立式辊磨机主辊摇臂参数化建模及结构优化

摘要

立式辊磨机是一种用于物料粉磨的大型设备，在水泥、陶瓷、矿山、冶金等行业中广泛使用。摇臂是立磨加载系统的重要部件，起着传递磨辊碾压力的重要作用，对立磨的可靠性和安全性起着重要作用。当前国内的立磨设计，主要靠引进消化吸收国外技术，存在部分关键问题研究不够深入，设计基于经验等问题，且设计过程中重复工作量大，效率不高，不能根据用户要求，实现快速设计。
　　本文以某型号立式矿渣磨主辊摇臂为研究对象，针对摇臂质量较大、设计效率低下等问题，将摇臂结构参数化，基于ANSYS参数化设计语言和遗传算法对其进行结构分析和优化，论文主要进行了以下工作：
　　（1）详细分析了立式矿渣磨的结构特点及工艺流程，并介绍了遗传算法的主要步骤及计算过程中控制参数的确定方法，主要包括种群大小、交叉变异率和收敛准则等参数。
　　（2）对主辊摇臂系统的油压变化进行了测量，将测得的数据作为后续分析时的载荷步。之后选取主辊摇臂六个部位的尺寸作为参数，基于ANSYS APDL语言编写参数化有限元分析过程的命令流。在此基础上对摇臂进行了结构分析，得到了六个尺寸参数对最大应力、位移及一阶自振频率的影响规律。
　　（3）以摇臂质量最小化为目标构建结构优化数学模型，融合ANSYS APDL语言和数值计算软件MATLAB中集成的遗传算法工具箱求解优化模型，实现了优化计算过程中MATLAB对ANSYS的后台调用和两者间的参数传递。分析了遗传计算过程中质量、最大应力、位移以及一阶自振频率随遗传进化代数的变化规律，并分析了不同变异率对遗传算法计算过程的影响。
　　上述研究工作为摇臂的结构分析和优化提供了理论和技术参考，对立磨轻量化和经济性具有重要意义，参数化模型的建立，实现了摇臂建模和分析计算的自动化，大大减小了建模和分析的工作量，提高了设计效率，对同类型问题有一定的参考意义。