矿用单轨吊机车弹簧优化分析

1、煤矿机械 2017,10(38),55-56 doi: 10.13436/j.mkjx.201710() 19矿用单轨吊机车弹簧优化分析王军王东昌刘龙枣庄科技职业学院机械数控部导出/参考文献关注分享收藏打印摘要：为针对单轨吊的机车紧急制动器卡牢、恢复不到位、弹簧力不足等问题，通过计 算机优化算法对矿用单轨吊弹簧进行优化设计，基于solidworks simulation 对弹簧进行丫有限元分析，提高矿用单轨吊无源紧急制动装置的使用性能。关键词：紧急制动;运动学;ansys;虚拟样机技术;作者简介：王军（1988-）,山东滕州人，2013年山东科技大学硕士学位，现任 枣庄科技职业学院机械数控部主

2、任，主要从事矿产辅助运输及设备研宄，电子 信箱：1371178298qq. com.收稿日期：2017-07-13optimization and analysis of mine monorailwang jun wang dong-chang liu longmachinery nc department， zaozhuang vocationalcollege of science and technology;abstract：in for the monorail hanging locomotive emergency brake fastened, recovery is not

3、 in place, lack of spring force problem, through the computer optimization algorithm to mine monorail hanging spring optimization design, based on the solidworks to spring for the finite element analysis and improve mine monorail hanging passive emergency braking device performance.keyword：emergency

4、 braking; kinematics; ansys; virtual prototyping technology;received： 20174)7-130前言弹簧的在长期受压的状况下，其直径较无载荷状况下将增大，在狭小的空间内， 容易与其他部件产生干涉，出现卡牢问题。此外，压簧主要起传递力量或者推动 物体的作用，如果支撑跑偏，可能导致弹簧像弓形或斜塔形，与其他部件发生 干涉。长期受压的弹簧容易出现弹簧力不足的问题，在这种情况不，将不能很好 地完成预定目的。弹簧的性能直接影响到制动器的使用性能，为了保证矿用单轨 吊紧急制动器的使用性能，必须从选型设计上进行严格把关。1基于matlab的弹

5、簧优化设计针对紧急制动器的动力部件一制动弹簧进行选型设计。通过弹簧的刚度、尺寸规 格、安装、工作圈数、强度、稳定性等条件得到螺旋圆柱压缩弹簧的质量a标函 数，以其工作需要为约束条件的最优化设计的数学模型7tx2 3 -_d d n.t.gll(x) 0i/=l，2,3,，13圆柱螺旋弹簧的大多数约束条件为单项式线性函数，但其数学模型的目标函数 与个别约束条件为单项式非线性函数，需要对其进行线性变换，将采用matlab软件利用单纯形法对转化的线性规划模型进行求解，将计算的结果进行还原即 可以得到优化设计参数。线性变化后，圆柱螺旋弹簧优化设计的数学模型如下：设计变量转换为x=xi,.t2,x3*t

6、=ln </,ln /)，ln zi1则极小化目标函数可以转换为itp )+2%i+%2+%3相应的约束条件/h (x) =-41 i+3x2+x;+ln 彡 0/t2(尤)=4x3x2-.r3-lii-<0 a,(x)=ln d-xq/4(x)=.r,-ln 讓彡0/i5(x)=ln /),.n-x2彡0/i6(x) =x2-lnh7(x)=n nniill-x?0a8(x)=x3-ln«肌彡 0a9(x)=1 n cniin+x,-x20/ho(x)=x2in cim-x,0/p(x) dn4.23/' +0.84x,-2.84a ,0 rgn (x)和gl3

7、 (x)为半无限约束，但长度不是2的向量，因此无法利用上述方 法进行线性变换。利用变换后的目标函数以及剩余的约束条件对圆柱螺旋弹簧进 行优化设计，得到计算参数后，将gu (x)和gl3 (x)作为结果检验的手段进行 验证。将计算上述方程联立，应用matlab进行编程，编程m源文件如下所示:fun= x1.875/10000+2*x(l)+x(2)+x( xo=3o，15o,9;a二-4 3 1;4 -3 -1；-1 0 0；l 0 0 0 -l;0 0 l;-2.84 0.840;b=3.37;3.37;3.401;3.689;4.78 2.485；8.368；x,fval=fmincon(f

8、un，xo，a，b) l囑秦狐钃将以上的m源程序进行运算，可得x=3.401 05.009 31.946 0fval= 13.757 5根据设计变量的转换式xkxb x2，x3 = ln d, in d, inn,可知dd nt=e，,exq=29.994,149.800,7.001,将d d n = 29.994, 149.800, 7. 001带入到限制条件 gn (x)和 g13 (x),可 得g(jv)=cx,412.980gn(x)= 1.5+0.5x=-l .499 彡 0 x2满足弹簧不碰圈条件和弹簧稳定性条件，根据机械设计手册中普通圆柱螺旋弹 簧的尺寸系列，选择弹簧材料的截面直

