大型搗固裝煤車搗固機機架的優化及疲勞分析*

王 俊，王亞良*，寧曉斌，左 強，孫乃鑫

(1.浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014；2.太原重工股份有限公司 技術中心，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搗實成煤餅，這種煉焦技術能夠充分利用煤炭資源[1]。搗固機在搗固裝煤車中的主要作用是搗固過程中提升搗固錘到一定高度，然后搗固錘自由落體夯實煤粉，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，基于搗固過程有限元瞬態分析，元利昆等人[3]運用HyperWorks的OptiStruct模塊對搗固裝煤車的煤箱進行了尺寸的優化，并使得煤箱實際減重比達到29%；王劍松等人[4]通過正交試驗的方法對搗固錘質量、搗固錘高度、搗固錘數量等搗固煤餅工藝參數進行了選取，提升了搗固機的搗固效率；以煤粉為研究對象，鄭明東等人[5]通過選取最優煤粉參數來降低配煤成本。但是通過降低搗固機機架重量來減少材料消耗與降低制造成本方面的研究相對較少。

在使用過程中，疲勞失效是實際結構主要的失效方式之一[6]。BASQUIN O H[7]總結了材料的S-N曲線中應力與疲勞循環數之間存在著雙對數線性關系；基于隨機循環載荷，王正等人[8]對機械結構的疲勞壽命進行了預測；張劍波等人[9]對隨機載荷作用下平臺結構疲勞壽命進行了預測。以上分析對機架的疲勞分析有一定的指導作用，但是其載荷添加較為理想化。隨著計算機CAE技術的發展，使用相應的軟件就能完成疲勞仿真分析[10-11]。在HyperWorks中，可以采用S-N(應力-壽命)的方法對結構進行壽命分析[12]。

本文將對某國外公司設計的6.25 m搗固裝煤車搗固機機架重新進行正向設計，分析搗固機機架強度、位移，進行結構優化，并對優化后的搗固機機架進行疲勞分析。

1 搗固機多體動力學分析

針對某6.25 m大型搗固裝煤車，其搗固機共有5組錘搗固機組，共34個搗固錘。筆者選取其中一組8錘搗固機組作為本文的研究對象。

基于UG繪制的三維模型如圖1所示。

圖1 搗固機三維模型圖

搗固機主要由機架、提錘裝置及搗固錘組成；凸輪軸與搗固機機架上的軸承座相連；凸輪外緣與搗固錘錘桿上的彈性片接觸,從而實現提錘和落錘。

搗固機多體動力學模型如圖2所示。

圖2 搗固機動力學模型圖

基于UG建立的提錘裝置實體模型，本研究將搗固機機架、凸輪、凸輪軸、軸承座、搗固錘彈性片、搗固錘錘桿以及簡化后的搗固錘導入到多體動力學仿真軟件ADAMS中，在搗固錘下方添加幾何體模擬搗固的煤粉，添加各構件之間的約束關系，并設置材料與重力場。本研究根據凸輪軸的轉速為60 r/min，在ADAMS中添加兩側凸輪軸的驅動函數分別為360*time和-360*time，其角位移在-180°與180°之間往復。

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，根據進口商提供的接觸參數建立兩者的接觸，接觸參數如表1所示。

表1 凸輪外緣-彈性片接觸參數

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

接觸參數如表2所示。

表2 搗固錘-煤粉接觸參數

搗固機搗固錘的實際提升高度為500 mm。將凸輪外緣與彈性片的靜摩擦系數、動摩擦系數、剛度系數分別設置為0.3，0.25和7 000 N/mm；搗固錘與煤粉的剛度系數與阻尼系數設置為2 855 N/mm和0.45。取仿真時間為30 s，步數為3 000進行動力學仿真。

本研究在ADAMS中建立了相關的Measure函數，由于曲線基本重復以及為了圖示清晰，通過后處理繪制0～3 s內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值與實際提錘高度接近，由此驗證了仿真模型的準確性。與軸承座的力-時間曲線如圖5所示。

圖5 軸承座力-時間曲線

圖5中，軸承座處Y方向與Z方向最大受力的時刻基本一致，為下一步搗固機機架的尺寸優化與疲勞分析奠定了基礎。

2 搗固機機架有限元模型

2.1 有限元網格模型

基于圖1所建立搗固機三維模型圖，本研究將機架導入HyperMesh劃分網格,建立搗固機機架有限元網格模型，如圖6所示。

圖6 搗固機機架網格模型

2.2 載荷與約束

基于圖5的軸承座力-時間曲線，本研究將數據導出并得到搗固機機架軸承座在工作過程中的最大受力,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。

機架的約束如圖8所示。

圖8 搗固機機架約束示意圖

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，輪子的剛性較大，其應力與變形對機架結構影響較小。圖8通過在輪子中心建立剛性節點，并與兩側機架單元節點剛性連接。筆者對4個剛性節點施加六方向自由度的約束，使得機架得以固定。

