電纜智能卷放裝置電纜卷放系統(tǒng)支架輕量化研究

李占龍，趙仕勛，郭北軍，張 正，任志曌，車文清

（1.太原科技大學 車輛與交通工程學院，山西 太原 030024； 2.山西佳誠液壓有限公司 技術(shù)中心，山西 原平 034100）

煤炭被稱為“工業(yè)糧食”，在我國一次能源占比達55%以上，是我國能源安全的基石，露天礦山是我國煤炭資源的重要組成部分［1］。目前，我國煤炭開采裝備是機械化、部分機械化和手工作業(yè)并存的多層次結(jié)構(gòu)，科技投入得到大幅提高［2］。其中，電鏟為主要開采設(shè)備，在露天礦山采掘及剝離作業(yè)中，其工作量占比約為50%以上，電纜輸送的高壓電直接影響電鏟開采的工作效率［3］。

在露天礦山施工作業(yè)過程中，電鏟高壓尾線電纜移動和收放方式主要采用“爬犁式”［4-5］，如圖1所示。但該方式存在工作效率低、勞動強度大、安全隱患多、經(jīng)濟損失大等問題［6］，因此，提高電鏟電纜卷放設(shè)備的機械化程度和智能化水平，是推動露天礦山技術(shù)發(fā)展和實現(xiàn)智慧礦山建設(shè)的關(guān)鍵。基于此，研發(fā)了一種可自動跟隨電鏟行走、智能避障、自動收放電纜和實時監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)的電纜智能卷放裝置。

圖1 電鏟與“爬犁”配合作業(yè)Fig.1 Electric shovel and “cable plow” cooperate with the operation

1 電纜智能卷放裝置設(shè)計

為適用露天礦的環(huán)境，提高操作的舒適性，提升作業(yè)安全系數(shù)和生產(chǎn)效率，考慮到人機關(guān)系并結(jié)合用戶需求、工作環(huán)境特征和產(chǎn)品形象識別需求，設(shè)計電纜智能卷放裝置，如圖2所示。

圖2 整體造型Fig.2 Overall styling design diagram

通過智能控制系統(tǒng)，電纜卷放系統(tǒng)可實時調(diào)節(jié)卷纜和放纜速度，確保作業(yè)過程中，電纜卷放速度與電鏟行走速度同步。前電纜卷放系統(tǒng)的卷放長度為150 m，后電纜卷放系統(tǒng)的卷放長度為500 m，加上電纜滾筒、排線器、電機、減速器、控制模塊等部件，前電纜卷放系統(tǒng)支架的支撐質(zhì)量約為4 t，后電纜卷放系統(tǒng)支架的支撐質(zhì)量約為7 t。

電纜卷放系統(tǒng)支架是電纜收放控制和動態(tài)變載運送的重要保障。根據(jù)電纜智能卷放裝置的總體設(shè)計要求（整機質(zhì)量＜22 t），對前后電纜卷放系統(tǒng)支架進行合理的輕量化設(shè)計具有重要意義，可降低制造成本，提高電纜智能卷放裝置的性能［7-10］。

2 電纜卷放系統(tǒng)支架輕量化設(shè)計

2.1 原始支架建模及拓撲優(yōu)化

首先根據(jù)整體造型設(shè)計，確定設(shè)計模型的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合三維建模軟件SolidWorks 分別建立前、后電纜卷放系統(tǒng)支架三維模型，如圖3所示。

圖3 原始前后電纜卷放系統(tǒng)支架模型Fig.3 Original model of the front and rear cable roll system frames

將原始三維模型導入ANSYS 分析軟件中，根據(jù)實際負載情況，采用有限元方法展開靜力學分析，設(shè)定框架材料為Q235［11］。由于電纜卷放系統(tǒng)支架模型結(jié)構(gòu)復雜，采用智能網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格大小為30 mm，將規(guī)則部分生成六面體網(wǎng)格，過渡部分生成四面體網(wǎng)格，從而生成合理的網(wǎng)格單元。

對前電纜卷放系統(tǒng)支架Y軸方向施加載荷分力-40 000 N，前電纜卷放系統(tǒng)支架應變和應力如圖4 所示。對后電纜卷放系統(tǒng)支架Y軸方向施加載荷分力-70 000 N，后電纜卷放系統(tǒng)支架應變和應力如圖5 所示。由圖可知，最大變形和最大應力均出現(xiàn)在滾筒放置處，前電纜卷放系統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)的最大變形約為5.845 mm，最大應力數(shù)值為1.169 MPa；后電纜卷放系統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)的最大變形約為6.471 mm，最大應力數(shù)值為1.293 MPa，兩者均小于材料的屈服強度。前、后電纜卷放系統(tǒng)支架強度有裕度，具有較大的輕量化空間。

圖4 原始前電纜卷放系統(tǒng)支架校核Fig.4 Check figure of original front cable roll system frame

