锅炉膜式壁管屏双头自动气割机横梁静动态分析与结构优化

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1、锅炉膜式壁管屏双头自动气割机横梁静动态分析与结构优化*刘俊1 郑庆元1 高乐1 陆关桐2(1上海电机学院 机械学院，上海闵行 200245 ；2上海军剑机电设备有限公司 技术部 201108)*:上海市闵行区科委技术创新项目 2010MH176；上海市教育委员会重点学科资助项目（J51902）摘要:目前上海某公司膜式壁管屏制作车间“扁钢工艺余量气割切除”是半自动操作的，生产效率低、工人劳动强度大、气割精度不稳定。针对上述情况，在现有半自动气割机的结构基础上提出全自动气割的改造设计方案，机械系统采用双轨道龙门式结构，轨道长20米，龙门横梁宽5.3米。为了提高龙门架的动态性能和保证气割加工精度，对

2、横梁进行运动及动力分析并在此基础上优化横梁结构。首先采用三维数字化设计软件UG对其进行建模、装配及干涉检查，然后运用有限元分析软件UG Nastran对龙门架的横梁结构进行应力、应变分析，再利用机械系统动力学分析软件ADAMS对其进行运动学与动力学分析，比较动态分析结果，为龙门架结构优化提供依据，最终实现龙门架结构横梁的动态优化设计。关键词：自动化，气割机，有限元分析，动力学分析，优化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-automatic，low pro

4、duction 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, the track i

5、s 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 checking. The

6、n 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 optimization of frame

7、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引言锅炉管屏是由并联管子所组成的屏状受热面。大容量高参数的电站锅炉及环保型循环流化床锅炉都广泛地采用了膜式水冷壁结构。目前上海某公司膜式壁管屏制作车间“扁钢工艺余量气割切除”是半自动手工操作的，气割时工人要全过程跟踪，手动调整气割枪嘴的高度

8、和气割角度，生产效率低、工人劳动强度大、气割精度不稳定。本文探讨膜式壁管屏全自动气割机的实现，通过对现有的设备进行改造，提高设备利用率，减少支出成本，并且能够降低工人们的劳动强度，提高生产效率。2 自动气割机机械系统结构双头自动气割机由以下几个核心模块组成（图1）：气割机轨道及沿轨道驱动、传动系统；龙门架部分及沿横梁驱动、传动系统；气割机头上下驱动、传动系统；气割枪夹持及微调系统。图1 双头自动气割机系统结构示意图1.气割头 2. 轨道方向驱动电机 3.气割头上下驱动电机 4.齿条 5. 横梁方向驱动电机6.横梁 7.管屏 8.管屏支架 9.导轨龙门气割机运行的有效轨道长度达20米，所以主传动

9、采用齿轮齿条传动，通过齿轮齿条的啮合带动滚轮组在导轨上作直线运动，从而带动整机运动。两条导轨有主动小车与被动小车之分，由于气割管屏上扁钢的工艺余量不需要保证过高的运动轨迹精确性，所以采用单边驱动方案。主动小车两端装有四个水平导轮，选用高精度滚轮轴承，从而保证主动小车与轨道可靠接触定向，运动轨迹呈直线，使整机在运动中保持稳定的导向。龙门气割机的横向传动同样采用齿轮齿条传动，在龙门架侧面安装两条导轨，通过与垂直方向传动系统的六个轴承导轮接触，使得Z向传动系统与气割头部分可以平稳地在轨道上运行。双头气割机气割机头都配有上下升降机构，升降机构的驱动由步进电机控制，采用滚珠丝杆螺母副传动。气割枪夹持及微

10、调系统可以实现割嘴与管屏边鳍距离的微调和气割头气割角度的微调。3龙门架结构优化龙门架是自动气割机机械系统最重的部件，又由于龙门架横梁上装有气割用的传动系统、气割管道系统和气割头部分，在其运动过程中会对龙门架的横梁结构产生作用力和挠度，引起气割机振动，从而影响双头自动气割加工精度。在满足各项要求前提下，减少龙门架的质量是系统优化设计的重点。3.1龙门架有限元分析图2 龙门架受力示意图 气割枪头部（包括上下运动驱动传动系统）的重力及悬臂产生的扭矩M直接作用于横梁，使得横梁产生弯曲、扭转变形(见图2)，所以横梁为龙门架的关键部件，它的刚度直接影响气割精度，因此把横梁作为主要分析的对象，横梁的最大变形

11、量发生在双气割枪运行到横梁中间位置时。3.2龙门架优化设计横梁的刚度不足是影响变形的主要原因。在横梁改进设计中，考虑到气割机功能要求、工作环境等方面因素，改进时对横梁基本结构不作大的变动，为了在减轻重量的同时保证横梁刚度要求，采用减轻箱体框架钢板厚度，增加内部筋板的方式。由于内部筋板布局的调整可以改变横梁的力学特性，所以要探讨在加工条件允许下的最佳方案。企业现有龙门架结构：龙门架横梁是尺寸为的箱体结构，钢板厚度为15mm。改进后的横梁仍采用封闭框架结构，壁厚由原来的15mm减少到10 mm，为保证横梁上的滚动导轨具有较高的刚度，增加横向筋板，改变横向筋板的布置形式，获得三种不同方案如图3所示。

