引言

輸送帶擁有結構簡單、價格低廉等優(yōu)點,廣泛應用于礦物、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子,相較于異步電機的轉子結構更加簡單。同步電機功率密度高于異步電機,因而更容易實現小型化:同步電機轉速容易調節(jié),因而可以縮減控制成本:同步電機低轉速下轉速穩(wěn)定,更符合礦山用機械的使用環(huán)境,可以延長相關設備壽命?；谝陨蟽?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)良的支架設計方案的重要性。目前,關于支架設計,主要依靠經驗和傳統方法,已經不能適應時代的發(fā)展,因而需要引入現代化的設計方法及工具。國內學者對現代方法及工具的研究現已取得了較多成果:顧穎等人利用ANSYS推算出DEHSM參數的求解方法,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)化了其支撐結構,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)等人在有限元基礎上,基于拓撲優(yōu)化方法建立多目標優(yōu)化函數,對機床部件進行了優(yōu)化設計。

本文首先對漳村礦現有的皮帶輸送機用同步電機支架進行形狀和結構改變,并在此基礎上對其進行拓撲優(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量,為相關產品的設計提供參考。

1結構形狀改變

電機支架的設計需要考慮成本、強度及安裝方便等因素。目前大多數支架均使用板材沖壓而成,在電機機殼之上預留出相應的安裝螺釘孔,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,材質為3mm厚的SPCC鋼板(又稱SPCC3)。SPCC鋼材以其優(yōu)良的結構性能和低廉的價格獲得了廣泛的應用,其密度為7850kg/m3,楊氏模量為205GPa,泊松比為0.3。

在初始設計中,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,還能增加結構強度。

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量、傳送帶本體的質量、傳送帶輸送的煤礦石的質量。每個傳送帶系統使用兩臺同步電機,每臺電機質量約為25kg,因此電機總重為50kg:一條傳送帶上可以運送的煤礦石質量約為180kg:輸送帶本體質量約為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,將每個安裝孔均設置為固定約束:將結構鋼板的密度、楊氏模量和泊松比賦予支架,進行網格劃分:網格劃分時將網格密度比例設置為100%,將邊角過渡設置為緩慢,將網格翹曲度設置為優(yōu)良,通過這些設置保證網格質量可靠。以上設置完成之后進行結構靜力分析,結果如圖1所示。

優(yōu)化之前支架受到的最大應力為27.6MPa,形狀優(yōu)化之后支架受到的最大應力為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,安全系數均大于10,結構強度足夠且余量較大,因而可以適當進行結構優(yōu)化,實現輕量化設計。

2拓撲優(yōu)化及對比

Shape0ptimization為ANSYS平臺下專門進行結構拓撲優(yōu)化的功能模塊。該模塊可以在靜力分析的基礎上尋找出結構上多余的部位,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,將安裝孔均設置為固定約束,將結構鋼板的密度、楊氏模量和泊松比賦予支架,進行網格劃分,網格劃分設置及參數必須與上文一致,以保證對比可靠。

物體的質量與體積成正比,因而在計算設置時當將優(yōu)化目標設置為體積減少60%,計算完成得出形狀拓撲優(yōu)化云圖,結果如圖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。根據圖2,并考慮加工工藝對支架進行結構優(yōu)化,適當去除深灰色多余部位即可達到輕量化設計的目的。

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,將安裝孔均設置為固定約束,將形狀優(yōu)化前后的支架均設置為上文相同的材質,進行網格劃分,設置及參數與上文保持一致。計算完成之后得到的應力云圖如圖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)化后支架應力云圖

3結論

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%,支架質量未增加:此時支架受到的最大應力為24.6MPa,安全系數大于10,支架強度足夠。

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

本文為相關產品的設計研究提供了參考。