搗固機機架的力學分析研究

樊海蓮

（太原重工股份有限公司技術中心， 山西 太原 030024）

搗固機工作于焦爐機側煤塔搗固站內，主要功能是在搖動給料機及裝煤車配合下，將配好的原料煤在裝煤車上搗固成煤餅。

操作環(huán)境：多粉塵、機身震動強烈。

搗固機由機架、齒輪傳動箱、提錘凸輪機構、搗固錘、安全鉤裝置、導向輪、輪組裝置、護罩等組成。機架是搗固機的主體骨架，其他各機構都安裝于機架上，機架的結構和強度對搗固機的正常運行有著很大的影響，對其進行結構強度分析，進行優(yōu)化設計，可以使搗固機獲得更好的經濟性。本文以6.25 m搗固機八錘搗固單元機架為研究對象，用有限元分析軟件對機架進行了結構分析，為提高搗固機的安全性、可靠性提供了保證[1]。

1 搗固機機架有限元結構強度分析

搗固機機架由上機架、支撐平臺、下機架組成。下頁圖1為搗固機架受力模型圖。搗固機提錘過程中，凸輪所受到的提錘摩擦力反力與法向正壓力反力通過凸輪軸作用于搗固機機架上。圖1中f為搗固錘對機架切向作用力，R為搗固錘對機架法向作用力，它們通過凸輪軸傳遞至搗固機架上，F(xiàn)N為平臺對搗固機架的支持力，在搗固過程中這三種力都是不斷變化的動態(tài)力，G為機架自身質量。

1）網格劃分。機架的主體部分為各種鋼板焊接而成，其尺寸特點為兩個方向的尺寸遠大于厚度方向的尺寸，因此采用殼單元來模擬機架的結構，將機架三維模型導入HyperMesh中，對機架結構抽取中面，然后對機架面體進行縫隙的縫合，幾何特征的修補，將機架平面劃分成多個簡單的面結構以利于網格劃分。軸承座為實體結構，其結構特征為：由一個平面拉伸而成。因此利用HyperMesh三維網格劃分中的elem offset子面板對其進行網格劃分。機架殼單元與軸承座實體單元通過共節(jié)點的方式連接，以實現(xiàn)力的傳遞。機架殼單元類型選為CQUAD4，軸承座實體單元類型選為CQUAD8。此次分析為最大載荷狀態(tài)下的機架靜力學結構強度，仿真計算時間較短，因此采用較小的網格尺寸達到提高求解精度的要求，結合結構尺寸特點將網格尺寸設為10 mm。

2）約束。機架是通過支撐結構上的4個輪子及固定裝置支撐在軌道上，輪子剛性較大，其應力及變形狀態(tài)對機架的結構特性影響較小，忽略4個輪子變形。有限元建模中，通過在4個輪子位置中心處生成剛性節(jié)點，與兩側的機架單元節(jié)點剛性連接單元相連的方法來實現(xiàn)輪子的模擬[2]。約束剛性節(jié)點，就能實現(xiàn)機架在裝煤車上的約束，對4個剛性節(jié)點施加6個方向自由度的約束。

3）載荷。提錘摩擦力反力與法向正壓力反力通過軸傳遞至機架的軸承座，然后通過軸承座將力傳遞作用于機架上。在有限元軟件HyperMesh中，在各軸承座內圓弧面中心生成一個剛性節(jié)點，剛性節(jié)點與內圓弧面單元節(jié)點通過剛性單元連接，然后將外界載荷施加于剛性節(jié)點的方法來實現(xiàn)機架模型載荷的施加。

4）屬性賦予。根據(jù)機架材料為Q235A，機架各部分厚度不同，對機架各組成部分分別定義其厚度，其屬性卡片設置為Pshell，軸承座為實體，屬性卡片設置為Psolid。

下頁圖2為機架有限網格模型，機架施加約束與

載荷，提交HyperMesh的Radioss求解器進行求解。

圖1 機架受力模型圖

圖2 機架有限元模型

由圖3可以看出機架在施加約束區(qū)域、上機架與支撐平臺連接處、下機架與支撐平臺連接處的應力較大，由彈性力學可知，在剛性約束處、物體形狀急劇變化處、溝槽等區(qū)域會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，此應力云圖應力分布符合其特點，應力最大值為22.54 MPa。

圖3 機架應力云圖（MPa）

由圖4可以看出機架變形較大區(qū)域出現(xiàn)在上機架頂端區(qū)域、機架與支撐平臺的連接區(qū)域及下機架底端，這是由于摩擦力反力與正壓力反力作用于軸承座，使軸承座附近區(qū)域發(fā)生變形，上機架頂端與下機架底端由于離軸承座較遠，因此變形對其的影響較大，造成位移較大。最大位移出現(xiàn)在上機架頂端區(qū)域，為0.1842mm滿足機架最大位移小于1mm要求。

2 搗固機機架優(yōu)化設計

搗固機機架質量為6.28 t，其中上機架質量為2.92 t，下機架質量為1.56 t，中部平臺機架質量為1.8 t。搗固機機架的強度與剛度滿足要求，對其結構進行優(yōu)化設計，可以使搗固機機架結構更為合理，獲得更好的經濟性。

