姜紅敏，吳文江，劉 旋

( 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北省 石家莊 050043)

絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

姜紅敏，吳文江，劉 旋

( 石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北省 石家莊 050043)

平移機(jī)構(gòu)是絕緣子清潔裝置底盤中的重要組成部分，在工作過程中承受整個(gè)裝置的重力載荷，平移機(jī)構(gòu)工作性能的好壞直接影響絕緣子清潔裝置工作平順性和壽命。針對絕緣清潔裝置平移機(jī)構(gòu)利用SolidWorks對本裝置零部件進(jìn)行建模和裝配，得到本裝置三維模型。將平移機(jī)構(gòu)導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析得到工作條件下的應(yīng)力應(yīng)變，并對平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，為絕緣子清潔裝置研究提供理論依據(jù)，減少絕緣子清潔裝置開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。

絕緣子；平移機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；ANSYS Workbench

由于大氣中的污染物在鐵道線路接觸網(wǎng)絕緣子上的沉積，造成電網(wǎng)污閃事故頻發(fā)[1]，從而嚴(yán)重影響鐵道線路的正常運(yùn)營。目前普遍采用的人工清潔絕緣子方法存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、清潔效果差的缺點(diǎn)，因此研究絕緣子清潔裝置對于保證鐵路電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重要意義，本文從絕緣子清潔效果、效率和環(huán)保的角度考慮，以絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)為研究對象，利用SolidWorks功能對絕緣子清潔裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三維模型建立[2]；本裝置和軌道車配合使用，由于軌道車停車位置難以做到十分精確，因此本絕緣子清潔裝置底盤位置上設(shè)計(jì)一種平移機(jī)構(gòu)，本文借助ANSYS workbench軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能對本裝置平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化，用以得到最佳平移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

1 平移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SolidWorks是如今國內(nèi)常用的的繪圖軟件之一，利用SolidWorks軟件對絕緣子清潔裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各部分零件三維建模、裝配，得到絕緣子清潔裝置三維模型圖，如圖1所示，本裝置主要由底盤、支架、機(jī)械臂、控制系統(tǒng)等部分組成，其中底盤部分由平移機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。

平移機(jī)構(gòu)主要承擔(dān)整個(gè)裝置的重量載荷，是整個(gè)裝置關(guān)鍵的部分之一，本平移機(jī)構(gòu)主要由矩形框架、直線導(dǎo)軌、滑塊、墊片、底板1、底板2組成，圖2為平移機(jī)構(gòu)三維模型。平移機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度決定該種絕緣子清潔裝置是否能滿足實(shí)際需要，因此主要對絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，并對平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，表1為平移機(jī)構(gòu)技術(shù)參。

表1 平移機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)

2 絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析

在使用workbench軟件對絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析是整個(gè)有限元分析最基礎(chǔ)的內(nèi)容，對于線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析方程如下：

[K]{x}=[F]

(1)

式中：[K]為剛度矩陣；{x}為位移矢量；[F]為靜載荷。假設(shè)材料為線彈性，結(jié)構(gòu)小變形，則[K]為常量矩陣且必須是連續(xù)的，[F]為靜態(tài)加載到模型上的力，該力不隨時(shí)間變化，不包括慣性影響因素(質(zhì)量、阻尼等)[3]。

2.1 有限元模型導(dǎo)入

在進(jìn)行workbench分析前，先根據(jù)實(shí)際工作過程中各個(gè)零部件之間的相對關(guān)系對平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和簡化，因?yàn)榈装?、底板2、墊片等幾個(gè)零件之間并無相對運(yùn)動(dòng)且材質(zhì)一致，故在solidworks建模時(shí)將這幾個(gè)零件建為一個(gè)整體。后建立有限元分析模型[4]，將上述簡化模型在workbench軟件中打開，建立Static Structural模塊，對于本項(xiàng)目來說，平移機(jī)構(gòu)為線性導(dǎo)軌、滑塊、底板1、底板2及墊片，其中導(dǎo)軌和滑塊型號(hào)為HR-30W，材料為合金鋼(GCr15)，彈性模量為208 GPa,泊松比為0.3，密度為7 810 kg/m3；與直線導(dǎo)軌連接的矩形框架、墊片以及底板1，底板2選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，型號(hào)為Q235，彈性模量為200 GPa,泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

將平移機(jī)構(gòu)劃分網(wǎng)格為10mm，得到平移機(jī)構(gòu)網(wǎng)格如圖3，根據(jù)實(shí)際絕緣子清潔裝置的工作情況對絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行約束，本平移機(jī)構(gòu)主要承受整個(gè)裝置的重力載荷[5]，其質(zhì)量約400 kg，集中分布在底板2中心孔孔心為圓心直徑為230mm的圓上，底板上分擔(dān)重力載荷大小為3 920 N，由應(yīng)力公式得,應(yīng)力約為0.82 MPa。

(2)

(3)

式中：D為實(shí)際受力圓直徑，d為底板2上鏤空圓直徑，d‘為螺紋孔直徑。

2.2 平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析

由圖4平移機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖可知，平移機(jī)構(gòu)的應(yīng)力主要集中在底板2上，其數(shù)值約為0 MPa～30.79 MPa,最大應(yīng)力在底板2中心附近，大小為30.79 MPa；由圖5平移機(jī)構(gòu)變形圖可知，絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)的主要變形之中在底板2上且形變在底板2中間較大，兩側(cè)較小，其最大數(shù)值為：0.23 mm；由圖6絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)應(yīng)變云圖可知，絕緣子清潔裝置工作時(shí)應(yīng)變主要集中底板2中心為圓心的直徑為230 mm的圓上，最大值為：0.000 157 mm。

