引言
输送带拥有结构简单、价格低廉等优点,广泛应用于矿物、货物等的运输行业。目前,矿物开采行业的输送装置大多为带式输送机。同步电机一般使用永磁体式转子,相较于异步电机的转子结构更加简单。同步电机功率密度高于异步电机,因而更容易实现小型化:同步电机转速容易调节,因而可以缩减控制成本:同步电机低转速下转速稳定,更符合矿山用机械的使用环境,可以延长相关设备寿命。基于以上优点,带式输送机中越来越多地使用同步电机取代异步电机。
皮带输送机同步电机支架拓扑优化分析（皮带输送机支架图纸）
同步电机一般使用支架固定于输送带两端,作为主要的支撑部件,支架设计的好坏直接决定了电机稳定与否,可见优良的支架设计方案的重要性。目前,关于支架设计,主要依靠经验和传统方法,已经不能适应时代的发展,因而需要引入现代化的设计方法及工具。国内学者对现代方法及工具的研究现已取得了较多成果:顾颖等人利用ANSYS推算出DEHSM参数的求解方法,对双椭球热源模型进行了优化:陶征等人利用有限元分析软件对加工中心底座进行了分析,优化了其支撑结构,使其性能大幅提升:汤伟达等人对硬盒包装机组推手进行了优化设计,使其使用寿命得到了很大的提升:孙伦业等人在有限元基础上,基于拓扑优化方法建立多目标优化函数,对机床部件进行了优化设计。
本文首先对漳村矿现有的皮带输送机用同步电机支架进行形状和结构改变,并在此基础上对其进行拓扑优化,去除不必要的部位,在不降低强度的前提下降低支架的质量,为相关产品的设计提供参考。
1结构形状改变
电机支架的设计需要考虑成本、强度及安装方便等因素。目前大多数支架均使用板材冲压而成,在电机机壳之上预留出相应的安装螺钉孔,然后将安装脚与机壳用螺钉紧固为一体,再对整机进行安装。这种方式较为便宜且操作简便。
本文所述电机支架使用钢材折弯获得,材质为3mm厚的SPCC钢板(又称SPCC3)。SPCC钢材以其优良的结构性能和低廉的价格获得了广泛的应用,其密度为7850kg/m3,杨氏模量为205GPa,泊松比为0.3。
在初始设计中,支架采用平板直接冲压而成,造型虽较为简单,但输送机长期处于碎石不间断的冲击中,这就导致支架的疲劳破损概率较高,因此需要对该支架的形状进行一定的改良:在距侧面7mm处冲压出加强筋。这样做没有增加材料消耗,还能增加结构强度。
支架在运行当中需要承受以下载荷:传送带头尾两台电机的质量、传送带本体的质量、传送带输送的煤矿石的质量。每个传送带系统使用两台同步电机,每台电机质量约为25kg,因此电机总重为50kg:一条传送带上可以运送的煤矿石质量约为180kg:输送带本体质量约为20kg。因而支架总共的负载为250kg,即2500N。
以上载荷通过螺钉传递至支架,因而总的载荷应该均分至每个通孔。每台电机使用4个支架,每个支架上使用3个通孔,因而每个通孔承受的载荷为104.2N。
每个支架上开有一个安装孔,安装孔与机架连接,因而这部分在进行分析时应视作固定不动。
为每个螺纹通孔加载104.2N垂直向下的力,将每个安装孔均设置为固定约束:将结构钢板的密度、杨氏模量和泊松比赋予支架,进行网格划分:网格划分时将网格密度比例设置为100%,将边角过渡设置为缓慢,将网格翘曲度设置为优良,通过这些设置保证网格质量可靠。以上设置完成之后进行结构静力分析,结果如图1所示。
优化之前支架受到的最大应力为27.6MPa,形状优化之后支架受到的最大应力为24.6MPa,形状改变之后的支架受力相比改变前的支架小了3MPa,减小幅度为10.87%。SPCC3的屈服强度为300MPa,安全系数均大于10,结构强度足够且余量较大,因而可以适当进行结构优化,实现轻量化设计。
2拓扑优化及对比
Shape0ptimization为ANSYS平台下专门进行结构拓扑优化的功能模块。该模块可以在静力分析的基础上寻找出结构上多余的部位,将多余部位高亮显示,方便使用者快速进行识别[5-6]。
将上文形状优化之后的支架导入Shape0ptimization平台中,为每个螺纹通孔加载104.2N垂直向下的力,将安装孔均设置为固定约束,将结构钢板的密度、杨氏模量和泊松比赋予支架,进行网格划分,网格划分设置及参数必须与上文一致,以保证对比可靠。
物体的质量与体积成正比,因而在计算设置时当将优化目标设置为体积减少60%,计算完成得出形状拓扑优化云图,结果如图2所示。
图2形状拓扑优化云图
图2中,深灰色显示的部分为受力较小、可以去除的部分,这部分可结合工艺成本等考虑进行适当删除:浅灰色部分为主要承载部位,这部分必须保留。根据图2,并考虑加工工艺对支架进行结构优化,适当去除深灰色多余部位即可达到轻量化设计的目的。
对优化之后的支架再次进行静力分析:为每个通孔加载104.2N垂直向下的力,将安装孔均设置为固定约束,将形状优化前后的支架均设置为上文相同的材质,进行网格划分,设置及参数与上文保持一致。计算完成之后得到的应力云图如图3所示。
由图3可以看出:拓扑优化之后的支架受到的最大应力为24.9MPa,较拓扑优化之前的支架增加0.3MPa,增加幅度为1.22%,可忽略不计。此时支架的质量由47.1g降低至39.25g,降低幅度为16.67%。可见,本次拓扑优化是成功的。
图3拓扑优化后支架应力云图
3结论
本文对漳村矿的皮带输送机用同步电机支架进行了拓扑优化,得到以下结果:
(1)通过对原始支架冲压形状进行适当改变,使支架受力减小3MPa,减小幅度为10.87%,支架质量未增加:此时支架受到的最大应力为24.6MPa,安全系数大于10,支架强度足够。
(2)支架经拓扑优化之后受到的最大应力为24.9MPa,较拓扑优化之前的支架基本无增加:支架的质量由47.1g降低至39.25g,降低幅度为16.67%。
本文为相关产品的设计研究提供了参考。