12、 方案1 直筋板 方案2 单一斜筋板 方案3 X型筋板图3 横梁筋板布局方案 首先用UG进行建模，然后采用CTERA(4)实体单元对龙门架横梁进行网格划分，同时对其施加边界条件，获得有限元模型，其中方案1的应力和变形图如图4所示，原有方案与三种不同方案龙门架的最大应力和最大变形如表1所示。图4 方案1龙门架的应力和应变云图表1 不同方案龙门架的最大应力和最大变形质量Kg最大应力 MPa 最大变形 mm 现有方案933.733.5840.0833方案1717.987.2140.1186方案2876.427.4970.518方案3874.2814.450.166通过静态的有限元分析与质量测量，得知

13、三种方案均满足刚度与强度要求，最大应力远小于许用应力100MPa，最大变形量小于切割精度1mm要求，符合设计要求。由于双头气割机工作时是处在运动状态，龙门架会因运动而产生振动等状况，所以有必要运对龙门架进行动力分析。3.3龙门架的动力分析将上述四种横梁方案的UG模型导入到ADAMS中进行模态分析，将获得的横梁模态中性文件通过ADAMS中的rigid to flex功能转换为柔性体。龙门架其余部分通过UG模型导入到ADAMS，并且对相应的材料进行定义。气割机整机系统施加重力，主动轮和从动轮添加旋转副，导轨添加固定副，横梁与机架添加固定副，横梁上的传动系统和气割头与横梁添加固定副，主动轮和驱动轮与

14、导轨添加接触，导向轮与导轨添加接触。已知气割机的直线工作速度，车轮直径，根据公式，计算得主动轮角速度，将其添加到主动轮驱动中。应用以上四种方案建立的模型，对双头气割机的运动进行仿真，仿真时间均为5s，30步。将两个气割头部分放在他们运动的极限位置上（最靠近横梁中点）并且将marker点定义在龙门架横梁的中心位置，从而可以测得横梁上最大的挠度变化值，得到分析结果如图5所示。现有方案 方案1方案2 方案3图5 不同方案横梁挠度随时间变化图 由图5可得横梁最大挠度值如表2：表2 不同方案横梁最大挠度 方案 挠度挠度最大值（mm）挠度平均值（mm）现有方案0.47780.2336方案10.49050.

15、2354方案20.49630.2370方案30.49950.2372 从挠度变化角度分析，四种方案均满足气割精度要求，经过以上静动态分析、比较，以保证性能前提下减轻重量为原则，初步确定采用方案1。4 双头气割机双轨单边驱动的运动分析双头气割机的沿轨道方向的运动是单边驱动方式,从动小车导轨侧仅有支撑从动轮,在运动时会产生相应的横向振动，这样会带动横梁做横向振动，影响双气割头的气割平行度，而设计要求气割平行度误差在，因此需要对横梁系统进行运动学分析。首先将UG模型导入ADAMS，横梁采用最佳直肋板结构方案，由于横梁是柔性件，需要通过有限元软件将其转换为MNF中性件，导入ADAMS中。划分好连杆后，

16、对气割机的主动轮和从动轮以及导轮添加转动副，固定导轨，将横梁上的气割部分与龙门架之间添加固定约束，在主动轮，从动轮，导向轮与轨道之间添加接触，根据设计要求，在主动轮部分添加气割机工作时的线速度。为了便于测量双头气割机从动轮在运动时的横向振动位移，在ADAMS模型的从动轮中心、从动轮接触轨道中线位置添加两个marker点，测量这两点的横向距离，得到结果如图6所示。从动轮的最大横向振动位移，横向振动平均位移，工作稳定后的横向振动位移均在0.01mm左右，远小于设计要求（双头气割平行度误差在）。所以可知双头气割机在气割时可以保证其气割平行度要求，最终确定采用方案一。图6 从动轮横向位移随时间变化5

17、结论本文主要研究了双头自动气割机自动化改造的机械系统方案，采用三维数字化设计软件UG建模，然后运用有限元分析软件UG Nastran对龙门架的横梁结构进行了应变分析，再利用机械系统动力学分析软件ADAMS对其进行运动学与动力学分析，实现了龙门架结构横梁的动态优化设计，在保证整体机械性能的前提下，减少横梁框架钢板的厚度5 mm，减轻质量215.75Kg。参考文献1 郭卫东等 虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程M.北京：北京航空航天大学出版社，2011 2 韩红 数控火焰切割机改造研究M.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006 3 刘皓阳 数控双头气割机在超临界锅炉螺旋管屏制造中的应用J.锅炉制造.2

18、006,（2）:3435 4 刘佳，郭保全 基于ADAMS的由初始挠度的声管振动研究J.机械工程与自动化2011,（6）:19-20 5 张建润，卢 熹，孙庆鸿，彭 文，姚树健 五坐标数控龙门加工中心动态优化设计 中国机械工程2005，（11）： 1949-19536 张帅，周靖阳，王彦斯，肖福安 基于UG和ANSYS的直齿圆柱齿轮参数化建模及有限元分析 制造业自动化 2012，（3）107-1087 谢黎明，李大明，沈浩，靳岚 基于有限元分析的现场铣床横梁结构优化 组合机床与自动化加工技术 2008，（9）：37-398 王民锋，赵云，黄风立 基于ANSYS的多功能车床动力刀塔立柱结构的优化设计 组合机床与自动化加工技术 2012，（2）：20-22作者简介：刘俊，1971-，江西宜春人，上海电机学院机械学院 副教授 研究方向：机电一体化