9、径d=30 mm,弹簧中径d=150nnn,弹簧的 有效圈数n=7,通过此方法阅整后确定的弹簧参数，带入到限制条件§1 (x) gl3 (x)均满足设计及使用要求。2紧急制动器弹簧的强度分析为了保证圆柱螺旋压缩弹簧选型设计的可靠性，采用solidworks中三维 simulation模块对圆柱螺旋压缩弹簧的主体结构进行静力学分析。按照有限元 分析的一般方法步骤，对弹簧进行建模，定义材料属性，网格划分，添加夹具， 施加外部载荷，求解分析等步骤，完成弹簧的静力学分析过程。利用solidworks进行建模，模型如图1所示，弹簧丝直径d=30mm、弹簧屮径 d=150 mm,节距 p=55

10、mm,有效圈数 n=7olmml图1圆柱螺旋压缩弹簧三维模型图下载原图对上述模型进行材料设定，选用40si2cr ni2mo v材质，其抗压强度o b=l 880 mpa,剪切应力tp=1 200mpa,切变模量g=78x lompa。对其弹簧进行网格划分， 并将弹簧的一端进行固定，另外一端施加弹簧的试验载荷fs=84 780 n,如图2 所示。图2网格划分、弹簧岡定及载荷施加示意图下载原图将上述模型进行求解运算，可以得到弹簧模型的位移云图，如图3所示。从位移 云图可以看出，弹簧的最大位移量fk=238.2 mm,弹簧在试验载荷下的变形量 fs=253 mm基本保持一致。i iu>aii

11、i«h2.382r-oo2 2.ik4r»<)()2 l.9x5r*oo2 1.7h7r*oo2 irfr9.926rm)01 7.94k*001 5.956rhm)l 3.970r00ll.9h4r >0()1i 0(»rm)30zvon mises(n/nr2)模型的应力云图如图4所示，通过应力云图4可以看出，弹簧的应力分布具有一 定的规律，在弹簧的外侧，弹簧的受力比较均匀，在材料的许用应力范围内；在 弹簧的内侧，弹簧存在应力集中现象，为了便于观察弹簧内侧的受力状况，对 图4的应力云图进行透视处理，处理结果如图5所示。从图5可以看出，閫柱螺 旋压缩

12、弹簧的内侧存在应力集中现象，随弹簧螺旋分布，虽然其应力值超过了 弹簧的许用应力，但是并没有导致弹簧的失效，弹簧整体品质仍然完好，满足 强度使用要求。3,042,785,792.000 2,789,220,864.0()() 2,535,455,936.000 2,282,851,006.00() 2,020,5 26,000.000 1/774,961,152.()()0 1,521,394,224.000 1,267,831,296.00() 1，014,266,360.()00 760 j81,440.00() 587,134,544.(x)() 253,571,60().0()0 6,6

13、75.150 屈服 1,860,000,000.000图5螺旋圆柱压缩弹簧应力云图透视图下载原图von mises(n/nr2)12,638,930,176.000 2,419,613,776.00() 2j99j89j76.000 k l,979，198.729.()00 1,759,288,32().0()0 1,539,377,920.000 1,319,467j20.()() 1,899,557,120.0()0 978,646,656.000 569,324.256.000 439,825,854.000 213,925,424.000 5,012.025屈服 j： 1,860,00

14、0,000.000模型的应变如图6所示。从图6可以看出，弹簧的应变与应力分布规律保持一致, 在弹簧的外侧，弹簧的应变较小，在弹簧的最内侧，应变较大。estrn8.286e-003 7.595e-003 6.9o5e-oo3 6.214e-003 5.524e-003 4.833e-003 4.143e-003 3.452e-003 2.762(卜()()3 2.07 le-003 1.381 e-003 6.905 卜 004 5.543e-00s图6螺旋圆柱压缩弹簧应变云图下载原图通过禅簧的solidworks simulation仿真结果可以看出，弹箫在测试应力的作用 下，其测试应变与理论计算值保持一致，弹簧的应力云图和应变云图的仿真结 果表明，弹簧满足测试条件，满足工况条件要求。3结语基于matlab的对弹簧进行优化设计，提高紧急制动器制动的安全性和可靠性，解决煤矿井下轨道运输常跑偏现象，以及弹簧弹力不足的问题。提高单轨吊运输 设备的运行速度与牵引质量，对于提高煤矿生产效率具