鍋爐膜式壁管屏雙頭自動氣割機(jī)橫梁靜動態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1、鍋爐膜式壁管屏雙頭自動氣割機(jī)橫梁靜動態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化*劉俊1 鄭慶元1 高樂1 陸關(guān)桐2(1上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海閔行 200245 ；2上海軍劍機(jī)電設(shè)備有限公司 技術(shù)部 201108)*:上海市閔行區(qū)科委技術(shù)創(chuàng)新項目 2010MH176；上海市教育委員會重點學(xué)科資助項目（J51902）摘要:目前上海某公司膜式壁管屏制作車間“扁鋼工藝余量氣割切除”是半自動操作的，生產(chǎn)效率低、工人勞動強(qiáng)度大、氣割精度不穩(wěn)定。針對上述情況，在現(xiàn)有半自動氣割機(jī)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出全自動氣割的改造設(shè)計方案，機(jī)械系統(tǒng)采用雙軌道龍門式結(jié)構(gòu)，軌道長20米，龍門橫梁寬5.3米。為了提高龍門架的動態(tài)性能和保證氣割加工精度，對

2、橫梁進(jìn)行運(yùn)動及動力分析并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化橫梁結(jié)構(gòu)。首先采用三維數(shù)字化設(shè)計軟件UG對其進(jìn)行建模、裝配及干涉檢查，然后運(yùn)用有限元分析軟件UG Nastran對龍門架的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，再利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析，比較動態(tài)分析結(jié)果，為龍門架結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，最終實現(xiàn)龍門架結(jié)構(gòu)橫梁的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。關(guān)鍵詞：自動化，氣割機(jī)，有限元分析，動力學(xué)分析，優(yōu)化Beam Static and Dynamic Analysis and Structure Optimization of Boiler Membrane Panel Automatic Gas Cutting

3、 MachineLiu Jun1 Zheng Qingyuan1 Gao Le1 Lu Guantong21 Shanghai DianJi University, Shanghai Minhang 200245; 2 Shanghai Junjian Mechanical and Electrical Equipment Ltd. 201108Abstract: At present，Membrane Panel production workshop " the process margin of flat steel gas cutting" is semi-auto

4、matic，low production efficiency, high labor intensity, gas cutting precision is instable. In view of the above situation, the full automatic gas cutting modification design is proposed on the basis of existing semi-automatic gas cutting machine structure, mechanical system is frame with double track

5、, the track is 20 meters long, the frame is 5.3 meters wide. In order to improve the dynamic performance and to ensure gas cutting precision, optimize the beam structure of the frame on the basis of kinematic and dynamic analysis. First Using 3D CAD software UG modeling, assembling and interference

6、checking. Then using finite element analysis software UG Nastran, analyze the stress and strain of the beam. Thirdly, make kinematics and dynamics analysis by using the mechanical system dynamics analysis software ADAMS, Comparing the results of dynamic analysis, provided the basis for the optimizat

7、ion of frame structure. Finally, realize the dynamic optimization design of the beam of the frame.Key words: automation，gas cuting machine，finite element analysis，dynamic analysis，optimization1引言鍋爐管屏是由并聯(lián)管子所組成的屏狀受熱面。大容量高參數(shù)的電站鍋爐及環(huán)保型循環(huán)流化床鍋爐都廣泛地采用了膜式水冷壁結(jié)構(gòu)。目前上海某公司膜式壁管屏制作車間“扁鋼工藝余量氣割切除”是半自動手工操作的，氣割時工人要全過程跟

8、蹤，手動調(diào)整氣割槍嘴的高度和氣割角度，生產(chǎn)效率低、工人勞動強(qiáng)度大、氣割精度不穩(wěn)定。本文探討膜式壁管屏全自動氣割機(jī)的實現(xiàn)，通過對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行改造，提高設(shè)備利用率，減少支出成本，并且能夠降低工人們的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。2 自動氣割機(jī)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雙頭自動氣割機(jī)由以下幾個核心模塊組成（圖1）：氣割機(jī)軌道及沿軌道驅(qū)動、傳動系統(tǒng)；龍門架部分及沿橫梁驅(qū)動、傳動系統(tǒng)；氣割機(jī)頭上下驅(qū)動、傳動系統(tǒng)；氣割槍夾持及微調(diào)系統(tǒng)。圖1 雙頭自動氣割機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.氣割頭 2. 軌道方向驅(qū)動電機(jī) 3.氣割頭上下驅(qū)動電機(jī) 4.齒條 5. 橫梁方向驅(qū)動電機(jī)6.橫梁 7.管屏 8.管屏支架 9.導(dǎo)軌龍門氣割機(jī)運(yùn)行的有效軌

