立式压罩机主机架结构优化设计

盛友艺，张亮,孙建旭，潘野，张秀娟

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028； 2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)



立式压罩机主机架结构优化设计

盛友艺1，张亮2,孙建旭2，潘野2，张秀娟2

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028； 2.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)

根据工厂实际需要，把立式压罩机主机架由四立柱结构改为C框架结构，采用有限元分析软件ABAQUS对该结构进行了弹塑性分析，得出了圆弧拉筋半径、压板厚度、侧板高度和侧板间距对结构的水平、竖直方向最大位移和最大等效应力的影响规律; 并在此基础上，采用MATLAB神经网络工具箱对C框架结构进行了优化设计，得出了符合用户要求的C框架结构，这对压装结构设计优化有一定的指导作用.

C框架结构; 弹塑性有限元分析；神经网络；优化设计

0 引言

目前货车轴承密封罩的压装设备多采用四立柱式主机架，该结构形式的优点在于能够有效保证压头和轴承压装模具的良好对中性，同时使整个压罩机具有良好的刚性，避免压罩机在压装过程中发生过大变形[1-3].但是，在实际生产过程中，当检修的轴承由上一检修工位到达压装工位时，需要由操作工人将轴承推入压装位置，如图1(a)所示；压装完成后，再由操作工人将轴承由压装位置取出，送到下一检修工位.四立柱式主机架限制了工人的操作空间，降低了工作效率.

据此，本文采用C框架结构主机架来代替四立柱式结构[4]，此时，密封罩压装的操作流程如图1(b)所示，并采用有限元分析软件ABAQUS[5]对初始设计方案进行改进，在此基础上，分析各结构参数对主机架竖向和水平方向位移的影响规律，最后采用MATLAB神经网络工具箱对C框架结构进行优化设计，从而得出较佳的符合用户要求的主机架结构.

(a)

(b)

1 方案设计

1.1 初始方案

根据用户的设计要求和密封罩压罩机的空间尺寸要求，C框架结构的初始方案设计如图2(a)所示，采用45号钢板焊接而成，板厚为10 mm，其他几何尺寸如图2(b)所示.

(a)三维实体模形

(b)二维尺寸图

针对此方案，采用ABAQUS有限元分析软件，进行了弹塑性分析，其分析模型如下：单元类型为三维实体八节点单元.材料为45号钢，其弹性模量为205 GPa，泊松比为0.3.由于结构的上下对称性，本文只对上半部结构进行分析，因此，只在上压装面施加载荷，在下半部结构侧板底部施加约束.根据《铁路货车轮轴组装、检修及管理规则》[6]规定，密封罩的最大压装力为30 kN，而C框架结构的压装面积为0.065 m2，因此，本文在压装上端面施加了沿竖直方向(Y轴)向上的均布力，其数值为0.46MPa.有限元分析模型如图3所示.

(a)有限元分析模型 (b)垂直方向位移

(c)水平方向位移 (d)等效应力云图

图3 初始方案的有限元分析结果

有限元分析结果表明：C框架结构的上半部在垂直方向的位移较大，其中，压装上端面在垂直方向的位移最大，这造成压装上端面向上倾斜，增大了压头与压装上端面的垂直度误差，同时，必将减小压装深度，使得密封罩与轴承外圈牙口无法正确咬合，加大了密封罩松脱的可能性.在水平方向上，C框架结构立板上部后侧向内凹陷，前侧向外敞开，中间下半部向外鼓出，变形严重超差，结构稳定性很差.从等效应力云图可知，C框架结构的最大等效应力对称分布在两侧立板上，而且在两侧板与上下两压装面交界处有显著的应力集中.

