ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

方正，張延軍，周志成，王汝貴*

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004； 2.桂林特邦新材料有限公司, 廣西 桂林 541004)

0 引言

ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)作為一種先進(jìn)且主要的石材開(kāi)采工具，已經(jīng)在石材開(kāi)采與建筑物、橋墩等的拆除和分解中有著出色的表現(xiàn)，金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)具有低成本、高效率與節(jié)能等諸多優(yōu)越性，使之成為第三代超硬材料加工工具[1]。但是ZJP56型組合繩鋸組鋸機(jī)體積大，重量大，材料、生產(chǎn)及運(yùn)輸成本高，這些主要問(wèn)題導(dǎo)致了組合繩鋸組鋸機(jī)未能推廣到各種礦石工程領(lǐng)域，降低了礦石產(chǎn)業(yè)開(kāi)采效率且阻礙了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展。對(duì)金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和輕量化設(shè)計(jì)會(huì)降低生產(chǎn)及運(yùn)輸成本，并有利于提高組合繩鋸組鋸機(jī)產(chǎn)品性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行了較為深入的研究[2-5]，并在組合繩鋸組鋸機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性等方面取得了一定的研究成果[6-7]。

宋金玲等[8]在對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，使用SUMT非線性方法研究組合繩鋸上下運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，通過(guò)滾珠絲桿，蝸桿減速等機(jī)械設(shè)備組成的進(jìn)給系統(tǒng)，在使用低速大扭矩的擺線液壓馬達(dá)時(shí)，確定了進(jìn)給系統(tǒng)的核心部件滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)尺寸，從而保證了進(jìn)給系統(tǒng)整機(jī)功能的成功實(shí)現(xiàn)。王海波等[9]對(duì)海洋廢棄平臺(tái)樁基拆除組合繩鋸組鋸機(jī)夾緊瓣上夾緊塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，得到了夾緊齒尺寸和齒周過(guò)渡曲線的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。采用了有限元法優(yōu)化的方法，對(duì)該夾緊塊的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算并根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)制造了夾緊齒。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的夾緊塊能夠滿足設(shè)計(jì)要求且能安全穩(wěn)定地工作。

雖然組合繩鋸組鋸機(jī)的研究已經(jīng)取得了可喜成果，但在結(jié)構(gòu)輕量化方面仍有欠缺，這在某種程度上制約了組合繩鋸組鋸機(jī)在工程上的應(yīng)用的廣泛性。本論文以桂林特邦新材料有限公司的ZJP56型組合繩鋸組鋸機(jī)為研究對(duì)象，以解決ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)在行業(yè)中面臨的材料生產(chǎn)及運(yùn)輸成本高問(wèn)題，進(jìn)行ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用有限元方法對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行力學(xué)分析，以得到組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)的最大強(qiáng)度。在組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得以保證的前提下，采用結(jié)構(gòu)有限元分析與遺傳優(yōu)化算法相結(jié)合的優(yōu)化方法，進(jìn)行以減少結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為目的的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析

為研究ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立了金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)三維模型，金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)實(shí)物由桂林特邦新材料有限公司提供，實(shí)體如圖1所示，三維模型示意圖如圖2所示。

ZJP56金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)工作原理：組合繩鋸纏繞經(jīng)過(guò)主動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、從動(dòng)輪、張緊輪再回到主動(dòng)輪。調(diào)試張緊輪對(duì)組合繩鋸實(shí)時(shí)獨(dú)立張緊，啟動(dòng)冷卻裝置，主動(dòng)輪啟動(dòng)，組合繩鋸開(kāi)始環(huán)繞運(yùn)行，進(jìn)給裝置向下作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，依靠組合繩鋸的金剛石串珠對(duì)石材進(jìn)行高速磨削加工。

圖1 金剛石組合繩鋸組合繩鋸組鋸機(jī)實(shí)體總圖

1.主動(dòng)輪; 2.導(dǎo)向輪; 3.冷卻裝置; 4.石料; 5.臺(tái)車(chē); 6.導(dǎo)向輪; 7.從動(dòng)輪; 8.張緊裝置; 9.防護(hù)罩; 10.連接橫梁; 11.立柱; 12.進(jìn)給裝置

結(jié)構(gòu)有限元分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)[10-11]，組合繩鋸組鋸機(jī)的參數(shù)設(shè)定如表1所示

