楊 權(quán)，王桂生，吳 波，西成才

(1.宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000； 2.安徽儒特實(shí)業(yè)有限公司，安徽 宿州 234000)

在工業(yè)飛速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，精細(xì)化研磨加工也在快速發(fā)展，安徽儒特實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的RTSM-0.2臥式研磨機(jī)研磨顆粒目前已達(dá)到微米級(jí)，有效提高了墨水材料的研磨水平.研磨設(shè)備作為工業(yè)發(fā)展過程中的重要內(nèi)容，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)已成為包括工程機(jī)械在內(nèi)的制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1].

底座作為RTSM-0.2臥式研磨機(jī)零部件中重要的承載件，對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)可以減輕臥式研磨機(jī)質(zhì)量，同時(shí)滿足磨機(jī)正常工作要求的安全可靠性.哈爾濱商業(yè)大學(xué)的李鷺[2]通過對(duì)砂磨機(jī)研磨過程進(jìn)行研究，以研磨過程為研究對(duì)象，然后再對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和仿真分析，最后得到了磨砂機(jī)在研磨過程中有待改善的地方，為研究研磨過程提供了一定的參考.大連交通大學(xué)的朱瑤瑤[3]在保證地鐵車輛車體結(jié)構(gòu)性能安全的前提下，通過拓?fù)浼俺叽鐑?yōu)化技術(shù)對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的輕量化設(shè)計(jì)與改進(jìn)，對(duì)地鐵車輛的輕量化設(shè)計(jì)具有重要意義.王楓[4]對(duì)列車箱體輕量化設(shè)計(jì)，首先利用ANSYS軟件對(duì)空調(diào)箱體進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，然后對(duì)箱體側(cè)板厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化，最后對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核.江蘇大學(xué)的李勇[5]利用ANSYS Workbench有限元仿真軟件，計(jì)算靜態(tài)工況與動(dòng)態(tài)工況下自卸車貨箱底板的應(yīng)力分布和變形量.提出對(duì)貨箱底板中部橫梁的輕量化設(shè)計(jì)方案，并對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的貨箱底板變形量進(jìn)行仿真，驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)方案的合理性.

本文主要針對(duì)安徽儒特實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的RTSM-0.2臥式研磨機(jī)底座進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì).底座整體重量為27.65 kg，雖然產(chǎn)品已經(jīng)投入使用，但成本較高.因此公司提出在安全使用的基礎(chǔ)上對(duì)底座進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，從而節(jié)約生產(chǎn)材料，進(jìn)一步提高公司經(jīng)濟(jì)效益.

1 底座建模與有限元分析

1.1 RTSM-0.2臥式研磨機(jī)底座的建模與受力 分析

研磨機(jī)底座結(jié)構(gòu)主要由底板、地腳支撐和筋板支架組成.根據(jù)底座的實(shí)體尺寸參數(shù)，應(yīng)用Pro/E軟件繪制出底座的三維實(shí)體模型，建模過程中，對(duì)模型中影響有限元網(wǎng)格質(zhì)量的但是強(qiáng)度要求不高的倒角、圓角及螺栓孔等細(xì)小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化[6]，如圖1所示.同時(shí)將模型保存副本為實(shí)體x _t格式，方便后續(xù)導(dǎo)入ANSYS workbench模塊進(jìn)行分析.研磨機(jī)底座選用0Cr17Ni12Mo2材料，密度7 800 kg/m3，力學(xué)性能參數(shù)中屈服強(qiáng)度為177 MPa，抗拉強(qiáng)度為480 MPa.對(duì)底座各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)尺寸采用3 mm，共產(chǎn)生91 035個(gè)四面實(shí)體單元， 43 777個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2所示.

圖1 底座三維模型示意圖

圖2 底座網(wǎng)格劃分示意圖

網(wǎng)格劃分完成之后，為底座添加約束條件，約束部位位于底板下面的四個(gè)地腳支撐端面，端面施加固定全約束，如圖3所示.同時(shí)對(duì)底座施加載荷，支架中心圓孔作為承受載荷部位，承受電機(jī)重量，通過計(jì)算得到電機(jī)重量100 kg，因此可以采用沿中心圓弧下半圓添加方向垂直向下的大小為1000 N的力，如圖4所示.

圖3 底座約束示意圖

1.2 磨機(jī)底座有限元分析結(jié)果

模型處理完成后，利用軟件對(duì)底座進(jìn)行有限元方法求解，模擬得出底座等效應(yīng)力云圖、位移云圖和安全系數(shù)云圖，從圖中得到底座的安全系數(shù)分布、應(yīng)力大小分布以及底座的變形量分布，如圖5～圖7所示.

圖4 底座加載分布示意圖

圖5 底座等效應(yīng)力云圖

圖6 底座變形分布云圖

圖7 底座安全系數(shù)云圖

從上圖可以得到，底座最大等效應(yīng)力值為50.829 MPa，位于底座底板與筋板連接處，此處連接尺寸發(fā)生較大變化，存在一定的應(yīng)力集中，但應(yīng)力最大值遠(yuǎn)小于底座材料的屈服強(qiáng)度177 Mpa.底座結(jié)構(gòu)中底板變形量最大，達(dá)到0.30 276 mm，相對(duì)底板尺寸400 mm×400 mm，僅占比0.0 076 %，變形較小.底座安全系數(shù)為4.9 156.底座結(jié)構(gòu)存在較大的安全裕度，因此可以在此基礎(chǔ)上，對(duì)研磨機(jī)底座進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì).

