绝缘子清洁装置平移机构优化设计

姜红敏，吴文江，刘 旋

( 石家庄铁道大学 机械工程学院，河北省 石家庄 050043)

绝缘子清洁装置平移机构优化设计

姜红敏，吴文江，刘 旋

( 石家庄铁道大学 机械工程学院，河北省 石家庄 050043)

平移机构是绝缘子清洁装置底盘中的重要组成部分，在工作过程中承受整个装置的重力载荷，平移机构工作性能的好坏直接影响绝缘子清洁装置工作平顺性和寿命。针对绝缘清洁装置平移机构利用SolidWorks对本装置零部件进行建模和装配，得到本装置三维模型。将平移机构导入ANSYS Workbench软件中，对其进行静力学分析得到工作条件下的应力应变，并对平移机构进行优化，得到更优的设计方案，为绝缘子清洁装置研究提供理论依据，减少绝缘子清洁装置开发周期、降低开发成本。

绝缘子；平移机构；优化设计；ANSYS Workbench

由于大气中的污染物在铁道线路接触网绝缘子上的沉积，造成电网污闪事故频发[1]，从而严重影响铁道线路的正常运营。目前普遍采用的人工清洁绝缘子方法存在劳动强度大、清洁效果差的缺点，因此研究绝缘子清洁装置对于保证铁路电网安全运行具有重要意义，本文从绝缘子清洁效果、效率和环保的角度考虑，以绝缘子清洁装置平移机构为研究对象，利用SolidWorks功能对绝缘子清洁装置进行结构设计和三维模型建立[2]；本装置和轨道车配合使用，由于轨道车停车位置难以做到十分精确，因此本绝缘子清洁装置底盘位置上设计一种平移机构，本文借助ANSYS workbench软件的优化设计功能对本装置平移机构进行分析优化，用以得到最佳平移机构的设计方案。

1 平移机构结构设计

SolidWorks是如今国内常用的的绘图软件之一，利用SolidWorks软件对绝缘子清洁装置进行结构设计和各部分零件三维建模、装配，得到绝缘子清洁装置三维模型图，如图1所示，本装置主要由底盘、支架、机械臂、控制系统等部分组成，其中底盘部分由平移机构、驱动机构和旋转机构组成。

平移机构主要承担整个装置的重量载荷，是整个装置关键的部分之一，本平移机构主要由矩形框架、直线导轨、滑块、垫片、底板1、底板2组成，图2为平移机构三维模型。平移机构的强度和刚度决定该种绝缘子清洁装置是否能满足实际需要，因此主要对绝缘子清洁装置平移机构进行静力学分析，并对平移机构进行优化设计，表1为平移机构技术参。

表1 平移机构技术参数

2 绝缘子清洁装置平移机构静力学分析

在使用workbench软件对绝缘子清洁装置平移机构进行分析时，结构静力学分析是整个有限元分析最基础的内容，对于线性静态结构分析方程如下：

[K]{x}=[F]

(1)

式中：[K]为刚度矩阵；{x}为位移矢量；[F]为静载荷。假设材料为线弹性，结构小变形，则[K]为常量矩阵且必须是连续的，[F]为静态加载到模型上的力，该力不随时间变化，不包括惯性影响因素(质量、阻尼等)[3]。

2.1 有限元模型导入

在进行workbench分析前，先根据实际工作过程中各个零部件之间的相对关系对平移机构进行结构分析和简化，因为底板1、底板2、垫片等几个零件之间并无相对运动且材质一致，故在solidworks建模时将这几个零件建为一个整体。后建立有限元分析模型[4]，将上述简化模型在workbench软件中打开，建立Static Structural模块，对于本项目来说，平移机构为线性导轨、滑块、底板1、底板2及垫片，其中导轨和滑块型号为HR-30W，材料为合金钢(GCr15)，弹性模量为208 GPa,泊松比为0.3，密度为7 810 kg/m3；与直线导轨连接的矩形框架、垫片以及底板1，底板2选用普通碳素结构钢，型号为Q235，弹性模量为200 GPa,泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

将平移机构划分网格为10mm，得到平移机构网格如图3，根据实际绝缘子清洁装置的工作情况对绝缘子清洁装置平移机构进行约束，本平移机构主要承受整个装置的重力载荷[5]，其质量约400 kg，集中分布在底板2中心孔孔心为圆心直径为230mm的圆上，底板上分担重力载荷大小为3 920 N，由应力公式得,应力约为0.82 MPa。

(2)

(3)

式中：D为实际受力圆直径，d为底板2上镂空圆直径，d‘为螺纹孔直径。

2.2 平移机构进行应力应变分析

由图4平移机构应力云图可知，平移机构的应力主要集中在底板2上，其数值约为0 MPa～30.79 MPa,最大应力在底板2中心附近，大小为30.79 MPa；由图5平移机构变形图可知，绝缘子清洁装置平移机构的主要变形之中在底板2上且形变在底板2中间较大，两侧较小，其最大数值为：0.23 mm；由图6绝缘子清洁装置平移机构应变云图可知，绝缘子清洁装置工作时应变主要集中底板2中心为圆心的直径为230 mm的圆上，最大值为：0.000 157 mm。

