ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机结构优化设计研究

方正，张延军，周志成，王汝贵*

(1.广西大学 机械工程学院， 广西 南宁 530004； 2.桂林特邦新材料有限公司, 广西 桂林 541004)

0 引言

ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机作为一种先进且主要的石材开采工具，已经在石材开采与建筑物、桥墩等的拆除和分解中有着出色的表现，金刚石组合绳锯组锯机具有低成本、高效率与节能等诸多优越性，使之成为第三代超硬材料加工工具[1]。但是ZJP56型组合绳锯组锯机体积大，重量大，材料、生产及运输成本高，这些主要问题导致了组合绳锯组锯机未能推广到各种矿石工程领域，降低了矿石产业开采效率且阻碍了其经济发展。对金刚石组合绳锯组锯机进行结构分析和轻量化设计会降低生产及运输成本，并有利于提高组合绳锯组锯机产品性价比和市场竞争力。因此，国内外相关学者对组合绳锯组锯机进行了较为深入的研究[2-5]，并在组合绳锯组锯机的运动学、动力学和稳定性等方面取得了一定的研究成果[6-7]。

宋金玲等[8]在对组合绳锯组锯机进给系统运动学和动力学分析的基础上，使用SUMT非线性方法研究组合绳锯上下运动的优化设计。根据优化结果，通过滚珠丝杆，蜗杆减速等机械设备组成的进给系统，在使用低速大扭矩的摆线液压马达时，确定了进给系统的核心部件滚珠丝杠的结构尺寸，从而保证了进给系统整机功能的成功实现。王海波等[9]对海洋废弃平台桩基拆除组合绳锯组锯机夹紧瓣上夹紧块结构进行设计分析，得到了夹紧齿尺寸和齿周过渡曲线的优化数学模型。采用了有限元法优化的方法，对该夹紧块的关键尺寸进行了优化计算并根据计算结果设计制造了夹紧齿。经过实验，优化设计后的夹紧块能够满足设计要求且能安全稳定地工作。

虽然组合绳锯组锯机的研究已经取得了可喜成果，但在结构轻量化方面仍有欠缺，这在某种程度上制约了组合绳锯组锯机在工程上的应用的广泛性。本论文以桂林特邦新材料有限公司的ZJP56型组合绳锯组锯机为研究对象，以解决ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机在行业中面临的材料生产及运输成本高问题，进行ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机结构优化，建立ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机虚拟样机模型，运用有限元方法对组合绳锯组锯机进行力学分析，以得到组合绳锯组锯机结构的最大强度。在组合绳锯组锯机结构强度得以保证的前提下，采用结构有限元分析与遗传优化算法相结合的优化方法，进行以减少结构总质量为目的的优化设计。

1 组合绳锯组锯机结构有限元分析

为研究ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机结构优化，建立了金刚石组合绳锯组锯机三维模型，金刚石组合绳锯组锯机实物由桂林特邦新材料有限公司提供，实体如图1所示，三维模型示意图如图2所示。

ZJP56金刚石组合绳锯组锯机工作原理：组合绳锯缠绕经过主动轮、导向轮、从动轮、张紧轮再回到主动轮。调试张紧轮对组合绳锯实时独立张紧，启动冷却装置，主动轮启动，组合绳锯开始环绕运行，进给装置向下作进给运动，依靠组合绳锯的金刚石串珠对石材进行高速磨削加工。

图1 金刚石组合绳锯组合绳锯组锯机实体总图

1.主动轮; 2.导向轮; 3.冷却装置; 4.石料; 5.台车; 6.导向轮; 7.从动轮; 8.张紧装置; 9.防护罩; 10.连接横梁; 11.立柱; 12.进给装置

结构有限元分析是结构优化的基础[10-11]，组合绳锯组锯机的参数设定如表1所示

表1 组合绳锯组锯机属性参数表

图3为ZJP56型组合绳锯组锯机机构单元网格划分后的离散结构模型。对组合绳锯组锯机的两种典型工况进行研究。

图3 组合绳锯组锯机有限元分析模型

工况1：组合绳锯组锯机承受轮系自重工况。

机构在承受自身轮系质量下静止时，对整个机构进行分析，等效载荷施加在连接部分上,如图4所示。取图中局部放大连接部分的截面作为受力面后，每个截面受力为105N。

图4 工况1连接部分受力面

工况2：组合绳锯组锯机轮系运动时工况。

ZJP56组合绳锯组锯机由56根金刚石绳锯组成，切削的平均线速度为28 m/s，查询石材的机械加工手册可知，当切削石材为花岗岩，当每根金刚石绳的切削线速度为28 m/s时，绳子所受到的水平切锯力约为35 N，受到的垂直切锯力约为110 N。

56根绳子同时受力，故受到总的水平切锯力为Fx=35×56=1.96×103N，受到总的垂直切锯力为Fy=110×56=6.16×103N，组合绳锯组锯机在运动时，同样承受自重的载荷。施加垂直方向的力，故施加力为105+6160=1.0616×105N，如图5所示。

根据机械手册查到的Q235A的屈服极限σS为235 MPa，作为工程机械的安全系数nS取2.0，故许用应力计算：

(1)