2 RTSM-0.2臥式研磨機(jī)底座的輕 量化設(shè)計(jì)

本次對(duì)于RTSM-0.2臥式研磨機(jī)底座優(yōu)化的方向主要是輕量化設(shè)計(jì)，在滿足承載要求及安全性能的條件下，采用改變底座底板的結(jié)構(gòu)尺寸大小來進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，去除相應(yīng)的結(jié)構(gòu)可以節(jié)省材料，完成綠色生產(chǎn)的目標(biāo).設(shè)計(jì)方案為底座底板上去除一塊260 mm×170 mm的矩形以及一個(gè)半徑為130 mm的半圓形，再利用Workbench軟件進(jìn)行有限元分析，對(duì)比設(shè)計(jì)前后的各項(xiàng)參數(shù)，來判斷輕量化設(shè)計(jì)是否合理.

根據(jù)上述方案，輕量化設(shè)計(jì)前、后的底座三維模型對(duì)比如圖8和圖9所示.

圖8 輕量化前底座三維模型圖

圖9 輕量化后底座三維模型圖

從輕量化設(shè)計(jì)前后的三維模型圖可以看出，輕量化設(shè)計(jì)后的底座僅僅改變了底部底板的結(jié)構(gòu)尺寸，其他組成結(jié)構(gòu)尺寸并未發(fā)生改變.

3 RTSM-0.2臥式研磨機(jī)輕量化結(jié) 果分析對(duì)比

對(duì)輕量化設(shè)計(jì)后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、施加約束載荷及邊界條件，產(chǎn)生單元數(shù)67 098，節(jié)點(diǎn)數(shù)共有35 658個(gè)；全約束施加于4個(gè)地腳螺栓的端面，受力條件同樣位于支架中心孔下半圓弧，方向垂直向下，載荷為1 000 N的力.

RTSM-0.2臥式研磨機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)后等效應(yīng)力分布示意圖如圖10所示.

圖10 輕量化設(shè)計(jì)后的底座等效應(yīng)力圖

從圖10來看，輕量化設(shè)計(jì)之前的最大應(yīng)力為50.859 Mpa，輕量化設(shè)計(jì)之后的最大應(yīng)力為40.043 Mpa，輕量化設(shè)計(jì)后的最大應(yīng)力值比設(shè)計(jì)前的最大應(yīng)力值降低了10.816 Mpa，最大應(yīng)力位置保持不變，既滿足了底座的應(yīng)力許用要求，又使應(yīng)力數(shù)值得到相應(yīng)的降低，達(dá)到設(shè)計(jì)要求.

RTSM-0.2臥式研磨機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)后變形量分布如圖11所示.

圖11 輕量化設(shè)計(jì)后的底座變形量示意圖

通過分析對(duì)比可以看到，底座輕量化前后的最大變形位置基本不變，輕量化設(shè)計(jì)前的最大變形量為0.30 276 mm，輕量化設(shè)計(jì)后的底座變形量為0.56 883 mm，雖然相比優(yōu)化前位移增加了0.26 607 mm，對(duì)于底座尺寸400 mm×400 mm來說，增加變化幅度為0.66 %，可以認(rèn)為不影響底座的性能和安全性.

RTSM-0.2臥式研磨機(jī)的輕量化前后底座安全系數(shù)情況如圖12所示.

圖12 優(yōu)化后底座安全系數(shù)圖

從上述輕量化前后的圖7和圖12安全系數(shù)圖可以看到，底座輕量化前的安全系數(shù)為4.9 156，優(yōu)化后的底座安全系數(shù)為5.6 809，安全系數(shù)增加了0.7 653.

4 結(jié)論

針對(duì)RTSM-0.2臥式研磨機(jī)進(jìn)行了輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要研究的結(jié)果有以下幾點(diǎn).

(1)輕量化設(shè)計(jì)前的網(wǎng)格數(shù)為91 035，節(jié)點(diǎn)數(shù)為43 777個(gè)，而輕量化設(shè)計(jì)之后的網(wǎng)格數(shù)是67 098，節(jié)點(diǎn)數(shù)為35 658個(gè)；

(2)輕量化設(shè)計(jì)之前的最大應(yīng)力值為50.859 MPa，輕量化設(shè)計(jì)之后則為40.043 MPa，輕量化設(shè)計(jì)之前底座的最大位移為0.30 276 mm，輕量化設(shè)計(jì)之后的底座最大位移為0.56 883 mm；輕量化設(shè)計(jì)前安全系數(shù)是4.9 156，輕量化設(shè)計(jì)后的安全系數(shù)為5.6 809；

(3)輕量化設(shè)計(jì)前的底座質(zhì)量為27.65 kg，輕量化設(shè)計(jì)后的底座質(zhì)量為22.66 kg，整體上質(zhì)量減少了4.99 kg，約占整體質(zhì)量的18.05 %，并且通過有限元分析結(jié)果顯示以及計(jì)算發(fā)現(xiàn)，底座的整體質(zhì)量下降，但安全性能沒有受到影響.

安徽儒特實(shí)業(yè)有限公司已采用輕量化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行生產(chǎn)，截止目前尚未出現(xiàn)相應(yīng)的底座結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象.