將底座部分和頂端橫梁設(shè)定為非設(shè)計域，其余部件均為設(shè)計域。采用拓撲密度法，以質(zhì)量和體積最小為目標函數(shù)進行拓撲優(yōu)化，約束條件、工況荷載、網(wǎng)格劃分等參數(shù)與原始模型保持一致，保留閾值設(shè)定為0.5，前、后電纜卷放系統(tǒng)支架拓撲優(yōu)化后結(jié)果如圖6所示。

圖6 前、后電纜卷放系統(tǒng)支架拓撲優(yōu)化結(jié)果Fig.6 Topology optimization results of the original front and rear cable roll system frames

2.2 支架模型重構(gòu)

根據(jù)上述的拓撲優(yōu)化結(jié)果，對前、后電纜卷放系統(tǒng)支架兩側(cè)進行重構(gòu)設(shè)計，如圖7 所示。由于未確認拓撲重構(gòu)的模型性能水平，因此對2 種重構(gòu)模型進行網(wǎng)格劃分，添加與原始模型靜力學分析一致的約束條件及載荷工況，提交求解器求解。重構(gòu)后，2 種模型的應變圖與應力圖分別如圖8 和圖9所示。

圖7 重構(gòu)前、后電纜卷放系統(tǒng)支架模型Fig.7 Reconstruct model of front and rear cable roll system frames

圖8 重構(gòu)前電纜卷放系統(tǒng)支架校核Fig.8 Check figure of reconstruct model of front cable roll system frame

圖9 重構(gòu)后電纜卷放系統(tǒng)支架校核Fig.9 Check figure of reconstruct model of rear cable roll system frame

由圖8可知，前電纜卷放系統(tǒng)支架最大變形和最大應力均位于滾筒放置處，最大變形由之前的5.845 mm降低為1.053 mm，最大應力為2.101 MPa，且遠小于材料的屈服強度，滿足強度要求。基于質(zhì)量最小化的優(yōu)化設(shè)計，模型質(zhì)量由原來的2.238 t 降低到0.996 t。

由圖9 可知，后電纜卷放系統(tǒng)支架最大變形和最大應力也位于滾筒放置處，最大變形由之前的6.471 mm 降低為1.606 mm，且最大應力遠小于材料的屈服強度。重構(gòu)后的模型質(zhì)量由原來的4.097 t降低到1.698 t。

將底座部分和頂端橫梁設(shè)計為非設(shè)計域，其余部件均為設(shè)計域。采用拓撲密度法，以質(zhì)量最小為目標函數(shù)進行拓撲優(yōu)化，約束條件、工況荷載、網(wǎng)格劃分等參數(shù)與原始模型保持一致，進行二次重構(gòu)設(shè)計，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 重構(gòu)前、后電纜卷放系統(tǒng)支架拓撲優(yōu)化結(jié)果Fig.10 Topology optimization results of the reconstruct front and rear cable roll system frames

2.3 支架二次重構(gòu)校核

根據(jù)二次拓撲優(yōu)化結(jié)果，對前、后電纜卷放系統(tǒng)支架兩側(cè)進行局部重構(gòu)設(shè)計，如圖11所示。

圖11 二次重構(gòu)前、后電纜卷放系統(tǒng)支架模型Fig.11 Secondary reconstruct model of front and rear cable roll system frames

將二次重構(gòu)的三維模型導入ANSYS 分析軟件中，添加與重構(gòu)模型靜力學分析一致的約束條件及載荷工況，結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12 二次重構(gòu)前電纜卷放系統(tǒng)支架校核Fig.12 Check figure of secondary reconstruct model of front cable roll system frame

圖13 二次重構(gòu)后電纜卷放系統(tǒng)支架校核Fig.13 Check figure of secondary reconstruct model of rear cable roll system frame

由圖12 可知，前電纜卷放系統(tǒng)支架最大變形為1.363 mm，最大應力為2.719 MPa，質(zhì)量降至0.873 t。由圖13可知，后電纜卷放系統(tǒng)支架最大變形為2.524 mm，最大應力為4.571 MPa，質(zhì)量降至1.423 t。綜上所述，在保證力學性能的前提下，支架拓撲優(yōu)化達到了預期減重的目的。同時，由于電纜智能卷放裝置的環(huán)境惡劣，前、后電纜卷放系統(tǒng)精度要求高，須確保電纜卷放系統(tǒng)支架變形小于3 mm，因此設(shè)計有較大冗余。

3 結(jié)論

（1） 建立電纜卷放系統(tǒng)支架三維模型，采用有限元方法與實際負載情況對結(jié)構(gòu)進行靜力學仿真，并通過拓撲優(yōu)化技術(shù)對原始模型進行優(yōu)化設(shè)計。

（2） 對重構(gòu)前后電纜卷放系統(tǒng)支架校核驗證，針對局部應力較小的位置進行輕量化設(shè)計，前電纜卷放系統(tǒng)支架質(zhì)量減少76%，后電纜卷放系統(tǒng)支架質(zhì)量減少65%，實現(xiàn)了支架輕量化目標。

（3） 本文的輕量化設(shè)計方案已應用于實際工程，有效地提高了整機的質(zhì)量利用系數(shù)，且服役效果良好。