9、道長度達(dá)20米，所以主傳動采用齒輪齒條傳動，通過齒輪齒條的嚙合帶動滾輪組在導(dǎo)軌上作直線運(yùn)動，從而帶動整機(jī)運(yùn)動。兩條導(dǎo)軌有主動小車與被動小車之分，由于氣割管屏上扁鋼的工藝余量不需要保證過高的運(yùn)動軌跡精確性，所以采用單邊驅(qū)動方案。主動小車兩端裝有四個水平導(dǎo)輪，選用高精度滾輪軸承，從而保證主動小車與軌道可靠接觸定向，運(yùn)動軌跡呈直線，使整機(jī)在運(yùn)動中保持穩(wěn)定的導(dǎo)向。龍門氣割機(jī)的橫向傳動同樣采用齒輪齒條傳動，在龍門架側(cè)面安裝兩條導(dǎo)軌，通過與垂直方向傳動系統(tǒng)的六個軸承導(dǎo)輪接觸，使得Z向傳動系統(tǒng)與氣割頭部分可以平穩(wěn)地在軌道上運(yùn)行。雙頭氣割機(jī)氣割機(jī)頭都配有上下升降機(jī)構(gòu)，升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動由步進(jìn)電機(jī)控制，采用滾珠絲桿

10、螺母副傳動。氣割槍夾持及微調(diào)系統(tǒng)可以實現(xiàn)割嘴與管屏邊鰭距離的微調(diào)和氣割頭氣割角度的微調(diào)。3龍門架結(jié)構(gòu)優(yōu)化龍門架是自動氣割機(jī)機(jī)械系統(tǒng)最重的部件，又由于龍門架橫梁上裝有氣割用的傳動系統(tǒng)、氣割管道系統(tǒng)和氣割頭部分，在其運(yùn)動過程中會對龍門架的橫梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力和撓度，引起氣割機(jī)振動，從而影響雙頭自動氣割加工精度。在滿足各項要求前提下，減少龍門架的質(zhì)量是系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的重點。3.1龍門架有限元分析圖2 龍門架受力示意圖 氣割槍頭部（包括上下運(yùn)動驅(qū)動傳動系統(tǒng)）的重力及懸臂產(chǎn)生的扭矩M直接作用于橫梁，使得橫梁產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形(見圖2)，所以橫梁為龍門架的關(guān)鍵部件，它的剛度直接影響氣割精度，因此把橫梁作為主要

11、分析的對象，橫梁的最大變形量發(fā)生在雙氣割槍運(yùn)行到橫梁中間位置時。3.2龍門架優(yōu)化設(shè)計橫梁的剛度不足是影響變形的主要原因。在橫梁改進(jìn)設(shè)計中，考慮到氣割機(jī)功能要求、工作環(huán)境等方面因素，改進(jìn)時對橫梁基本結(jié)構(gòu)不作大的變動，為了在減輕重量的同時保證橫梁剛度要求，采用減輕箱體框架鋼板厚度，增加內(nèi)部筋板的方式。由于內(nèi)部筋板布局的調(diào)整可以改變橫梁的力學(xué)特性，所以要探討在加工條件允許下的最佳方案。企業(yè)現(xiàn)有龍門架結(jié)構(gòu)：龍門架橫梁是尺寸為的箱體結(jié)構(gòu)，鋼板厚度為15mm。改進(jìn)后的橫梁仍采用封閉框架結(jié)構(gòu)，壁厚由原來的15mm減少到10 mm，為保證橫梁上的滾動導(dǎo)軌具有較高的剛度，增加橫向筋板，改變橫向筋板的布置形式，獲

12、得三種不同方案如圖3所示。 方案1 直筋板 方案2 單一斜筋板 方案3 X型筋板圖3 橫梁筋板布局方案 首先用UG進(jìn)行建模，然后采用CTERA(4)實體單元對龍門架橫梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時對其施加邊界條件，獲得有限元模型，其中方案1的應(yīng)力和變形圖如圖4所示，原有方案與三種不同方案龍門架的最大應(yīng)力和最大變形如表1所示。圖4 方案1龍門架的應(yīng)力和應(yīng)變云圖表1 不同方案龍門架的最大應(yīng)力和最大變形質(zhì)量Kg最大應(yīng)力 MPa 最大變形 mm 現(xiàn)有方案933.733.5840.0833方案1717.987.2140.1186方案2876.427.4970.518方案3874.2814.450.166通過靜態(tài)的

13、有限元分析與質(zhì)量測量，得知三種方案均滿足剛度與強(qiáng)度要求，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力100MPa，最大變形量小于切割精度1mm要求，符合設(shè)計要求。由于雙頭氣割機(jī)工作時是處在運(yùn)動狀態(tài)，龍門架會因運(yùn)動而產(chǎn)生振動等狀況，所以有必要運(yùn)對龍門架進(jìn)行動力分析。3.3龍門架的動力分析將上述四種橫梁方案的UG模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行模態(tài)分析，將獲得的橫梁模態(tài)中性文件通過ADAMS中的rigid to flex功能轉(zhuǎn)換為柔性體。龍門架其余部分通過UG模型導(dǎo)入到ADAMS，并且對相應(yīng)的材料進(jìn)行定義。氣割機(jī)整機(jī)系統(tǒng)施加重力，主動輪和從動輪添加旋轉(zhuǎn)副，導(dǎo)軌添加固定副，橫梁與機(jī)架添加固定副，橫梁上的傳動系統(tǒng)和氣割頭與橫梁添