根据workbench分析出的平移机构应力应变云图以及变形图可知，实际工作时平移机构最大应力位于底板2，大小为30.79 MPa，而材料的强度极限为250 MPa此时平移机构安全系数250/30.79=8.11>Nmin(Nmin=1.2)，最大变形发生在底板2上，大小为0.23 mm，符合材料性能，故在实际工作时强度符合要求且有优化设计空间，因此为了实现绝缘子清洁装置平移机构的轻量化和装置加工成本的低廉化，应该对平移机构进行优化设计。

3 绝缘子清洁装置平移机构结构优化

所述结构优化是指将实际中的工程问题转换为最优化问题，最优化问题是寻找恰当的方法，从满足可行性要求的方案中寻找能够实现预期目标的最优化设计方案。

笔者利用ANSYS Workbench中的Shape Optimization，将目标函数设置为控制体积约束条件为0.7，实现绝缘子清洁装置平移机构中底板2快速优化，优化后绝缘子清洁装置平移机构网格图7。

根据结构优化结果如图8a),b)，c),d)底板2可知：

根据图8优化后各参数可知，优化后实际工作时平移机构最大应力位于底板2，大小为59.417 MPa，而材料的强度极限为250 MPa，此时平移机构安全系数250/59.417=4.2>Nmin(Nmin=1.2)，最大变形发生在底板2上，大小为0.37 mm，同样符合材料性能，更充分利用了材料性能，且底板2优化前质量为37.536 kg，优化后质量为30 kg，节省材料节约成本，因此初步形状优化合理。

4 平移机构底板2尺寸优化

根据ANSYS Workbench 软件中的Direct Optimization的强度尺寸优化功能，将进行了初步结构优化的绝缘子清洁装置平移机构导入其中，设定底板2腰型孔长度一半为参数DS_D1，底板2腰型孔宽度为参数DS_D2，底板2厚度为参数DS_H1，并设定底板2的Maximum Equivalent Stress为优化目标值，对平移机构底板2进行优化，设置变量范围如图9。

根据实际参数设定，预先设定样本数15个，候选数3个，求解并显示分析结果，如图10。

由图10可知，当底板2腰型孔长度一半为121 mm，宽度为85.2 mm，厚度为10.333 mm时，在工作过程中，底板2 Maximum Equivalent Stress为150.73MPa，此时安全系数250/150.73=1.65>Nmin(Nmin=1.2)，并且最大形变量为2.1 mm，优化后底板2质量16.725 kg,更能充分利用材料。

5 结语

笔者通过SolidWorks对绝缘子清洁装置平移机构进行三维建模，将三维模型导入workbench中，对平移机构的进行强度和刚度分析后，进行优化设计，这为绝缘子清洁装置的设计大大减少了开发周期，缩小成本开支，更充分利用了材料性能，提高了产品质量和寿命。

[1] 莫宝律.输电线路绝缘子防污闪技术研究及预防措施[J].科技创新导报,2015,33(5):103-107.

[2] 刘长征译.精通SolidWorks2003[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3] 刘江.ANSYS14.5 Workbench机械仿真实例解析[M].北京:机械工业出版社,2015.

[4] 毛泉红,温彤,聂君臣.基于有限元分析的摩托车车架优化设计[J].小型内燃机与摩托车,2007,36(5):35-37.

[5] 孙景福.绝缘子带电干冰清洗机器人平移机构的优化设计[J].机械工程与自动化,2015,192(5):77-79.

SimulationofTranslationMechanismofInsulatorCleaningDevice

JIANG Hong-min, WU Wen-jiang, LIU Xuan

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang050043, Hebei, China)

An important part of the insulator cleaning device is translating mechanism， withstanding gravity of the entire apparatus in the course of its work load. The translation mechanism directly impacted the performance of the entire device work of the ride and life. The translator component was modeled and assembled by SolidWorks software, and three-dimensional model obtained insulator cleaning device. The translation mechanism was introduced into ANSYS Workbench software, which means translating agencies static analysis of the stress strain their working conditions, and the translation mechanism is optimized to obtain a better design programs to improve the translation mechanism stable. This provided a theoretical basis for research insulator cleaning device, reducing insulator cleaning device development cycle and reducing development costs.

insulator; translation mechanism; optimization design; ANSYS Workbench

2017-03-28

姜红敏(1990-)，女，河北廊坊人，在读硕士，主要研究方向为设备轻量化设计，E-mail：13393236532@163.com。

TH122

A

1008-9446(2017)06-0035-04