鍋爐膜式壁管屏雙頭自動氣割機橫梁靜動態(tài)分析與結構優(yōu)化

1、鍋爐膜式壁管屏雙頭自動氣割機橫梁靜動態(tài)分析與結構優(yōu)化*劉俊1 鄭慶元1 高樂1 陸關桐2(1上海電機學院 機械學院，上海閔行 200245 ；2上海軍劍機電設備有限公司 技術部 201108)*:上海市閔行區(qū)科委技術創(chuàng)新項目 2010MH176；上海市教育委員會重點學科資助項目（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，生產效率低、工人勞動強度大、氣割精度不穩(wěn)定。針對上述情況，在現(xiàn)有半自動氣割機的結構基礎上提出全自動氣割的改造設計方案，機械系統(tǒng)采用雙軌道龍門式結構，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、橫梁進行運動及動力分析并在此基礎上優(yōu)化橫梁結構。首先采用三維數字化設計軟件UG對其進行建模、裝配及干涉檢查，然后運用有限元分析軟件UG Nastran對龍門架的橫梁結構進行應力、應變分析，再利用機械系統(tǒng)動力學分析軟件ADAMS對其進行運動學與動力學分析，比較動態(tài)分析結果，為龍門架結構優(yōu)化提供依據，最終實現(xiàn)龍門架結構橫梁的動態(tài)優(yōu)化設計。關鍵詞：自動化，氣割機，有限元分析，動力學分析，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構。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，手動調整氣割槍嘴的高度和氣割角度，生產效率低、工人勞動強度大、氣割精度不穩(wěn)定。本文探討膜式壁管屏全自動氣割機的實現(xiàn)，通過對現(xiàn)有的設備進行改造，提高設備利用率，減少支出成本，并且能夠降低工人們的勞動強度，提高生產效率。2 自動氣割機機械系統(tǒng)結構雙頭自動氣割機由以下幾個核心模塊組成（圖1）：氣割機軌道及沿軌道驅動、傳動系統(tǒng)；龍門架部分及沿橫梁驅動、傳動系統(tǒng)；氣割機頭上下驅動、傳動系統(tǒng)；氣割槍夾持及微調系統(tǒng)。圖1 雙頭自動氣割機系統(tǒng)結構示意圖1.氣割頭 2. 軌道方向驅動電機 3.氣割頭上下驅動電機 4.齒條 5. 橫梁方向驅動電機6.橫梁 7.管屏 8.管屏支架 9.導軌龍門氣割機運行的有效軌

9、道長度達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軌上作直線運動，從而帶動整機運動。兩條導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動軌跡精確性，所以采用單邊驅動方案。主動小車兩端裝有四個水平導輪，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，運動軌跡呈直線，使整機在運動中保持穩(wěn)定的導向。龍門氣割機的橫向傳動同樣采用齒輪齒條傳動，在龍門架側面安裝兩條導軌，通過與垂直方向傳動系統(tǒng)的六個軸承導輪接觸，使得Z向傳動系統(tǒng)與氣割頭部分可以平穩(wěn)地在軌道上運行。雙頭氣割機氣割機頭都配有上下升降機構，升降機構的驅動由步進電機控制，采用滾珠絲桿