根據(jù)workbench分析出的平移機(jī)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變云圖以及變形圖可知，實(shí)際工作時(shí)平移機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力位于底板2，大小為30.79 MPa，而材料的強(qiáng)度極限為250 MPa此時(shí)平移機(jī)構(gòu)安全系數(shù)250/30.79=8.11>Nmin(Nmin=1.2)，最大變形發(fā)生在底板2上，大小為0.23 mm，符合材料性能，故在實(shí)際工作時(shí)強(qiáng)度符合要求且有優(yōu)化設(shè)計(jì)空間，因此為了實(shí)現(xiàn)絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)的輕量化和裝置加工成本的低廉化，應(yīng)該對平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

所述結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指將實(shí)際中的工程問題轉(zhuǎn)換為最優(yōu)化問題，最優(yōu)化問題是尋找恰當(dāng)?shù)姆椒?，從滿足可行性要求的方案中尋找能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

筆者利用ANSYS Workbench中的Shape Optimization，將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為控制體積約束條件為0.7，實(shí)現(xiàn)絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)中底板2快速優(yōu)化，優(yōu)化后絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)網(wǎng)格圖7。

根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果如圖8a),b)，c),d)底板2可知：

根據(jù)圖8優(yōu)化后各參數(shù)可知，優(yōu)化后實(shí)際工作時(shí)平移機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力位于底板2，大小為59.417 MPa，而材料的強(qiáng)度極限為250 MPa，此時(shí)平移機(jī)構(gòu)安全系數(shù)250/59.417=4.2>Nmin(Nmin=1.2)，最大變形發(fā)生在底板2上，大小為0.37 mm，同樣符合材料性能，更充分利用了材料性能，且底板2優(yōu)化前質(zhì)量為37.536 kg，優(yōu)化后質(zhì)量為30 kg，節(jié)省材料節(jié)約成本，因此初步形狀優(yōu)化合理。

4 平移機(jī)構(gòu)底板2尺寸優(yōu)化

根據(jù)ANSYS Workbench 軟件中的Direct Optimization的強(qiáng)度尺寸優(yōu)化功能，將進(jìn)行了初步結(jié)構(gòu)優(yōu)化的絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)導(dǎo)入其中，設(shè)定底板2腰型孔長度一半為參數(shù)DS_D1，底板2腰型孔寬度為參數(shù)DS_D2，底板2厚度為參數(shù)DS_H1，并設(shè)定底板2的Maximum Equivalent Stress為優(yōu)化目標(biāo)值，對平移機(jī)構(gòu)底板2進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置變量范圍如圖9。

根據(jù)實(shí)際參數(shù)設(shè)定，預(yù)先設(shè)定樣本數(shù)15個(gè)，候選數(shù)3個(gè)，求解并顯示分析結(jié)果，如圖10。

由圖10可知，當(dāng)?shù)装?腰型孔長度一半為121 mm，寬度為85.2 mm，厚度為10.333 mm時(shí)，在工作過程中，底板2 Maximum Equivalent Stress為150.73MPa，此時(shí)安全系數(shù)250/150.73=1.65>Nmin(Nmin=1.2)，并且最大形變量為2.1 mm，優(yōu)化后底板2質(zhì)量16.725 kg,更能充分利用材料。

5 結(jié)語

筆者通過SolidWorks對絕緣子清潔裝置平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，將三維模型導(dǎo)入workbench中，對平移機(jī)構(gòu)的進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析后，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這為絕緣子清潔裝置的設(shè)計(jì)大大減少了開發(fā)周期，縮小成本開支，更充分利用了材料性能，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和壽命。

[1] 莫寶律.輸電線路絕緣子防污閃技術(shù)研究及預(yù)防措施[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2015,33(5):103-107.

[2] 劉長征譯.精通SolidWorks2003[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[3] 劉江.ANSYS14.5 Workbench機(jī)械仿真實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[4] 毛泉紅,溫彤,聶君臣.基于有限元分析的摩托車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2007,36(5):35-37.

[5] 孫景福.絕緣子帶電干冰清洗機(jī)器人平移機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2015,192(5):77-79.

SimulationofTranslationMechanismofInsulatorCleaningDevice

JIANG Hong-min, WU Wen-jiang, LIU Xuan

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang050043, Hebei, China)

An important part of the insulator cleaning device is translating mechanism， withstanding gravity of the entire apparatus in the course of its work load. The translation mechanism directly impacted the performance of the entire device work of the ride and life. The translator component was modeled and assembled by SolidWorks software, and three-dimensional model obtained insulator cleaning device. The translation mechanism was introduced into ANSYS Workbench software, which means translating agencies static analysis of the stress strain their working conditions, and the translation mechanism is optimized to obtain a better design programs to improve the translation mechanism stable. This provided a theoretical basis for research insulator cleaning device, reducing insulator cleaning device development cycle and reducing development costs.

insulator; translation mechanism; optimization design; ANSYS Workbench

2017-03-28

姜紅敏(1990-)，女，河北廊坊人，在讀碩士，主要研究方向?yàn)樵O(shè)備輕量化設(shè)計(jì)，E-mail：13393236532@163.com。

TH122

A

1008-9446(2017)06-0035-04