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成功案例

刮板结构柔性化再设计

发表时间:2015/11/18 来源:安世亚太  
关键字:刮板结构  柔性化  再设计  
本文以刮板结构再设计为例,诠释传统工业品再设计发生、实现的过程,以及如何结合精密铸造和工程仿真技术的优势,实现工业品设计的“刚柔并济”“随需而动”,从而使得工业品获得更加卓越的性能。

    安世亚太与苏氏集团结为战略联盟,提出工业再设计,开启了对传统工业品设计过程和工艺过程进行优化、完善与升级。利用精密铸造和工程仿真的优势,通过材料的重新布局和选择,形成工业品结构上的创新,实现结构力学与材料力学的最优化组合,使产品具有等强度、等刚性、刚柔并济、随力应变等特性,对当前产品的性能、可靠性、成本、体积、能耗等产生跨量级的正面影响。

    本文以刮板结构再设计为例,诠释传统工业品再设计发生、实现的过程,以及如何结合精密铸造和工程仿真技术的优势,实现工业品设计的“刚柔并济”“随需而动”,从而使得工业品获得更加卓越的性能。

项目背景

    刮板是井下采煤刮板运输机的主要部件,是影响运输机使用性能的关键环节。煤炭井下运输中,在链条的拉动下,刮板在两侧的轨道中滑动,进而实现对煤炭的输送。由于实际工作中,轨道往往无法保证平直,加之煤炭等的对滑动的影响,因此刮板与轨道间存在一定程度的卡涩现象,加大传动功率往往容易造成链条的破坏。掉链、跳链故障严重影响了采煤生产的正常进行。而导致刮板故障频发的根本原因,在于刮板结构刚性过大,卡涩时不能合理退让。改变现有的刮板结构,使其更加柔性化,达到“刚柔并济”,在以前很大程度上受制于工艺的限制,但是现在苏氏精密铸造工艺“无论多复杂都能制造”的优势,提供了解决问题的重要契机。因此,满足用户需求,提出对传统刮板机进行再设计改造。

解决方案

    基于苏氏精密铸造工艺,提出刮板结构再设计方案:改变原整体刚性刮板结构,采用仿真及拓扑优化技术,发明了中部槽结构、及穿越式弹性结构件的专利设计,在载荷作用下产生弹性变形,提供对卡涩的合理避让,从根本上解决断链问题。穿越式弹性结构打破了传统刚性刮板结构的设计规范和标准,需要通过仿真优化手段,对该创新设计进行全面的刚度、强度及变形等仿真分析,实现快速验证、迭代优化。

    (一)传统刮板与弹性刮板对比分析

    分析弹性刮板力学性能及退让功能,对原整体刮板与弹性刮板进行了对比分析。仿真结果验证:传统刮板中部挠度明显大于两端,刚度过大,卡涩时不能合理退让;防阻滞弹性刮板在运行中遇卡涩后,可在弹性范围内产生有效变形,刮板能顺利通过卡滞点继续工作。

图1 传统刮板位移云图

图2 弹性刮板位移云图

    (二)弹性刮板结构仿真分析

    通过采用有限元分析法,对弹性刮板结构进行了刚度、强度等全面仿真分析与方案对比。基于仿真计算结果,对弹性刮板结构强度、厚度、高度、结构直径等要素进行设计调整,实现结构合理受力分配,达到“刚柔并济”“随力应变”的效果。新的弹性刮板结构在性能、结构刚度、承载能力、变形能力等方面皆高于传统刮板结构,并且能实现减重33%。

图3 极限时刻应力(MPa)

图4 极限时刻等效应变

    (三)工艺试验

    穿越式弹性结构集结构足够刚性与足够可控的弹性变形于一体,传统工艺难度大,加工成本高,目前在技术上和经济上均可行的的成型工艺是苏氏溶模精密铸造,已进行了多品种类型的原理样件工艺试制,证明工艺可行、减重明显、结构可靠,能达到设计要求。

图5 原刚性结构

图6 穿越式结构

客户价值

    采用效法自然的穿越式结构,辅以减厚加筋处理,并采用苏氏精密铸造技术整体成型,在不降低性能指标的前提下,每个刮板重量减少33%(13.2Kg),每辆运输机至少200个刮板,能减少2.6吨重量。

    一体化制造优势,省略了焊接环节及其他各种连接模式,提高了装备的整体可靠性,并极大地减少了污染。并且,整体结构有精确的近净形尺寸精度与形位公差,减少了后续的机械加工甚至免加工,可实现使用过程中的高效率替换和维修。

    穿越弹性结构采用刚柔并济、自调节伸缩设计思想,实现了结构合理受力分配,减少刮板机在卡滞下的机械损耗,改变其他受力构件的受力分配,并使其他结构均能有条件开展大幅减重再设计,从而为整个刮板机的再设计打开了一扇巨大的窗户。