故机构承受的应力值远小于该许用应力值时，机构不危险。

图5 工况2连接部分受力面

图6与图7分别为工况1和工况2有限元分析结果的Von-Mises复合应力分布云图，颜色越深处代表应力越大。

图6 工况1组合绳锯组锯机复合应力云图

由图6可知，组合绳锯组锯机最大应力在进给装置附近。Von-Mises复合应力达到1.27 MPa，机构所受到的自重的应力主要集中在进给装置和附近的基座上，在基座的肋板中部有少许应力且应力较小，为0.13～ 0.41 MPa之间，在受力最大的连接部分截面处所受最大应力是1.25 MPa，远小于许用安全应力117.5 MPa，机构所受应力值在安全范围内。

图7 工况2组合绳锯组锯机复合应力云图

由图7可知，组合绳锯组锯机运动过程结构最大应力分布在支撑柱与轮系结构连接处部分和支撑柱靠近轮系部分。Von-Mises复合应力达到1.37 MPa。连接部分旁的进给系统和基座部分、基座支撑的肋板受到少许应力，应力主要集中在连接构件上且最大的应力部分为1.37 MPa，远小于许用应力值117.5 MPa，工作情况安全。

2 组合绳锯组锯机结构优化设计

采用一种工程使用结构优化高效方法——有限元分析与遗传优化算法相结合法。遗传算法结果由神经网络算法来验证[12]。为在保证结构强度的前提下，实现组合绳锯组锯机的轻量化设计，组锯机结构遗传算法优化的数学模型可表达为：

(2)

W(X)=(2.175×106×x1+3.98×105×x2+6.05×105×x3+3.58×106×x4+2.725×106×x5+4.331×105×x6+1.75×105×x7+1.483 9×106×x8+1.468×105×x9+2.164×106×x10+1.615×105×x11+2.0×105×x12+1.33×107×x13+1.8×106×x14+1.33×107×x15)×7.85×103，

(3)

1.立柱三角支撑部位; 2.立柱外围正方体部; 3.下横梁部位; 4.横梁支架部位 5.横梁夹板部位; 6.立柱顶部; 7.冷却系统支柱顶部

8.升降装置部位; 9.冷却系统装置夹板; 10.冷却系统横梁

11.防护罩外壳; 12.防护罩中间连接梁; 13.防护罩斜连接梁; 14.防护罩连接梁; 15.防护罩外挡板

表2给出金刚石组合绳锯组锯机结构优化计算中，各构件板厚等设计变量与总重量目标函数的数值变化，x1～x10为机架设计变量，x11～x15为轮系结构设计变量。

表2 优化设计参数

初始设计量的求值：

W1(X)=(2.175×106×x1+3.98×105×x2+6.05×105×x3+3.58×106×x4+2.725×106×x5+4.331×105×x6+1.75×105×x7+1.483 9×106×x8+1.468×105×x9+2.164×106×x10+1.615×105×x11+2.0×105×x12+1.33×107×x13+1.8×106×x14+1.33×107×x15)×7.85×103=51 379 kg。

(4)

计算结构优化后的值：

W2(X)=(2.175×106×x1+3.98×105×x2+6.05×105×x3+3.58×106×x4+2.725×106×x5+4.331×105×x6+1.75×105×x7+1.483 9×106×x8+1.468×105×x9+2.164×106×x10+1.615×105×x11+2.0×105×x12+1.33×107×x13+1.8×106×x14+1.33×107×x15)×7.85×103=42 698 kg。

(5)

优化后节省材料的占比：

(6)

由公式6，桂林特邦新材料有限公司的ZJP56金刚石组合绳锯组锯机构质量为51 379 kg。经过结构优化，减轻了金刚石组合绳锯组锯机构的质量为8 681 kg，占比16.9 %。

3 优化后结构的有限元分析

图11与图12分别为该金刚石组合绳锯组锯机优化设计后，工况1和工况2有限元分析结果的Von-Mises复合应力分布云图，颜色越深，应力越大。

图11 工况1优化后复合应力分布云图

图12 工况2优化后复合应力云图

由图11工况1应力图可知，机构的连接板部分所受的应力较大，在连接部分附近的基座受到少部分应力，应力分布的区域与优化前相同工况下应力分布的区域相似，不同的是减少了部分支撑肋的材料，连接部分附近的基座仍然受力较小，为1.36～2.79 MPa，所受应力较大连接板部分应力最大值为12.57 MPa，图12工况2下的应力分布仍与工况一情况相似，最大应力变为13.38 MPa，远小于许用安全应力。

4 结语

ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机是矿石开采领域使用的主要工具，但其体积重量大，材料生产及运输成本高，是其工程应用中面临的主要问题。为解决ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机在行业中面临的材料生产及运输成本高问题，研究ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机结构优化，建立ZJP56型金刚石组合绳锯组锯机虚拟样机模型，运用有限元方法对组合绳锯组锯机进行力学分析，得到组合绳锯组锯机结构的最大强度。采用结构有限元分析与遗传优化算法相结合的优化方法，对组合绳锯组锯机进行在保证结构强度前提下，以减少结构总质量为目的的优化设计。对优化后的组合绳锯组锯机进行有限元分析，得到优化后组合绳锯组锯机结构的最大强度。研究结果表明，金刚石组合绳锯组锯机在满足强度条件下，减轻质量超过15 %。优化后构件尺寸的改变并未影响组合绳锯组锯机样机的运动方式，该尺寸可以作为生产物理样机的可靠参考尺寸，从而较大程度降低了设计、生产及运输成本。有利于提高组合绳锯组锯机的性价比和市场竞争力，使组合绳锯组锯机能广泛的使用，提高矿石产业开采效率与经济发展。