機架各部分均由不同厚度的鋼板組成，用HyperWorks中的OptiStruct模塊進行尺寸優(yōu)化設計。機架由外部鋼板、內部縱向鋼板和內部橫向鋼板三種不同厚度的鋼板構成，厚度分別為14，12，16 mm。

圖4 機架位移云圖（mm）

1）定義設計變量。機架外部鋼板、內部縱向鋼板和內部橫向鋼板厚度作為設計變量，并定義其變量范圍，變量設計見表1。

表1 搗固機機架尺寸設計 mm

2）定義約束條件。結合材料強度、剛度要求，對煤箱結構最大應力限制為50 MPa，機架側壁最大變形限制為1 mm。

3）目標函數(shù)。定義機架質量的最小化。

在HyperWorks中的OptiStruct模塊下導入機架有限元模型，在optimization選項卡下的size面板中，創(chuàng)建機架各部分的設計變量；在optimization選項卡下的response面板中，創(chuàng)建應力、位移的約束響應，質量的目標函數(shù)響應；在optimization選項卡下的dconstraints面板中，定義機架應力、位移的約束條件范圍；在optimization選項卡下的objective子面板中，定義質量的目標函數(shù)最小化。選擇OptiStrut求解器，提交計算。優(yōu)化后的煤箱應力及位移云圖見下頁圖5、圖6所示，優(yōu)化后的機架最大應力為42.76MPa，最大變形為0.344 2 mm。

優(yōu)化后機架鋼板厚度園整，根據(jù)優(yōu)化后的鋼板厚度重新建立機架模型，進行靜力學分析。新機架模型應力及位移云見下頁圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，重新選型后構件的新機架模型，最大應力為37.70 MPa，最大變形為0.304 2 mm，滿足對機架結構的要求。機架優(yōu)化后質量從6.28 t減少為5.32 t，機架質量減少了15.28%。

3 搗固機機架剛柔耦合多體動力學建模及分析

圖5 機架應力云圖（MPa）

圖6 機架變形云圖（mm）

表2 優(yōu)化后各設計變量尺寸值 mm

圖7 優(yōu)化后的機架應力云圖（MPa）

由于搗固機機架在搗固作業(yè)時變形較大，不能忽略搗固機機架彈性變形對搗固過程動力學的影響，搗固機機架的彈性變形會影響到凸輪與搗固錘錘桿之間的接觸力，從而影響搗固錘運動，為此，建立包括搗固機機架彈性體（柔性體）的動力學模型，研究搗固機動力學特性[3]。

圖8 優(yōu)化后的機架位移云圖（MPa）

建立搗固機剛柔耦合動力學模型，需要在ADAMS中建立機架柔性體部件，建立柔性體的方法分為三種，分別為離散剛性構件法、直接在ADAMS中的View模塊中建立柔性體法，以及在有限元軟件中將機架網格模型通過模態(tài)計算，得到所需的柔性體的中性文件（MNF文件）。搗固機機架結構較為復雜，采用第三種方法建立柔性體，在有限元軟件HyperMesh中，機架的網格模型通過模態(tài)分析生成MNF文件，柔性化建模是通過模態(tài)向量和模態(tài)坐標的線性組合來表示物體的彈性位移，也就是通過柔性體有限個單元節(jié)點自由度來近似表示實際結構無限多的自由度。

1）搗固機柔性體機架的建立。打開HyperMesh機架網格模型，模塊設置為OptiStruct，約束輪子中心剛性節(jié)點，約束類型（loadtype）設置為ASET，載荷步類型（loadsteps）設置為 generic，文件輸出（output）選擇為ADAMSMNF，提交模態(tài)計算，得到機架模型的柔性體文件—MNF文件。將所得到機架MNF文件通過軟件ADAMS中AdamsFlex模塊導入搗固機煤箱，替換原機架的剛體部件。

2）約束。提錘機構凸輪軸與機架柔性體建立鉸接副，在鉸接位置上施加鉸驅動motion，施加公式為；在柔性體機架4個支撐剛性點處與大地建立固定副。建立的搗固機剛柔耦合模型見圖9所示，與搗固機進行同樣的分析。

圖9 機架剛柔耦合模型

觀察提錘過程中機架的應力分布及變化趨勢，機架在動力學過程中應力分布見圖10所示。

圖10 機架動力學應力云圖（MPa）

圖10反映了機架在動力學過程中機架的應力分布情況，從圖中可以看出應力熱點多處于機架連接處，及機架結構突變處，機架應力最大值為20.69MPa。搗固機剛柔耦合動力學模型中機架的應力分布及數(shù)值，與機架靜力學下的機架應力分布及數(shù)值基本一致，由于機架變形，柔性體機架載荷比剛體機架載荷略小，剛柔耦合動力學模型能夠更加真實的反映提錘機構的運動學、動力學特性。

4 結語

本文通過對搗固機機架的結構進行瞬態(tài)分析，基于結構強度、剛度對搗固機機架進行了尺寸優(yōu)化設計，而滿足實際工作要求的優(yōu)化設計，通常還需要考慮振動、可靠性，后期將展開對其的相關分析，以確保優(yōu)化設計的可行性。