磨机换衬板专用机械手的拓扑优化设计

摘要

对于整个磨机系统而言，衬板是数量最大的零部件之一，也是受磨损破坏量最多的零部件之一。传统采用人工的方式更换衬板耗时长，工人的劳动强度也大且还存在安全隐患，这严重影响磨机的作业效率。因此，研制出性能稳定、工作可靠的磨机换衬板专用机械手对解决矿山磨机衬板更换问题，将产生重大意义。本文以某矿山选矿厂筒体直径为4.8m的球磨机为对象，针对初期设计的磨机换衬板专用机械手挠度过大的问题，采用连续体拓扑优化的方法对其进行拓扑优化设计，得到的磨机换衬板专用机械新手结构，并通过仿真分析进行验证。
　　本研究主要内容包括：⑴分析磨机换衬板专用机械手的原理及组成，设计其运动系统的主要技术参数与最大负载下四个不同工况。对比分析各工况，并针对其中三个相对较危险工况做了结构静力分析，以确定危险工况。同时，为确定对整机挠度变形影响较大的零部件，对主要组成部件吊臂与爪具体也进行了具体的挠度变形分析。结果表明：安装离机械手最远且俯仰角最小位置的衬板时对应的工况3的应力与变形都是最大的，即确定工况3为危险工况；危险工况下，整机最大变形量为7.713mm，即挠度变形过大、刚度不足；且吊臂与爪具体单部件独的变形量都大，则知它们对整机的挠度变形影响度很大。由此得到的结论为后文磨机换衬板专用机械手拓扑优化设计指明了方向。⑵在Hyperworks软件的优化模块Optistruct中，基于SIMP方法的拓扑优化模型,以体积分数为约束、最小柔度为目标的方法，对磨机换衬板专用机械手的吊臂与爪具体分别做了拓扑优化设计，得到新结构。最后针对危险工况做了整机的刚度验证。结果表明：经拓扑优化设计后，整机的挠度变形减小到4.228mm，且应力仍小于材料许用应力值，机械手准确抓取并对位安装衬板的可靠性得到提高。⑶针对危险工况，对拓扑优化后的磨机换衬板专用机械手做模态分析与瞬态分析，并与优化前的分析结果作对比；同时在Solidworks Motion插件中做工作过程运动仿真。结果显示：拓扑优化后的磨机换衬板专用机械手的前两阶固有频率得到提高，更好地避免低频干扰共振的发生；在瞬态冲击载荷作用下，优化前的整机在1.6s 后达到稳定状态，而优化后仅在0.8s后就达到了稳定状态，时间明显缩短，整机的稳定性更好；运动仿真过程中位移、速度及加速度曲线均是光滑的，不产生零部件间的干涉碰撞，即拓扑优化设计的整机在运动性能方面结构合理。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外磨机换衬板专用机械手的研究现状

1.3 结构拓扑优化方法的研究现状

1.4 本文的研究内容及思路

第二章 磨机换衬板专用机械手的结构及静力分析

2.1原理及结构

2.2 技术参数与工况设计

2.3 静力结构分析

2.4 本章小结

第三章 连续体结构拓扑优化理论

3.1 连续体结构的拓扑优化模型

3.2 连续体结构拓扑优化的求解算法

3.3 拓扑优化分析软件介绍

3.4 本章小结

第四章 基于Optistruct的磨机换衬板专用机械手拓扑优化设计

4.1 机械手吊臂截面拓扑优化

4.2 机械手爪具体结构拓扑优化

4.3 新机械手整机挠度变形分析

4.4 本章小结

第五章 新磨机换衬板专用机械手的动态分析

5.1 机械手工作中不稳定现象的简述

5.2 模态分析

5.3 瞬态响应分析

5.4 运动性能分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果