1.2 改进方案

针对上述问题，本文在上下压装端面和C框架结构的结合处安装三角拉筋，其有限元分析结果如表1所示.比较该方案与初始方案的分析结果可知：安装三角拉筋后，C框架结构上半部在水平、竖直方向的位移明显减小，这是由于安装的三角拉筋增大了C框架结构的抗弯强度，结构的稳定性有了很大的提高.但是比较分析结果中的等效应力云图，发现安装三角拉筋，虽然增大了结构稳定性，但是应力集中现象依然存在，而且危险位置的应力值增大，因此，本文将三角拉筋改变为圆弧形拉筋，圆弧半径为100mm，并保留C框架结构的支撑角钢，对该方案进行了有限元分析，分析结果表明：圆弧形拉筋可以有效减小最大等效应力，但是，垂直方向和水平方向的的最大位移却增大了.因此，在此基础上，本文又把C框架结构的板厚分别改为12、14、16mm进行了有限元分析，其分析结果如表1所示.

从表1所示有限元分析结果可以看出：板厚增加后，C框架结构的最大位移和最大等效应力等明显减小了.但是，从等效应力云图可以发现，侧板上部的水平位移由向外突出改为向内突出，而且在与上下两压装面交界处的应力集中仍然存在，结构的刚度和稳定性仍有待提高，这也将在一定程度上影响密封罩压装精度.此外，增大板厚使得结构的重量增大，这将提高结构的材料成本而且使得结构过于笨重.

表1 改进方案有限元分析结果比较

2 优化设计

根据上述分析结果，考虑到C框架结构的重量问题，本文把其板厚定为14mm，圆弧拉筋半径为100mm，首先采用有限元法分析各结构参数对最大位移和最大等效应力的影响规律，由于各结构参数相互耦合，且为不连续变量，其优化模型无法用函数式来表达.因此，本文采用MATLAB神经网络工具箱[7]对各结构参数进行优化，找出较优的C框架结构的结构参数.

2.1 结构参数影响规律

(1)改变圆弧拉筋半径

对圆弧拉筋半径分别为100、110和120mm的C框架结构进行了有限元分析，其有限元分析结果如表2所示.增大圆弧拉筋半径后，垂直方向的最大位移没有显著变化，水平方向上的位移先显著减小再增大；但是，C框架结构的上端部仍有向外敞开的变形，中部有向内凹的变形，结构刚度仍有待提高.此外，最大等效应力变化不显著，这说明增大圆弧拉筋半径，对减小立板中部应力集中作用较小.

表2 不同圆弧拉筋半径的有限元分析结果比较

(2)改变压板厚度

对压板的板厚分别为28、29、30、31、33mm的C框架结构进行了有限元分析，有限元分析结果如表3所示.从有限元分析的结果可以看出：随着压板板厚的增加，水平方向和垂直方向的最大位移逐渐减小，最大等效应力数值发生波动，这主要是由于结构存在应力集中现象.

表3 不同压板厚度的有限元分析结果比较

(3)改变侧板高度

对侧板高度分别为265、255和245mm的C框架结构进行了有限元分析，有限元分析结果如表4所示.侧板高度对垂直方向的最大位移没有影响，但是水平方向的最大位移随着侧板高度的增加明显减小，但最大等效应力增大了.

表4 不同侧板高度的有限元分析结果比较

(4)改变两侧板间距

对侧板间距分别为240、250和260mm的C框架结构进行了有限元分析，有限元分析结果如表5所示.随着侧板间距的增加，垂直方向的和水平方向的最大位移先明显下降后增加；最大等效应力也逐渐增加，应力集中更加显著了.

表5 不同侧板间距的有限元分析结果比较

2.2 优化设计

从上述分析结果可以看出：影响C框架结构的结构参数比较多，而且各结构参数互相影响、相互耦合，无法采用一个连续函数表达式来进行表达，因此，本文采用MATLAB神经网络工具箱[7]对各结构参数进行优化，其优化原理如下[8]：输入样本矢量为xk=(xk1,xk2,…,xkn)，实际输入样本矢量为yk=(yk1,yk2,…,ykn).理想输出向量为tk=(tk1,tk2,…,tkn)，计算输出的误差为：

其中：j为输出层中第j个神经元.

