田洪清

（海軍后勤技術(shù)裝備研究所，北京 100072）

0 引言

皮帶輸送機(jī)作為連續(xù)運(yùn)輸貨物的機(jī)械，在港口、礦山等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，伸縮式皮帶輸送機(jī)由二級(jí)輸送臂結(jié)構(gòu)組成，包括鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，皮帶傳送機(jī)構(gòu)，以及電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等組成。設(shè)計(jì)上要求輸送臂結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，傳動(dòng)平穩(wěn)。所采用的二級(jí)伸縮臂結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的單級(jí)定角度輸送臂結(jié)構(gòu)相比，具有輸送范圍大，靈活機(jī)動(dòng)，用占場(chǎng)地面積小的優(yōu)點(diǎn)。隨著物流產(chǎn)業(yè)鏈的不斷發(fā)展完善，使得其應(yīng)用于場(chǎng)合越來(lái)越廣泛，適用于礦山、機(jī)場(chǎng)、碼頭、倉(cāng)庫(kù)等多種重要場(chǎng)所。因此，使用三維設(shè)計(jì)仿真分析軟件對(duì)伸縮式皮帶輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)分析，對(duì)指導(dǎo)相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要意義。

伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)，由于涉及到結(jié)構(gòu)、尺寸、重量、連接等多個(gè)參數(shù)控制，以及局部應(yīng)力集中等多方面因素，設(shè)計(jì)難度大，耗時(shí)長(zhǎng)，缺少科學(xué)依據(jù)。傳統(tǒng)方法一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣，參數(shù)修改后再重新校核時(shí)間長(zhǎng)。本文通過(guò)以一款伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，提出了一種基于UG 軟件的參數(shù)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1 伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)與參數(shù)化設(shè)計(jì)基本要求

伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架的設(shè)計(jì)要求基本要素包括兩點(diǎn)，一是輸送臂整體作業(yè)長(zhǎng)度，即基本臂與伸縮臂伸出部分的長(zhǎng)度；二是輸送臂承載的最大載荷，在此條件下該載荷可視為均布載荷。受作業(yè)條件限制，伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)全收狀態(tài)時(shí)尺寸不能超過(guò)基本臂的外廓尺寸。前基本臂和伸縮臂截面均采用C 形鋼結(jié)構(gòu)。兩個(gè)平行臂架之間采用矩形橫向桿架連接，形成一個(gè)具有良好穩(wěn)定性的箱形結(jié)構(gòu)?；颈叟c伸縮臂之間采用滑動(dòng)連接方式，伸縮臂控制靠其內(nèi)部設(shè)計(jì)的鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸送臂基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Conveyer boom structure diagram

實(shí)現(xiàn)伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，就是要在滿足輸入條件的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)輸送臂截面尺寸、整體重量以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度要求之間的關(guān)系。綜上所述，伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的輸入條件與設(shè)計(jì)要求總結(jié)如下：①輸送臂的全伸展?fàn)顟B(tài)總長(zhǎng)度L1，全收攏狀態(tài)長(zhǎng)度L2；②伸縮臂與基本臂的重疊長(zhǎng)度Lp；③輸送臂的寬度S；④基本臂與伸縮臂之間滑動(dòng)連接；⑤基本臂與伸縮臂均采用兩端C 形的結(jié)構(gòu)，中間以矩形桿架結(jié)構(gòu)連接；⑥臂架強(qiáng)度要求，即安全系數(shù)np；⑦臂架剛度要求，即最大變形量zp。

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型建立

2.1 UG 軟件簡(jiǎn)介

UG 做為CAD/CAM/CAE 一體化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，功能非常強(qiáng)大，廣泛地應(yīng)用于機(jī)械新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。其中的高級(jí)有限元分析和仿真計(jì)算模塊在多年的發(fā)展過(guò)程中吸收和集成了世界優(yōu)秀的有限元設(shè)計(jì)分析計(jì)算軟件（MSC，NASTRAN，I-DEALS，LS-DYNA 等）的眾多功能和優(yōu)點(diǎn)，特別是它的結(jié)構(gòu)分析功能具有計(jì)算精度高，運(yùn)行速度快，操作界面友好的優(yōu)勢(shì)，得到了國(guó)防、航天航空、車輛、船舶、機(jī)械電子等眾多行業(yè)的接受和認(rèn)可。被廣泛地應(yīng)用于各類設(shè)計(jì)制造行業(yè)中。在UG 中，可使用草圖功能建立基本尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)的截面圖樣，再按一定的參數(shù)進(jìn)行拉伸或旋轉(zhuǎn)即可形成一定的結(jié)構(gòu)。按此方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

2.2 模型建立

伸縮式皮帶機(jī)臂架的兩級(jí)臂架結(jié)構(gòu)的基本臂和伸縮臂的結(jié)構(gòu)均采用兩側(cè)C 形板材結(jié)構(gòu)，中間連接件采用矩管管材。使用UG的基本建模功能，對(duì)基本臂、伸縮臂、連接矩形管材進(jìn)行建模。各部件參數(shù)與表1所示。