表1 組合繩鋸組鋸機(jī)屬性參數(shù)表

圖3為ZJP56型組合繩鋸組鋸機(jī)機(jī)構(gòu)單元網(wǎng)格劃分后的離散結(jié)構(gòu)模型。對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)的兩種典型工況進(jìn)行研究。

圖3 組合繩鋸組鋸機(jī)有限元分析模型

工況1：組合繩鋸組鋸機(jī)承受輪系自重工況。

機(jī)構(gòu)在承受自身輪系質(zhì)量下靜止時(shí)，對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，等效載荷施加在連接部分上,如圖4所示。取圖中局部放大連接部分的截面作為受力面后，每個(gè)截面受力為105N。

圖4 工況1連接部分受力面

工況2：組合繩鋸組鋸機(jī)輪系運(yùn)動(dòng)時(shí)工況。

ZJP56組合繩鋸組鋸機(jī)由56根金剛石繩鋸組成，切削的平均線速度為28 m/s，查詢石材的機(jī)械加工手冊(cè)可知，當(dāng)切削石材為花崗巖，當(dāng)每根金剛石繩的切削線速度為28 m/s時(shí)，繩子所受到的水平切鋸力約為35 N，受到的垂直切鋸力約為110 N。

56根繩子同時(shí)受力，故受到總的水平切鋸力為Fx=35×56=1.96×103N，受到總的垂直切鋸力為Fy=110×56=6.16×103N，組合繩鋸組鋸機(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，同樣承受自重的載荷。施加垂直方向的力，故施加力為105+6160=1.0616×105N，如圖5所示。

根據(jù)機(jī)械手冊(cè)查到的Q235A的屈服極限σS為235 MPa，作為工程機(jī)械的安全系數(shù)nS取2.0，故許用應(yīng)力計(jì)算：

(1)

故機(jī)構(gòu)承受的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于該許用應(yīng)力值時(shí)，機(jī)構(gòu)不危險(xiǎn)。

圖5 工況2連接部分受力面

圖6與圖7分別為工況1和工況2有限元分析結(jié)果的Von-Mises復(fù)合應(yīng)力分布云圖，顏色越深處代表應(yīng)力越大。

圖6 工況1組合繩鋸組鋸機(jī)復(fù)合應(yīng)力云圖

由圖6可知，組合繩鋸組鋸機(jī)最大應(yīng)力在進(jìn)給裝置附近。Von-Mises復(fù)合應(yīng)力達(dá)到1.27 MPa，機(jī)構(gòu)所受到的自重的應(yīng)力主要集中在進(jìn)給裝置和附近的基座上，在基座的肋板中部有少許應(yīng)力且應(yīng)力較小，為0.13～ 0.41 MPa之間，在受力最大的連接部分截面處所受最大應(yīng)力是1.25 MPa，遠(yuǎn)小于許用安全應(yīng)力117.5 MPa，機(jī)構(gòu)所受應(yīng)力值在安全范圍內(nèi)。

圖7 工況2組合繩鋸組鋸機(jī)復(fù)合應(yīng)力云圖

由圖7可知，組合繩鋸組鋸機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分布在支撐柱與輪系結(jié)構(gòu)連接處部分和支撐柱靠近輪系部分。Von-Mises復(fù)合應(yīng)力達(dá)到1.37 MPa。連接部分旁的進(jìn)給系統(tǒng)和基座部分、基座支撐的肋板受到少許應(yīng)力，應(yīng)力主要集中在連接構(gòu)件上且最大的應(yīng)力部分為1.37 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值117.5 MPa，工作情況安全。

2 組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用一種工程使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化高效方法——有限元分析與遺傳優(yōu)化算法相結(jié)合法。遺傳算法結(jié)果由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)驗(yàn)證[12]。為在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，實(shí)現(xiàn)組合繩鋸組鋸機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)，組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)遺傳算法優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可表達(dá)為：

(2)

W(X)=(2.175×106×x1+3.98×105×x2+6.05×105×x3+3.58×106×x4+2.725×106×x5+4.331×105×x6+1.75×105×x7+1.483 9×106×x8+1.468×105×x9+2.164×106×x10+1.615×105×x11+2.0×105×x12+1.33×107×x13+1.8×106×x14+1.33×107×x15)×7.85×103，

(3)

