大位移量不超過(guò)0.5 mm的使用要求，位移分布也更加合理。

3.3 搗固機(jī)機(jī)架強(qiáng)度分析

優(yōu)化前后的搗固機(jī)機(jī)架應(yīng)力云圖如圖11所示。

圖11 機(jī)架優(yōu)化前后機(jī)架應(yīng)力云圖

在受力最大的工況下，機(jī)架在未優(yōu)化前的最大應(yīng)力為30 MPa，低于鋼板的許用應(yīng)力；優(yōu)化后的機(jī)架的最大應(yīng)力達(dá)到59.8 MPa，依然能達(dá)到足夠的安全系數(shù)。比較優(yōu)化前后的應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)：在保證足夠的安全系數(shù)下，優(yōu)化后搗固機(jī)機(jī)架的應(yīng)力分布更加均勻，且沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

優(yōu)化后的機(jī)架在保證搗固機(jī)提錘裝置正常工作所需的位移條件與強(qiáng)度要求下，過(guò)減小機(jī)架的鋼板厚度，可以有效地降低提錘裝置機(jī)架的重量(減重比達(dá)到41%)。減重后的搗固機(jī)機(jī)架減輕了支撐平臺(tái)的負(fù)重，達(dá)到了更好的經(jīng)濟(jì)性。

4 搗固機(jī)機(jī)架疲勞分析

搗固機(jī)機(jī)架優(yōu)化后的機(jī)架應(yīng)力主要集中在搗固機(jī)中部機(jī)架處，通過(guò)疲勞分析來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化后的機(jī)架是否具有足夠的可靠性。應(yīng)力-壽命方法可以很好地計(jì)算結(jié)構(gòu)在受到彈性變形范圍內(nèi)的循環(huán)載荷作用下的疲勞壽命。

基于機(jī)架的尺寸優(yōu)化結(jié)果并重新選擇鋼板厚度，如表5所示。

表5 搗固機(jī)機(jī)架尺寸重選結(jié)果

筆者通過(guò)HyperMesh重新定義鋼板厚度，對(duì)每個(gè)軸承座施加X(jué)方向和Y方向的單位載荷，并且每個(gè)分力對(duì)應(yīng)一個(gè)載荷步。由于搗固機(jī)機(jī)架對(duì)稱的關(guān)系，共建立了12個(gè)載荷步。本研究運(yùn)用HyperWorks的RADIOSS模塊進(jìn)行靜力學(xué)分析。

基于HyperWorks進(jìn)行的機(jī)架靜力學(xué)分析結(jié)果文件(fem文件)以及在ADAMS中進(jìn)行的搗固機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真分析，筆者得到了載荷譜，通過(guò)定義材料Q235-A的極限抗拉強(qiáng)度為建立材料S-N曲線，計(jì)算搗固機(jī)機(jī)架的疲勞壽命。

機(jī)架疲勞的損耗云圖和壽命云圖如圖12所示。

圖12 機(jī)架損耗云圖與壽命云圖

由圖12可知：機(jī)架在工作過(guò)程中的損耗主要集中在中間機(jī)架的支撐部位，該位置和靜力學(xué)分析最大應(yīng)力的部位一致，容易得出該部位容易發(fā)生疲勞破壞；搗固機(jī)機(jī)架的疲勞壽命是3.1E6,按照每天使用8 h，每年工作300天換算得到機(jī)架在10年后發(fā)生疲勞損壞((3.1×106×30)/(60×60×8×300)=10年)，結(jié)果滿足使用可靠性要求。

綜上所述，對(duì)比優(yōu)化前后的搗固機(jī)機(jī)架，機(jī)架連接處厚度的變化最大，可通過(guò)減小鋼板厚度使機(jī)架減重；搗固機(jī)機(jī)架的上部和下部鋼板在工作過(guò)程中存在較大的位移，優(yōu)化后機(jī)架的位移依舊滿足企業(yè)使用要求。對(duì)比優(yōu)化前后的應(yīng)力云圖，應(yīng)力主要集中在中部鋼板區(qū)域，最容易發(fā)生疲勞破壞的也是機(jī)架的中部鋼板，應(yīng)考慮在應(yīng)力較為集中的區(qū)域相應(yīng)增加鋼板厚度或在結(jié)構(gòu)方面的進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)搗固機(jī)機(jī)架的尺寸優(yōu)化與疲勞壽命研究，本研究具體步驟及結(jié)果如下：

(1)本研究在ADAMS中創(chuàng)建了多體動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)方法研究了搗固機(jī)提錘與落錘工況的可行性；

(2)本研究采用有限元法對(duì)搗固機(jī)機(jī)架進(jìn)行了尺寸優(yōu)化，在位移、強(qiáng)度和疲勞耐久性滿足企業(yè)使用的前提下，優(yōu)化后的機(jī)架重量明顯下降；

(3)基于機(jī)架尺寸優(yōu)化的結(jié)果，為搗固機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。