3 搗固機機架尺寸優化與分析

搗固機機架優化三要素：目標、約束條件和設計變量。本文以搗固機機架減重為目標，將質量最小化作為目標函數。并根據企業要求設置最大應力60 MPa和最大位移量0.5 mm作為優化的約束條件。

搗固機機架尺寸優化設計如表3所示。

表3 搗固機機架尺寸設計

本研究將搗固機機架4種不同厚度的鋼板尺寸設置為優化的設計變量，并創建設計變量和板件厚度屬性相關聯，從而保證優化后的鋼板厚度是一致。

“中國經作看柑橘，全國柑橘看廣西，廣西柑橘看桂林。”據統計，廣西柑橘種植面積高達600萬畝，其中桂林柑橘的種植面積高達全區的三分之一。在柑橘面積和產量雙高的背景下，提高柑橘的品質成為農民和農資企業共同關注的話題。

本研究運用有限元軟件HyperWorks的OptiStrict模塊進行尺寸優化和強度分析。在進行30個迭代步后得到優化結果。

3.1 搗固機機架尺寸優化

優化前后的鋼板厚度分布圖如圖9所示。

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

優化前后的鋼板厚度變化如表4所示。

優化后的搗固機機架各部鋼板厚度都有所下降。機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。通過搗固機機架的尺寸優化使得機架質量由6.277 t減小至3.705 t，減重比達到41%，減重后的機架能減輕支撐平臺的負重。

圖9 機架優化前后鋼板厚度分布圖

項目原始值/mm優化值/mm上部機架厚度146.2中部機架厚度169.3下部機架厚度2014.6機架連接處厚度4021.8

3.2 搗固機機架位移分析

優化前后的機架位移云圖如圖10所示。

圖10 機架優化前機架位移云圖

由圖10可知：機架最大位移量均出現在搗固機機架最頂部。機架的最大位移量由0.223 mm增加到0.451 mm。尺寸優化后的搗固機機架滿足企業最大位移量不超過0.5 mm的使用要求，位移分布也更加合理。

3.3 搗固機機架強度分析

優化前后的搗固機機架應力云圖如圖11所示。

圖11 機架優化前后機架應力云圖

在受力最大的工況下，機架在未優化前的最大應力為30 MPa，低于鋼板的許用應力；優化后的機架的最大應力達到59.8 MPa，依然能達到足夠的安全系數。比較優化前后的應力云圖可以發現：在保證足夠的安全系數下，優化后搗固機機架的應力分布更加均勻，且沒有明顯的應力集中現象。

優化后的機架在保證搗固機提錘裝置正常工作所需的位移條件與強度要求下，過減小機架的鋼板厚度，可以有效地降低提錘裝置機架的重量(減重比達到41%)。減重后的搗固機機架減輕了支撐平臺的負重，達到了更好的經濟性。

4 搗固機機架疲勞分析

搗固機機架優化后的機架應力主要集中在搗固機中部機架處，通過疲勞分析來驗證優化后的機架是否具有足夠的可靠性。應力-壽命方法可以很好地計算結構在受到彈性變形范圍內的循環載荷作用下的疲勞壽命。

基于機架的尺寸優化結果并重新選擇鋼板厚度，如表5所示。

表5 搗固機機架尺寸重選結果

筆者通過HyperMesh重新定義鋼板厚度，對每個軸承座施加X方向和Y方向的單位載荷，并且每個分力對應一個載荷步。由于搗固機機架對稱的關系，共建立了12個載荷步。本研究運用HyperWorks的RADIOSS模塊進行靜力學分析。

基于HyperWorks進行的機架靜力學分析結果文件(fem文件)以及在ADAMS中進行的搗固機動力學仿真分析，筆者得到了載荷譜，通過定義材料Q235-A的極限抗拉強度為建立材料S-N曲線，計算搗固機機架的疲勞壽命。

機架疲勞的損耗云圖和壽命云圖如圖12所示。

圖12 機架損耗云圖與壽命云圖

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

綜上所述，對比優化前后的搗固機機架，機架連接處厚度的變化最大，可通過減小鋼板厚度使機架減重；搗固機機架的上部和下部鋼板在工作過程中存在較大的位移，優化后機架的位移依舊滿足企業使用要求。對比優化前后的應力云圖，應力主要集中在中部鋼板區域，最容易發生疲勞破壞的也是機架的中部鋼板，應考慮在應力較為集中的區域相應增加鋼板厚度或在結構方面的進行優化。

5 結束語

通過對搗固機機架的尺寸優化與疲勞壽命研究，本研究具體步驟及結果如下：

(1)本研究在ADAMS中創建了多體動力學模型，運用動力學方法研究了搗固機提錘與落錘工況的可行性；

(2)本研究采用有限元法對搗固機機架進行了尺寸優化，在位移、強度和疲勞耐久性滿足企業使用的前提下，優化后的機架重量明顯下降；

(3)基于機架尺寸優化的結果，為搗固機機架的結構設計提供了參考依據。