基本臂和伸縮臂及連接桿建立模型如圖2所示，定義草圖截面的各個(gè)尺寸參數(shù)，按長(zhǎng)度尺寸進(jìn)行拉伸后即可生成相應(yīng)的模型，在后續(xù)的參數(shù)化設(shè)計(jì)和分析過(guò)程中，只需改變相應(yīng)的尺寸參數(shù)，就可以對(duì)所設(shè)計(jì)的伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和仿真分析計(jì)算。

表1 輸送臂設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Conveyer boom design parameter

圖2 輸送臂結(jié)構(gòu)建模Fig.2 Conveyer boom structure modeling

3 輸送臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 臂架特征參數(shù)化建模

因俯仰角變化的設(shè)計(jì)需要，基本臂架上設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接孔和液壓油缸支撐鉸接軸，并在關(guān)鍵受力部位設(shè)有加強(qiáng)筋。在結(jié)構(gòu)建模時(shí)，需要建立與模型尺寸相對(duì)應(yīng)的參數(shù)化定位尺寸參數(shù)，如孔的定位尺寸參數(shù)等。與臂架結(jié)構(gòu)的截面的參數(shù)化建模特征相對(duì)應(yīng)，在進(jìn)行模型參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，只需要修改主要的基本固定參數(shù)，其它的參數(shù)將隨之自動(dòng)修改變化。

圖3 臂架結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模Fig.3 Conveyer boom structure parametric modeling

3.2 裝配中的參數(shù)化設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)，將基本臂和輸送臂模型在UG軟件的裝配設(shè)計(jì)模塊中進(jìn)行裝配，在伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)裝配參數(shù)化設(shè)計(jì)中，根據(jù)輸送臂架之間的裝配關(guān)系和尺寸關(guān)系可以看出，伸縮臂的設(shè)計(jì)參數(shù)與基本臂的設(shè)計(jì)參數(shù)之間有直接的關(guān)聯(lián)。由于臂架之間需要安裝伸縮滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求，基本臂與伸縮臂高度以及它們寬度之間的差為一定值。在建模與裝配過(guò)程中，建立好這些設(shè)計(jì)參數(shù)的關(guān)系，在后續(xù)的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程中，只需要改變主要的設(shè)計(jì)參數(shù)，裝配體中相應(yīng)的其它參數(shù)將隨之而變化。充分地體現(xiàn)了現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法中參數(shù)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。提高了設(shè)計(jì)、分析和仿真計(jì)算的效率。

3.3 輸送臂模型有限元分析與仿真計(jì)算

裝配體模型建立完成后，需要對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)臂架結(jié)構(gòu)的重量、強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，檢驗(yàn)其是否滿足使用要求，并在此基礎(chǔ)上對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。用UG 軟件對(duì)伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析及仿真設(shè)計(jì)基本步驟如下：①對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析前處理，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；②設(shè)定材料材質(zhì)，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)各零件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)采用3D網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；③建立邊界條件，即在基本臂的兩個(gè)鉸接點(diǎn)處，建立旋轉(zhuǎn)結(jié)束條件，基本臂和伸縮臂之間建立滑動(dòng)連接約束條件；④結(jié)構(gòu)加載，根據(jù)作業(yè)工況對(duì)輸送機(jī)臂架進(jìn)行仿真壓載，并按作業(yè)要求加載相應(yīng)的動(dòng)載，結(jié)構(gòu)邊界條件和加載效果如圖4所示；⑤仿真分析，結(jié)束以上前處理后，對(duì)全部臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)束后進(jìn)入后處理過(guò)程，查看位移和應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果，并輸出到相應(yīng)的文件中，仿真計(jì)算的強(qiáng)度和剛度結(jié)果云圖如圖5所示。

圖4 輸送臂結(jié)構(gòu)負(fù)荷加載仿真Fig.4 Conveyer boom structure simulation with load

圖5 輸送臂結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果Fig.5 Conveyer structure simulation result

3.4 利用分析結(jié)果，進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)

伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)有限元分析及仿真計(jì)算，可以保證其設(shè)計(jì)的合理性，檢驗(yàn)其強(qiáng)度、剛度等設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核。并可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高可靠性，減輕重量。根據(jù)前述參數(shù)化設(shè)計(jì)基本方法。對(duì)基本臂的高度、寬度、材料厚度等參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。表2為其中一組仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后的結(jié)果。

表2 輸送臂參數(shù)化結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果Tab.2 Conveyer parametric structure simulation calculation result

對(duì)參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果分析后可知，采用第二組數(shù)據(jù)參數(shù)尺寸來(lái)設(shè)計(jì)伸縮式皮帶輸送機(jī)臂架結(jié)構(gòu)，能夠符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)參數(shù)得到優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了基于UG的伸縮式皮帶機(jī)臂架結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程。利用該軟件對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、裝配，

并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析及仿真計(jì)算。得到該系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)合理可行的結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)結(jié)果更加可靠和優(yōu)化。在符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度條件要求的前提下，減輕重量，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該參數(shù)化設(shè)計(jì)方法為懸臂結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了一種較為實(shí)用的方法和參考。

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