三辊卷板机机架结构优化分析

三辊卷板机机架结构优化分析

梅录春 刘立明  泰安华鲁锻压机床有限公司

  许莹雪 泰安市岱岳区英雄山双语学校

摘要：三辊卷板机是金属加工中常用的设备，其机架结构对于机器性能和生产效率具有重要影响。然而，在现有的机架结构中存在着一些问题，如结构刚度不足、重量过大等，影响了机器的稳定性和运行效率。因此，本研究旨在通过优化分析，提出一种改进的机架结构设计，以提高三辊卷板机的性能和生产效率。

关键词：三辊卷板机；机架结构；优化分析；性能改进；生产效率

引言：三辊卷板机作为一种重要的金属加工设备，在压力容器、风电、冶金、船舶、汽车等行业具有广泛应用。其机架结构对于机器的稳定性和加工质量起着至关重要的作用。不过，传统的机架结构存在诸如振动、变形、重量过重等问题，制约了机器的性能和生产效率。因此，对三辊卷板机的机架结构进行优化分析，提出改进的设计方法，具有重要意义。

一、三辊卷板机的机架结构及现有问题

（一）三辊卷板机的工作原理和机架结构

三辊卷板机是一种常用于金属板材成型加工的设备，其工作原理是通过三组辊子之间的压力和运动，将金属板材进行定向滚压变形，从而获得所需的形状和尺寸[1]。其机架结构主要由上、下辊架、副辊架、主辊架等部件组成，各部件经过精密设计和组装，协同工作以确保加工过程稳定进行，并满足产品成型的要求。

（二）现有机架结构存在的问题和局限性

1.结构刚度不足导致振动和变形

在一些现有的三辊卷板机机架结构中，由于设计上的缺陷或材料选择不当，导致机架整体刚度不足，无法有效抵抗加工过程中产生的振动和负荷变形，严重影响了机器的加工精度和稳定性。振动和变形不仅会导致产品质量下降，还会降低设备的使用寿命，增加维护成本。

2.机架重量过大影响运行效率

部分三辊卷板机机架结构存在着过重的问题，主要原因可能是过于保守的设计以及不合理的材料选用导致机架重量超出实际需求。过重的机架会增加设备的惯性负荷，使得设备运行时消耗的能量增加，降低了运行效率。而且，过大的机架重量还会增加设备运输、安装和维护的难度和成本。

3.求解机架失稳问题的数值方法

针对三辊卷板机机架失稳问题，目前常采用数值模拟方法来进行分析和求解。通过有限元分析等数值方法，可以对机架结构在不同工况下的稳定性进行评估和预测，找出可能导致失稳的关键因素，并提出相应的改进措施。但是，目前针对三辊卷板机机架失稳问题的数值方法仍需要不断优化和改进，以更精准地解决实际工程中的稳定性和可靠性问题。

二、机架结构优化设计方法与原理

（一）结构优化设计的基本原理

1.材料力学原理和结构优化方法的关系

在进行机架结构优化设计时，需要充分考虑材料的力学性能，例如强度、刚度、韧性等特征。材料力学原理对于设计过程中的材料选择、构建数学模型以及确定最佳设计方案都具有重要影响。通过合理运用材料力学原理，结合优化方法，可以实现机架结构轻量化、强度增强等目标。

2.最小重量设计和最大刚度设计的权衡

在机架结构优化设计中，通常需要平衡最小重量设计与最大刚度设计之间的关系。最小重量设计旨在减少机架重量，降低惯性负荷，从而提高运行效率；而最大刚度设计则旨在增加机架的刚度和稳定性，以抵抗外部负荷和振动[2]。在实际优化设计中，需要根据具体情况和需求，合理权衡最小重量和最大刚度设计的矛盾，找到最优的设计方案。

