刚柔并济随力应变刮板结构柔性化再设计案例分享.PDF

带格式的: 左 刚柔并济 随力应变 刮板结构柔性化再设计案例分享 安世亚太与苏氏集团结为战略联盟，提出工业再设计，开启了对传统工业品设计过程和 工艺过程进行优化、完善与升级。利用精密铸造和工程仿真的优势，通过材料的重新布局和 选择，形成工业品结构上的创新，实现结构力学与材料力学的最优化组合，使产品具有等强 度、等刚性、刚柔并济、随力应变等特性，对当前产品的性能、可靠性、成本、体积、能耗 等产生跨量级的正面影响。 本文以刮板结构再设计为例，诠释传统工业品再设计发生、实现的过程，以及如何结合 精密铸造和工程仿真技术的优势，实现工业品设计的“刚柔并济”“随需而动”，从而使得工 业品获得更加卓越的性能。 项目背景 刮板是井下采煤刮板运输机的主要部件，是影响运输机使用性能的关键环节。煤炭井下 运输中，在链条的拉动下，刮板在两侧的轨道中滑动，进而实现对煤炭的输送。由于实际工 作中，轨道往往无法保证平直，加之煤炭等的对滑动的影响，因此刮板与轨道间存在一定程 度的卡涩现象，加大传动功率往往容易造成链条的破坏。掉链、跳链故障严重影响了采煤生 产的正常进行。而导致刮板故障频发的根本原因，在于刮板结构刚性过大，卡涩时不能合理 退让。改变现有的刮板结构，使其更加柔性化，达到“刚柔并济”，在以前很大程度上受制 于工艺的限制，但是现在苏氏精密铸造工艺“无论多复杂都能制造”的优势，提供了解决问 题的重要契机。因此，满足用户需求，提出对传统刮板机进行再设计改造。 解决方案 基于苏氏精密铸造工艺，提出刮板结构再设计方案：改变原整体刚性刮板结构，采用仿 真及拓扑优化技术，发明了中部槽结构、及穿越式弹性结构件的专利设计，在载荷作用下产 生弹性变形，提供对卡涩的合理避让，从根本上解决断链问题。穿越式弹性结构打破了传统 刚性刮板结构的设计规范和标准，需要通过仿真优化手段，对该创新设计进行全面的刚度、 强度及变形等仿真分析，实现快速验证、迭代优化。 （一）传统刮板与弹性刮板对比分析 分析弹性刮板力学性能及退让功能，对原整体刮板与弹性刮板进行了对比分析。仿真结 果验证：传统刮板中部挠度明显大于两端，刚度过大，卡涩时不能合理退让；防阻滞弹性刮 板在运行中遇卡涩后，可在弹性范围内产生有效变形，刮板能顺利通过卡滞点继续工作。 带格式的: 左 传统刮板位移云图 弹性刮板位移云图 （二）弹性刮板结构仿真分析 通过采用有限元分析法，对弹性刮板结构进行了刚度、强度等全面仿真分析与方案对比。 基于仿真计算结果，对弹性刮板结构强度、厚度、高度、结构直径等要素进行设计调整，实 现结构合理受力分配，达到“刚柔并济”“随力应变”的效果。新的弹性刮板结构在性能、 结构刚度、承载能力、变形能力等方面皆高于传统刮板结构，并且能实现减重33%。 极限时刻应力（MPa） 带格式的: 左 极限时刻等效应变 （三）工艺试验 穿越式弹性结构集结构足够刚性与足够可控的弹性变形于一体，传统工艺难度大,加工 成本高，目前在技术上和经济上均可行的的成型工艺是苏氏溶模精密铸造，已进行了多品种 类型的原理样件工艺试制，证明工艺可行、减重明显、结构可靠，能达到设计要求。 原刚性结构 穿越式结构 客户价值 采用效法自然的穿越式结构，辅以减厚加筋处理，并采用苏氏精密铸造技术整体成型， 在不降低性能指标的前提下，每个刮板重量减少 33% （13.2Kg），每辆运输机至少200 个刮 板，能减少2.6 吨重量。 一体化制造优势，省略了焊接环节及其他各种连接模式，提高了装备的整体可靠性，并 极大地减少了污染。并且，整体结构有精确的近净形尺寸精度与形位公差，减少了后续的机