礦用扒渣機轉載機構支撐懸臂拓撲優化

田啟華 趙厚權

（三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

礦用扒渣機廣泛地應用于隧洞挖掘、礦山工程、水利工程等.近年來隨著我國經濟和社會建設的快速發展，礦用扒渣機的需求量越來越大［1］，對扒渣機的性能要求越來越高，轉載機構的加入大大提高了礦車的運渣效率.轉載機構支撐懸臂則決定著礦車的數量，從而影響著整個除渣系統的效率.

1 轉載機構支撐懸臂分析

扒渣機扒渣方式是通過挖斗將礦渣扒到刮板槽內，然后刮板槽轉動通過轉載機構將礦渣轉送到礦車內，但是由于礦車是在特定軌道上運行，一次只能一輛礦車在軌道上運行，因此扒渣效率不高.為了彌補扒渣機的這一不足，相繼出現了很多轉載機構.加入轉載機構的扒渣機系統如圖1所示，通過轉載機構可以同時使得3輛礦車在礦道上運行，從而可以大大提高單位時間礦車的運渣量［2］.

圖1 加入轉載機構的扒渣機總圖

扒渣機轉載機構支撐懸臂模型如圖2所示，扒渣機轉載機構的總體長度為8 166mm，其中支撐懸臂長度為6 888mm，支撐懸臂相對底面高度為1 500mm，整個機懸臂采用材料為45號鋼，支撐懸臂為桁架結構.由于懸臂的載荷較大且長度過長，在工作中會出現鋼結構破壞，塑性變形等問題，本文擬對支撐懸臂進行有限元分析及結構拓撲優化，研究出一種新型的懸臂結構.

圖2 桁架結構的支撐懸臂示意圖

對于桁架結構的支撐懸臂，質量為m，自重為G0，其支撐的渣大多為煤渣和碎花崗巖，由于花崗巖密度大于煤渣，將渣按花崗巖計算，重量為G1，施加在支撐懸臂的載荷N為［3］：

在ANSYS建模過程如圖3所示，選擇的單元類型為Solid 95，選擇自動劃分網格方式，網格數量為65 213個，在N區域內施加0.0857MPa載荷，約束加載在M處，為全約束.分析結果如圖3所示.

圖3 ANSYS建模過程圖

從圖4可以看到，桁架結構的轉載機構支撐懸臂所受最大應力為344MPa，在C區與D區；大部分應力在E區與F區，應力在100～200MPa左右，應力分布均勻.形變最大值為71mm，其整個轉載機構相對于地面為1 500mm，模型基本合理.

圖4 桁架結構的轉載機構支撐懸臂ANSYS分析圖

2 扒渣機轉載機構懸臂拓撲優化

桁架結構基本滿足了靜力學要求，但是在扒渣機正常工作時支撐懸臂形變很大，現基于SIMP插值方法建立如式（2）所示的懸臂結構的拓撲優化模型［4］.

式中，x為設計變量，即懸臂結構中所有單元的相對密度，xe為單元相對密度，C（x）為結構的柔度，F為懸臂結構所受外載荷，U為懸臂結構節點位移，K為懸臂結構所有網格整體剛度矩陣，ue為單元位移矩陣，k0為單元剛度，V（x）是在設計變量狀態下的懸臂結構最后保留的有效體積，V0是在設計變量取1狀態下的結構有效體積，f為懸臂結構體積系數，Xmax為單元設計變量上限（這里取1），Xmin為單元設計變量下限，p為懲罰因子［5］，xei為迭代i步的單元密度.

現采用SoildThinking Inspire軟件，以柔度最小為目標，以體積、應力為約束，對扒渣機轉載機構支撐懸臂結構進行拓撲優化，使得支撐懸臂剛度最大.優化初始條件即所有單元密度為1，體積減小量為30%（減小到30%時優化目標的質量達到m）經過34步迭代得到最后結果，此時如式（3）

收斂，得到優化結果如圖5所示.

圖5 轉載機構支撐懸臂結構拓撲優化圖

圖6 轉載機構支撐懸臂結構拓撲優化模型重構圖

由于拓撲優化模型表面粗糙，對其在Pro／E軟件中進行模型重構，重構的模型如圖6所示.

對重構模型在ANSYS軟件下分析，施加相同載荷，應力與形變圖如圖7所示.

圖7 拓撲優化模型ANSYS分析圖

圖7與圖4比較可以看出拓撲優化模型的最大應力從344MPa減小到297MPa，應力分布更均勻，形變量從71mm減小到42mm.在質量m下拓撲優化結構剛度遠遠大于桁架結構.

3 結 語

本文根據現有扒渣機轉載機構工作時支撐懸臂出現的問題，通過有限元分析，對扒渣機轉載機構支撐懸臂結構由桁架結構到拓撲優化結構進行改進，得出剛度最大的拓撲優化結構，研究結果表明，拓撲優化結構扒渣機轉載機構支撐懸臂力學性能優于常規桁架結構.

［1］ 姬云龍.裝載機振動性能研究及優化［D］.濟南：山東大學，2013.

［2］ 李富柱，董廣強，徐 勇.基于Pro／E環境下礦用裝載機工作裝置動臂的有限元分析［J］.煤礦機械，2008，29（1）：75－76.

［3］ 李 璇.礦用裝載機的仿真優化及有限元分析［D］.西安：長安大學，2013.

［4］ 李凌飛.基于變密度法的結構拓撲優化研究［D］.長春：吉林大學，2007.

［5］ 劉志強，王明強.基于SIMP拓撲優化理論的結構概念設計研究［J］.江蘇科技大學學報：自然科學版，2006，20（1）：65－68.