（二）三辊卷板机机架结构的优化设计目标

在优化设计三辊卷板机机架结构时，主要目标包括但不限于：一是提高结构的整体性能，通过优化设计，提高机架结构的稳定性、刚度和承载能力，确保机器在加工过程中具有良好的工作稳定性和精度。二是减轻机架重量，通过优化材料选择、结构设计等手段，降低机架的重量，降低设备的惯性负荷，提高运行效率和节能减排效果。三是满足特定工艺要求，在优化设计中考虑具体生产工艺和特殊工况下的机架稳定性要求，保证机器在不同加工条件下都能够稳定运行，提高生产效率和加工质量[3]。

（三）机架结构优化设计方法

1.拓扑优化设计方法

拓扑优化是一种常用的优化设计方法，其通过改变机架结构的拓扑形态来实现结构优化。在拓扑优化过程中，通过对机架结构进行连续剪裁、添加或重新分配材料，以求得最优的结构形态。这种方法可以去除冗余材料并提供最佳的结构连接方式，从而实现轻量化、刚度增强等设计目标。

2.参数化设计和自适应方法

参数化设计是一种基于参数化模型的设计方法，通过调整设计参数来实现机架结构的优化。通过建立参数化模型，可以灵活调节机架结构的关键参数，从而使得机架能够适应不同的工况需求。同时，结合自适应方法，可以根据实时反馈信息，动态调整参数值，实现结构的自适应优化设计。

3.多目标优化设计方法

多目标优化设计方法是考虑多个指标同时优化的一种设计方法。在机架结构优化中，可能需要考虑多个目标，如最小重量、最大刚度、最低振动频率等。通过多目标优化方法，可以在设计空间内寻找各种权衡方案，得到一系列满足不同设计目标的最优解集合。这种方法能够帮助设计者全面评估不同设计方案的优劣，并在不同需求间做出合理的选择。

三、三辊卷板机机架结构优化模型建立

（一）优化设计模型的建立

在建立三辊卷板机机架结构优化模型时，我们需要将机架结构进行抽象化，并建立数学模型以便进行优化计算。该模型应考虑几何形状描述，机架的几何形状特征需要被准确描述，包括尺寸、形状、连接方式等。可以使用CAD软件来建立机架的几何模型；材料属性，机架的材料应该具有所需的强度、刚度和韧性等力学性能[4]。需要考虑材料的物理特性如杨氏模量、屈服强度、断裂韧度等，以确定机架材料的选型和性能参数；约束条件，模型中需要考虑机架的实际工程需求和设计约束条件。例如，机架需要满足一定的强度、稳定性和振动要求，还需要考虑生产工艺和操作限制对机架的约束。

（二）材料特性和工况载荷的考虑

在优化设计模型中，必须充分考虑机架材料的特性以及实际工作环境下的载荷情况。具体而言，机架所使用的材料应具备所需的力学性能，如足够的强度、刚度和韧性，以保证机架在工作时的稳定性和可靠性。因此，需要详细了解所选材料的力学性能，以确保模型准确地反映材料的特性。机架在工作过程中承受着各种不同的载荷，包括静载荷、动载荷和冲击载荷等。这些载荷会对机架结构产生不同的影响，如变形、应力集中等。因此，需要考虑实际工况下的载荷情况，并进行相应的载荷分析和估计。通过准确考虑材料特性和工况载荷，可以建立更真实有效的机架结构优化模型，为后续的优化计算和设计提供准确的基础。

（三）约束条件的设定

在建立优化模型时，我们需要明确设定约束条件，以保证优化设计方案的合理性和可行性。具体来说，机架结构的尺寸需要符合实际生产和安装的需求，不能超出规定的范围。因此，我们需要设定机架尺寸的上限和下限，确保机架可以适应工作环境。机架在工作过程中需要承受各种载荷，因此必须满足一定的强度要求，以保证机架不会发生过度变形或破坏[5]。设定强度约束可以避免设计方案出现强度不足的情况。机架在运行过程中需要保持稳定性，不能出现过度振动或失稳的情况。因此，我们需要设置稳定性约束条件，以确保机架在工作时的稳定性和可靠性。通过设定这些约束条件，可以有效地限制优化设计的自由度，保证设计方案在实际工程环境下的可行性和有效性。