1.立柱三角支撐部位; 2.立柱外圍正方體部; 3.下橫梁部位; 4.橫梁支架部位 5.橫梁夾板部位; 6.立柱頂部; 7.冷卻系統(tǒng)支柱頂部

8.升降裝置部位; 9.冷卻系統(tǒng)裝置夾板; 10.冷卻系統(tǒng)橫梁

11.防護(hù)罩外殼; 12.防護(hù)罩中間連接梁; 13.防護(hù)罩斜連接梁; 14.防護(hù)罩連接梁; 15.防護(hù)罩外擋板

表2給出金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算中，各構(gòu)件板厚等設(shè)計(jì)變量與總重量目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值變化，x1～x10為機(jī)架設(shè)計(jì)變量，x11～x15為輪系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量。

表2 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)

初始設(shè)計(jì)量的求值：

W1(X)=(2.175×106×x1+3.98×105×x2+6.05×105×x3+3.58×106×x4+2.725×106×x5+4.331×105×x6+1.75×105×x7+1.483 9×106×x8+1.468×105×x9+2.164×106×x10+1.615×105×x11+2.0×105×x12+1.33×107×x13+1.8×106×x14+1.33×107×x15)×7.85×103=51 379 kg。

(4)

計(jì)算結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的值：

W2(X)=(2.175×106×x1+3.98×105×x2+6.05×105×x3+3.58×106×x4+2.725×106×x5+4.331×105×x6+1.75×105×x7+1.483 9×106×x8+1.468×105×x9+2.164×106×x10+1.615×105×x11+2.0×105×x12+1.33×107×x13+1.8×106×x14+1.33×107×x15)×7.85×103=42 698 kg。

(5)

優(yōu)化后節(jié)省材料的占比：

(6)

由公式6，桂林特邦新材料有限公司的ZJP56金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)構(gòu)質(zhì)量為51 379 kg。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕了金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)構(gòu)的質(zhì)量為8 681 kg，占比16.9 %。

3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的有限元分析

圖11與圖12分別為該金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，工況1和工況2有限元分析結(jié)果的Von-Mises復(fù)合應(yīng)力分布云圖，顏色越深，應(yīng)力越大。

圖11 工況1優(yōu)化后復(fù)合應(yīng)力分布云圖

圖12 工況2優(yōu)化后復(fù)合應(yīng)力云圖

由圖11工況1應(yīng)力圖可知，機(jī)構(gòu)的連接板部分所受的應(yīng)力較大，在連接部分附近的基座受到少部分應(yīng)力，應(yīng)力分布的區(qū)域與優(yōu)化前相同工況下應(yīng)力分布的區(qū)域相似，不同的是減少了部分支撐肋的材料，連接部分附近的基座仍然受力較小，為1.36～2.79 MPa，所受應(yīng)力較大連接板部分應(yīng)力最大值為12.57 MPa，圖12工況2下的應(yīng)力分布仍與工況一情況相似，最大應(yīng)力變?yōu)?3.38 MPa，遠(yuǎn)小于許用安全應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)是礦石開(kāi)采領(lǐng)域使用的主要工具，但其體積重量大，材料生產(chǎn)及運(yùn)輸成本高，是其工程應(yīng)用中面臨的主要問(wèn)題。為解決ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)在行業(yè)中面臨的材料生產(chǎn)及運(yùn)輸成本高問(wèn)題，研究ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立ZJP56型金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用有限元方法對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行力學(xué)分析，得到組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)的最大強(qiáng)度。采用結(jié)構(gòu)有限元分析與遺傳優(yōu)化算法相結(jié)合的優(yōu)化方法，對(duì)組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度前提下，以減少結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為目的的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)優(yōu)化后的組合繩鋸組鋸機(jī)進(jìn)行有限元分析，得到優(yōu)化后組合繩鋸組鋸機(jī)結(jié)構(gòu)的最大強(qiáng)度。研究結(jié)果表明，金剛石組合繩鋸組鋸機(jī)在滿足強(qiáng)度條件下，減輕質(zhì)量超過(guò)15 %。優(yōu)化后構(gòu)件尺寸的改變并未影響組合繩鋸組鋸機(jī)樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式，該尺寸可以作為生產(chǎn)物理樣機(jī)的可靠參考尺寸，從而較大程度降低了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及運(yùn)輸成本。有利于提高組合繩鋸組鋸機(jī)的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使組合繩鋸組鋸機(jī)能廣泛的使用，提高礦石產(chǎn)業(yè)開(kāi)采效率與經(jīng)濟(jì)發(fā)展。