电缆牵引机关键零部件有限元分析与结构优化

摘要

随着我国国民经济的发展，以制造业为代表的各项产业对电力的需求也日益增大，然而电网建设却不能很好地满足日益增长的电力需求。为了打破我国电网建设长期滞后的局面，各地出现了新一轮的电网扩建项目和以跨地区输电为目标的超高压输电线路建设。张力架线是电网输电线路建设的主要形式，而电缆牵引机则是张力架线施工的关键设备。
　　 电缆牵引机进行牵引作业时所受的主要载荷来自于钢丝绳上的牵引力，而牵引力则主要由牵引卷筒和车架承受，因此其力学性能的优劣是牵引机设计制造水平的重要体现。当前国内针对电缆牵引机牵引卷筒和车架的研究甚少，本文以国产ZX290电缆牵引机的牵引卷筒和车架为研究对象，主要研究工作如下：
　　 (1)针对电缆牵引机的关键零部件牵引卷筒和车架的主要工作要求，在分析国内外同类零部件主要研究状况的基础上，确定以牵引机的关键零部件—双摩擦卷筒和车架的强度理论计算、有限元分析及结构改进为主要研究内容。
　　 (2)以缠绕在双摩擦牵引卷筒的钢丝绳受力分析为切入点，对牵引卷筒受力及变形机理进行了深入研究。首先利用微积分原理及力学理论对缠绕在卷筒表面的钢丝绳受力情况进行研究，得出钢丝绳进、出线处的张力函数关系及变化规律；在此基础上，对筒壳径向和轴向截面在径向压力和弯矩作用下的变形状态进行研究，得出筒壳单元梁力学模型的变形通解方程；结合牵引卷筒的装配结构，建立了牵引筒壳单元梁的力学铰接模型，通过对筒壳内小单元体的应力状态分析并应用第三强度理论，构建了筒壳单元梁力学计算模型。揭示了筒类零件在载荷作用下的变形机理，为牵引卷筒的优化奠定了基础。
　　 (3)根据牵引卷筒绳槽所受载荷的变化规律，基于各绳槽的最大载荷，采用ANSYS软件建立了牵引卷筒的有限元模型，并进行了分析，探讨了卷筒应力分布及变形情况，确定了卷筒危险工作区域，验证了卷筒的力学安全性；同时将有限元分析结果与筒壳单元梁力学计算结果进行比对，分析了二者产生差异的原因，并进行了结构改进后的仿真，验证了前述筒壳单元梁力学推导的正确性，为卷筒的优化设计提供了理论依据。
　　 (4)以牵引卷筒的重量为目标函数，以卷筒的绳槽底直径、卷筒壁厚、绳槽数为设计变量，以相关的结构设计要求和使用要求作为约束条件，建立了牵引卷筒的优化数学模型；利用MATLAB软件，对卷筒结构参数进行优化，得到了理论最优解，结合卷筒的实际装配结构，给出了牵引卷筒的最优设计值，使重量减轻了l6.5％；在此基础上进一步对优化结果进行有限元仿真分析，表明优化结果满足性能要求，为摩擦式卷筒类零部件设计提供了新的设计思路。
　　 (5)分析牵引机车架的结构特点，选择以壳单元作为网格划分类型建立了车架的有限元面几何模型；研究了各种不同工况下的载荷施加方式，确立了牵引工况下以卷筒为施加载荷的关键点，利用刚性连接实现了牵引载荷在关键点与车架间的传递，弯曲工况及弯扭工况以各部件重心为作用点，实现了以重力为主要载荷的加载方式；进而对多种工况下的车架进行了有限元分析，在验证车架安全性能的基础上提出了针对车架的结构改进意见。