煤矿设备连接支座的创成式研究

(1.中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原 030006；2.山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006）摘 要：本文针对煤矿设备的一种连接支座进行了创成式研究。以降低耗材、追求紧凑及可靠性符合工况要求为宗旨，对煤矿设备的一种连接支座分别进行了不同结构的设计研究，设计出了结构轻便、性能完好、对使用无影响的连接支座结构，达到了最初的设计宗旨。

关键词：煤矿设备；支座；创成式研究

中图分类号：文献标识码：A

设备追求轻便、降低成本、改善设备性能的设计要求，决定了机械零部件的设计发展趋势，煤矿设备的零部件多数情况下显得十分笨重，在材料上为保证足够强度的前提下，其结构没有得到有效优化，在追求轻量化方面没有有效的措施，为了追寻一种有效可行的方法，本文针对煤矿设备的一种连接支座进行了创成式研究，探索创成式设计在煤矿设备上的应用，为煤矿设备机械零部件的设计开创新的设计思路，为机械零部件的设计提供一定的理论参考及工程意义。

1.创成式理论

创成式设计俗称自动化外观优化设计，其目标是将目标设计成足够坚固，承受操作过程中的压力，但重量轻，足够节省材料成本应用有限元分析结果，自动对模型进行拓扑优化，满足强度要求的前提下，尽可能节省材料。

创成式设计是一个结构优化过程，可以基于一系列物理和制造约束，通过移除材料来降低零件重量。通过该过程生成的形状更轻、外观更生动，而且所需材料较少。可以对同一零件生成不同优化，然后基于材料和单位成本，选择最符合要求的设计。最后，创成式设计出的结构可依据 3D 打印的方式进行加工制造。

2.支座的模型构建

如图 1 为煤矿设备某连接支座的三维模型，其主要承受压力载荷。

图 1 连接座模型

3.创成式研究

3.1 无效果优化

无效果优化 类支柱优化

图 2 创成式研究

对连接支座的顶部施加 1000N 的工况压力，为不影响连接支座的安装位置及尺寸要求，分别对各个孔进行了一定的保留，如图 1 中的 8个孔全部保留，并且各孔向外预留 3mm 空间不被变化，连接座底端面固定，固定面同样采用由底向上预留 10mm 空间，在连接座顶部平面施加 1000N 作用下，制造模式采取无效果优化模式进行创成式研究。

连接座原始质量为 28.586kg，通过优化使其质量缩减一半，在材料安全系数保持为 1 的情况下优化的到如图 2 所示，由此能够看出优化后的连接座结构在两支柱靠上位置存在应力集中现象，但保持在允许的应力极限范围之内，这样在减轻质量一半的情况下，得到了较为优化的连接座结构。

3.2 类支柱优化

类支柱优化设计中采取与无效果优化同样的初始条件，在制造模式采取类支柱模式进行创成式研究。连接座原始质量为 28.586kg，通过优化使其质量缩减一半，在材料安全系数保持为 1 的情况下优化的到如图 2 所示，由此能够看出优化后的连接座结构在中间支柱上存在较多的应力集中现象，且应力集中位置分散，在较多的地方存在安全隐患，虽应力集中位置较多。但依然保持在允许的应力极限范围之内，这样在减轻质量一半的情况下，得到了较为优化的连接座结构，但相对于无效果优化，其加工制造更难实现。

4.结论

通过对设备连接支座的创成式研究后得到：

（1）创成式设计的加入减轻了连接支座的质量 50%，同时保证了其正常使用要求。

（2）对连接支座的 2 种创成式研究中，其中无效果优化相较于类支柱优化应力集中范围小，且类支柱结构更难加工制造。

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