网络权值的变化为：

其中：wij为某一层第i个神经元与其相邻的下一层第j个神经元之间的连接权值；t为学习顺序；Δ为权值改变量.

权值矩阵wij可以用误差导数矢量d和输入矢量p进行修正：

其中：lr为学习速率.

算法采用动量规则来调整网络的权值

Δwij=mc·Δwij+(1-mc)lr·d(i)·p(j)

其中：mc表示动量常数.

采用该优化方法对C框架结构进行优化，优化模型如下：

经过50次迭代后，优化后C框架结构参数如下：板厚为14mm，圆弧拉筋半径R=110mm，压板板厚为30mm，两侧板间距为218mm，上侧板高度为350mm.最终方案的有限元分析结果：垂直方向最大位移是6.766E-02mm，水平方向最大位移是4.590E-02，最大等效应力是1.756E+01MPa.从有限元分析结果可知：垂直方向和水平方向的最大位移和最大等效应力较初始方案显著降低，C框架结构的抗弯强度明显增大，结构的稳定性有了很大提高，应力集中现象明显改善，而且危险位置的应力值大幅下降.

3 结论

由于目前货车轴承立式压罩机四立柱式主机架存在操作不便的缺点，本文采用C框架结构来代替四立柱结构.应用有限元法对初始方案进行了弹塑性分析，发现其存在结构稳定性和应力集中现象，需要进一步优化改进.因此，采用有限元法得出各主要结构参数(结构板厚、圆弧拉筋半径、压板板厚、两侧板间距和上侧板高度)对结构垂直方向和水平方向最大位移和最大等效应力的影响规律：

(1)增大圆弧拉筋半径可以显著减小结构水平方向最大位移，但是，过大的圆弧拉筋半径反而使得水平方向最大位移增大，且最大等效应力也增大；

(2)增大压板厚度对垂直方向位移变化影响较小，但是可以降低水平方向的位移，由于应力集中，最大等效应力数值发生波动变化；

(3)减小侧板高度和增大侧板间距可以显著降低水平方向位移，但是，最大等效应力显著增大.各结构参数对C框架结构的影响是相互耦合的，因此，本文采用MATLAB神经网络工具箱进行结构参数优化，得出了较优的C框架结构，本设计可以满足用户要求，并已经被厂家采用.

[1]伍福生.车辆修造专用机械设计[M].北京:中国铁道出版社,1987.

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[3]龚青山.立式轴承压装机上料机械手设计[J].湖北工业大学学报,2010,25(4)：86-88.

[4]马海军.多规格铁路货车轴承压罩机的研制[J].中小企业管理与科技,2014(5):314-315.

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[7]赵书兰.MATLAB建模与仿真[M].北京：清华大学出版社，2013.

[8]王永骥,涂健.神经网络控制[M].北京:机械工业出版社,1998.

Optimal Design for Main Frame Structure of Vertical Press-Assemblage Machine for Sealed Cowlings

SHENG Youyi1,ZHANG Liang2,SUN Jianxu2,PAN Ye2,ZHANG Xiujuan2

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

According to actual needs,the four-column structure is changed into C-shaped frame structure for a vertical press-assemblage machine of sealed cowlings.Using finite element analysis software ABAQUS, the elastic and plastic finite element analysis of the C-shaped frame structure is performed.The effect regulations of circular reinforcement radius,clamp thickness,curb height and curb space on the maximum horizontal and vertical displacements are obtained.The optimization design of the C-shaped frame structure is implemented using neural network of MATLAB toolbox.The optimization scheme of the C-shaped frame structure is obtained which accords with the requests of the users.

C-shaped frame structure;elastic and plastic finite element analysis;neural network;optimization design

1673-9590(2015)03-0052-05

2014-08-08

盛友艺(1964-),男，副教授,学士，主要从事轴承清洗设备的研究E-mail:shengyouyi@163.com.

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