10、螺母副傳動。氣割槍夾持及微調系統(tǒng)可以實現(xiàn)割嘴與管屏邊鰭距離的微調和氣割頭氣割角度的微調。3龍門架結構優(yōu)化龍門架是自動氣割機機械系統(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，在其運動過程中會對龍門架的橫梁結構產生作用力和撓度，引起氣割機振動，從而影響雙頭自動氣割加工精度。在滿足各項要求前提下，減少龍門架的質量是系統(tǒng)優(yōu)化設計的重點。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（包括上下運動驅動傳動系統(tǒng)）的重力及懸臂產生的扭矩M直接作用于橫梁，使得橫梁產生彎曲、扭轉變形(見圖2)，所以橫梁為龍門架的關鍵部件，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)生在雙氣割槍運行到橫梁中間位置時。3.2龍門架優(yōu)化設計橫梁的剛度不足是影響變形的主要原因。在橫梁改進設計中，考慮到氣割機功能要求、工作環(huán)境等方面因素，改進時對橫梁基本結構不作大的變動，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，增加內部筋板的方式。由于內部筋板布局的調整可以改變橫梁的力學特性，所以要探討在加工條件允許下的最佳方案。企業(yè)現(xiàn)有龍門架結構：龍門架橫梁是尺寸為的箱體結構，鋼板厚度為15mm。改進后的橫梁仍采用封閉框架結構，壁厚由原來的15mm減少到10 mm，為保證橫梁上的滾動導軌具有較高的剛度，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進行建模，然后采用CTERA(4)實體單元對龍門架橫梁進行網格劃分，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力和最大變形如表1所示。圖4 方案1龍門架的應力和應變云圖表1 不同方案龍門架的最大應力和最大變形質量Kg最大應力 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、有限元分析與質量測量，得知三種方案均滿足剛度與強度要求，最大應力遠小于許用應力100MPa，最大變形量小于切割精度1mm要求，符合設計要求。由于雙頭氣割機工作時是處在運動狀態(tài)，龍門架會因運動而產生振動等狀況，所以有必要運對龍門架進行動力分析。3.3龍門架的動力分析將上述四種橫梁方案的UG模型導入到ADAMS中進行模態(tài)分析，將獲得的橫梁模態(tài)中性文件通過ADAMS中的rigid to flex功能轉換為柔性體。龍門架其余部分通過UG模型導入到ADAMS，并且對相應的材料進行定義。氣割機整機系統(tǒng)施加重力，主動輪和從動輪添加旋轉副，導軌添加固定副，橫梁與機架添加固定副，橫梁上的傳動系統(tǒng)和氣割頭與橫梁添

14、加固定副，主動輪和驅動輪與導軌添加接觸，導向輪與導軌添加接觸。已知氣割機的直線工作速度，車輪直徑，根據公式，計算得主動輪角速度，將其添加到主動輪驅動中。應用以上四種方案建立的模型，對雙頭氣割機的運動進行仿真，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 雙頭氣割機雙軌單邊驅動的運動分析雙頭氣割機的沿軌道方向的運動是單邊驅動方式,從動小車導軌側僅有支撐從動輪,在運動時會產生相應的橫向振動，這樣會帶動橫梁做橫向振動，影響雙氣割頭的氣割平行度，而設計要求氣割平行度誤差在，因此需要對橫梁系統(tǒng)進行運動學分析。首先將UG模型導入ADAMS，橫梁采用最佳直肋板結構方案，由于橫梁是柔性件，需要通過有限元軟件將其轉換為MNF中性件，導入A

16、DAMS中。劃分好連桿后，對氣割機的主動輪和從動輪以及導輪添加轉動副，固定導軌，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，導向輪與軌道之間添加接觸，根據設計要求，在主動輪部分添加氣割機工作時的線速度。為了便于測量雙頭氣割機從動輪在運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，遠小于設計要求（雙頭氣割平行度誤差在）。所以可知雙頭氣割機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 結論本文主要研究了雙頭自動氣割機自動化改造的機械系統(tǒng)方案，采用三維數字化設計軟件UG建模，然后運用有限元分析軟件UG Nastran對龍門架的橫梁結構進行了應變分析，再利用機械系統(tǒng)動力學分析軟件ADAMS對其進行運動學與動力學分析，實現(xiàn)了龍門架結構橫梁的動態(tài)優(yōu)化設計，在保證整體機械性能的前提下，減少橫梁框架鋼板的厚度5 mm，減輕質量215.75Kg。參考文獻1 郭衛(wèi)東等 虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程M.北京：北京航空航天大學出版社，2011 2 韓紅 數控火焰切割機改造研究M.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006 3 劉皓陽 數控雙頭氣割機在超臨界鍋爐螺旋管屏制造中的應用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 五坐標數控龍門加工中心動