基于Pro/Mechanica的振動臺板優化設計

湯樂軍　鄒永明　呂震宇

(南京梅山冶金發展有限公司)

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基于Pro/Mechanica的振動臺板優化設計

湯樂軍鄒永明呂震宇

(南京梅山冶金發展有限公司)

摘要以振動放礦機的振動臺板為例，以Pro/Mechanica軟件為有限元分析工具，通過靜力分析和全域敏感度分析，完成了振動臺板鋼材耗用的優化設計，為縮短設計時間、優化產品設計、減少鋼材消耗、降低企業生產成本提供參考。

關鍵詞Pro/Mechanica靜力分析全域敏感度分析優化設計

振動放礦機是一種替代重放礦和閘門放礦的裝置，安裝于溜井底部，在慣性激振器(激勵電機)的作用下，通過振動臺板，將溜井中的礦石輸送至礦車，具有結構緊湊、堅固耐用等特點，是一種礦山放礦裝車的理想設備，已被國內多數礦山采用。本研究以振動放礦機的振動臺板為例，在完成原始產品模型的Pro/E 建模、靜力分析、敏感度分析[1-2]等工作的基礎上，實現產品重量優化，以期在保證產品質量的前提下，減小鋼材消耗，降低企業的生產成本。振動放礦機(圖1)通常由振動臺板(圖2)、機架(圖3)等組成，臺板上按裝有慣性激振器，機架上安裝有彈性元件。振動臺板為鋼板加焊接型鋼的結構，臺面下方焊有安裝激振器的底座，慣性激振器由電機驅動偏心塊旋轉產生激振力。振動臺板兩側板用角鋼焊牢，與機架上部周圍焊接的角鋼配合作用，作為安裝平面的1個約束，用于限制減振橡膠平移。彈性元件一般采用減振橡膠，安裝于振動臺面與機架之間起貯能、減振的作用。機架是由型鋼焊接而成的金屬結構件。

圖1　振動放礦機

2振動臺板靜力學分析

2.1產品材料參數

材料性能是進行結構分析必不可少的基本數據，由于振動臺板均由金屬材料焊接制成，遵循2個假設，即均勻假設和各項同性假設。均勻假設認為材料內部所有的點均具有相同的彈性性質；各項同性假設則認為材料內部任意點在各方向上具有相同的彈性性質。本研究確定的材料相關參數見圖4。

圖2　振動臺板

圖3　機　架

圖4　材料參數設置

2.2載荷設置

根據振動放礦機的使用工況，確定振動臺板的受力主要包括溜井礦石壓于振動臺板產生的壓強(P)和激振器產生的額定激振力(F)，如圖5所示。

經計算，得P=2.37 MPa，F=100 kN，據此設置

圖5　振動臺板的受力情況

的礦石對振動臺板的壓強(P)以及激振器產生的額定激振力(F)分別如圖6、圖7所示。

將重力加速度在x、y2個方向分別設置分量，合成的重力加速度G=9 800 mm/s2，其中：Gy=9 800 mm/s2×cos15°=9 466.07 mm/s2；Gx=9 800 mm/s2×sin15°=2 536.43 mm/s2，x、y2個方向的重力加速度分量設定如圖8所示。

2.3約束設置

根據實際工況，確定了振動臺板背面的角鋼內側為約束面，如圖9所示。

圖6　礦石對振動臺板的壓強設置

圖7　額定激振力設置

圖8　重力加速度分量設置

圖9　振動臺板的約束面設置

2.4靜力分析結果檢視

完成載荷、約束的相關設定后進行了靜力分析，可知在壓強(P)的作用下，臺板上部兩端頂點出現了274.5 MPa的應力，絕大部分的應力在137 MPa以下；振動臺板由于受到激振力的作用，中間激勵電機處出現了約1 mm的變形，而上部兩端頂點處出現了最大為2.8 mm的變形。對此，可在2個最大變形的位置焊接1個斜筋，可有效減小變形量和應力。

3振動臺板全域敏感度分析

3.1全域敏感度分析設置

在“類型(Type)”欄內選中“全域敏感度分析(Global Sensitivity)”,并以上述靜力學分析結果為基礎，在“分析(Analyses)”欄內選中“Two_Static”，“變量(variable)”定義的3個尺寸分別為面板、橫筋板及豎筋板的厚度，具體設置見圖10。

3.2全域敏感度分析結果檢視

為縮短計算時間，在進行敏感度分析時簡化了模型，去除了角鋼，以中間面代替體單元，約束、載荷保持不變，如圖11所示。

由各筋板厚度與臺板重量的關系曲線可知，各筋板及臺板厚度對臺板重量的影響處于線性狀態，各筋板及臺板厚度在拐點位置以后，增加各筋板及臺板厚度對減少臺板應力的作用越來越小，為對臺板材料消耗的優化設計提供了可能。

圖10　全域敏感度分析設置

圖11　全域敏感度分析簡化模型設置

4振動臺板最優化分析

4.1振動臺板最優化分析設置

振動臺板的最佳化分析的定義是以最大應力(“mass_stress_vm”)為目標，以臺板重量(原臺板重量3.25 t)為設計限制(目標值小于2.5 t)，以各筋板厚度為優化變量，如圖12所示。

圖12　最優化分析設置

4.2振動臺板最優化分析結果檢視

在計算機進行優化的過程中，通過圖表、云圖及最優化變形動畫，可發現每次Pro/Mechanica優化過程，經過約數小時的計算，完成了最優化分析，在選擇了“留住最優化形狀時”后，再次查閱臺板面板和筋板尺寸時，發現面板和縱筋板厚度變小，而橫筋板厚度變大(圖13)，符合常規設計思維和理論。

圖13　最優化結果檢視(數值部分)

5結語

基于Pro/Mechanica軟件，對振動放礦機的振動臺板進行了優化設計，但由于受到計算機性能的影響，本研究僅以筋板厚度為設計變量，以應力分布為目標，以重量為設計限制進行了優化分析。若在計算機硬件條件允許時，也可選擇其他設計變量(如筋板之間的開檔距離)、設計目標(如變形量)、設計限制(如應力分布)等進行優化設計。此外，該臺板還可進行模態分析，依據臺板的固有頻率，在確保振幅的條件下，充分利用臺板的共振頻率選擇轉速合適的慣性激振器(激勵電機)，以減少功率消耗。

參考文獻

[1]萬啟超.結構、熱、運動分析基礎與典型范例[M].北京：電子工業出版社，2008.

[2]應錦春.現代設計方法[M].北京：機械工業出版社，2000.

(收稿日期2015-10-19)

湯樂軍(1970—)，男，工程師，210041 江蘇省南京市西善橋。