14、加固定副，主動輪和驅(qū)動輪與導(dǎo)軌添加接觸，導(dǎo)向輪與導(dǎo)軌添加接觸。已知氣割機(jī)的直線工作速度，車輪直徑，根據(jù)公式，計算得主動輪角速度，將其添加到主動輪驅(qū)動中。應(yīng)用以上四種方案建立的模型，對雙頭氣割機(jī)的運(yùn)動進(jìn)行仿真，仿真時間均為5s，30步。將兩個氣割頭部分放在他們運(yùn)動的極限位置上（最靠近橫梁中點）并且將marker點定義在龍門架橫梁的中心位置，從而可以測得橫梁上最大的撓度變化值，得到分析結(jié)果如圖5所示?，F(xiàn)有方案 方案1方案2 方案3圖5 不同方案橫梁撓度隨時間變化圖 由圖5可得橫梁最大撓度值如表2：表2 不同方案橫梁最大撓度 方案 撓度撓度最大值（mm）撓度平均值（mm）現(xiàn)有方案0.47780.23

15、36方案10.49050.2354方案20.49630.2370方案30.49950.2372 從撓度變化角度分析，四種方案均滿足氣割精度要求，經(jīng)過以上靜動態(tài)分析、比較，以保證性能前提下減輕重量為原則，初步確定采用方案1。4 雙頭氣割機(jī)雙軌單邊驅(qū)動的運(yùn)動分析雙頭氣割機(jī)的沿軌道方向的運(yùn)動是單邊驅(qū)動方式,從動小車導(dǎo)軌側(cè)僅有支撐從動輪,在運(yùn)動時會產(chǎn)生相應(yīng)的橫向振動，這樣會帶動橫梁做橫向振動，影響雙氣割頭的氣割平行度，而設(shè)計要求氣割平行度誤差在，因此需要對橫梁系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。首先將UG模型導(dǎo)入ADAMS，橫梁采用最佳直肋板結(jié)構(gòu)方案，由于橫梁是柔性件，需要通過有限元軟件將其轉(zhuǎn)換為MNF中性件，導(dǎo)入A

16、DAMS中。劃分好連桿后，對氣割機(jī)的主動輪和從動輪以及導(dǎo)輪添加轉(zhuǎn)動副，固定導(dǎo)軌，將橫梁上的氣割部分與龍門架之間添加固定約束，在主動輪，從動輪，導(dǎo)向輪與軌道之間添加接觸，根據(jù)設(shè)計要求，在主動輪部分添加氣割機(jī)工作時的線速度。為了便于測量雙頭氣割機(jī)從動輪在運(yùn)動時的橫向振動位移，在ADAMS模型的從動輪中心、從動輪接觸軌道中線位置添加兩個marker點，測量這兩點的橫向距離，得到結(jié)果如圖6所示。從動輪的最大橫向振動位移，橫向振動平均位移，工作穩(wěn)定后的橫向振動位移均在0.01mm左右，遠(yuǎn)小于設(shè)計要求（雙頭氣割平行度誤差在）。所以可知雙頭氣割機(jī)在氣割時可以保證其氣割平行度要求，最終確定采用方案一。圖6 從

17、動輪橫向位移隨時間變化5 結(jié)論本文主要研究了雙頭自動氣割機(jī)自動化改造的機(jī)械系統(tǒng)方案，采用三維數(shù)字化設(shè)計軟件UG建模，然后運(yùn)用有限元分析軟件UG Nastran對龍門架的橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)變分析，再利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析，實現(xiàn)了龍門架結(jié)構(gòu)橫梁的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，在保證整體機(jī)械性能的前提下，減少橫梁框架鋼板的厚度5 mm，減輕質(zhì)量215.75Kg。參考文獻(xiàn)1 郭衛(wèi)東等 虛擬樣機(jī)技術(shù)與ADAMS應(yīng)用實例教程M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011 2 韓紅 數(shù)控火焰切割機(jī)改造研究M.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006 3 劉皓陽 數(shù)控雙頭氣割機(jī)在超臨界鍋爐螺旋管屏制造中的應(yīng)用J.鍋爐制造.2006,（2）:3435 4 劉佳，郭保全 基于ADAMS的由初始撓度的聲管振動研究J.機(jī)械工程與自動化2011,（6）:19-20 5 張建潤，盧 熹，孫慶鴻，彭 文，姚樹健 五坐標(biāo)數(shù)控龍門加工中心動