（四）目标函数的定义

在建立优化模型时，定义恰当的目标函数是至关重要的。目标函数是优化设计的评价指标，直接影响最终设计方案的成效。在三辊卷板机机架结构优化中，我们可以考虑以下几种目标函数：一是最小化机架重量，通过最小化机架的重量，可以达到轻量化设计的目的，减少材料成本并提高三辊卷板机的运行效率。二是最大化机架刚度，通过最大化机架的刚度，可以提高机架的稳定性和抗振能力，确保在高负荷工况下机架不会发生过度变形。三是优化成本效益比，综合考虑机架的成本和性能，建立合适的成本效益比作为目标函数，找到最经济实用的设计方案。通过定义合适的目标函数，我们可以引导优化设计过程朝着预期目标方向进行，帮助设计者快速获取最优设计方案，从而实现机架结构的优化和性能提升。

四、讨论分析

（一）基于优化模型的机架结构优化结果

对于基于优化模型的机架结构优化结果的分析，可以从以下两个方面展开：

1.改变材料种类和尺寸对结构性能的影响

在优化模型中，通过改变材料种类和尺寸可以分析其对机架结构性能的影响。例如，从普通碳钢到高强度合金钢的转变可能会显著提升机架的强度和刚度，但与此同时可能会增加成本。另外，调整材料尺寸也会直接影响机架的性能，如增加截面尺寸能够提高机架的承载能力，但也会带来更大的重量[6]。通过研究不同材料种类和尺寸变化对结构性能的影响，可以找到最佳设计方案，在性能和成本之间找到平衡点。

2.不同目标函数的优化结果对比与分析

在优化设计中，选择不同的目标函数会导致不同的设计结果。以最小重量和最大刚度为例，当以最小重量为目标函数进行优化时，机架可能被设计为轻量化结构，虽然可以减少惯性负荷，但牺牲了一定的刚度和稳定性；相反，当以最大刚度为目标函数进行优化时，机架可能会被设计为更加坚固和稳定，但可能存在过重的问题。需要根据实际需求和工作环境选择合适的设计方案，综合考虑轻量化和刚度增强之间的平衡关系。通过对基于优化模型的机架结构优化结果进行比较和分析，可以更清晰地了解不同因素对设计的影响，为实际生产提供科学参考，并为未来机架设计优化提供启示。

（二）机架结构优化后的性能评估

在对机架结构进行优化后，进行以下方面的分析是至关重要：

1.结构刚度分析

经过机架结构优化后，进行结构刚度分析是至关重要的步骤。通过有限元分析等方法，可以评估机架在静载荷和动载荷下的变形情况，以及确定机架的刚度。优化后的机架应保持较高的刚度，可以有效抵抗外部负荷和振动，确保加工过程中的稳定性和加工精度。有限元分析是一种常用的工程分析方法，通过将结构离散为有限数量的单元，然后对每个单元进行力学分析，可以模拟机架受力情况，进而推断其变形情况和刚度。在静载荷下的分析可以揭示机架在受力过程中的变形程度和应力分布，从而评估其刚度。而动载荷下的分析则可以考虑机架的振动特性，进一步评估机架的刚度和稳定性。

2.静态和动态特性分析

静态和动态特性分析可以评估优化后机架的性能。静态特性分析可确定机架在静态工况下的变形和应力分布，以及最大位移和最大应力点位置等信息。这有助于评估机架在静止状态下的稳定性。动态特性分析则可以得出机架在动态载荷下的模态频率、振型以及响应情况。通过这些分析结果，可以更好地了解优化后机架的稳定性和振动特性，为进一步的结构改进和优化提供指导。通过结构刚度分析和静态动态特性分析，我们可以全面评估机架结构的性能表现，发现潜在问题并针对性地进行优化改进，确保机架在实际工作中能够达到稳定、高效的运行状态。

3.结构重量与运行效率的关系

在机架结构优化后，结构重量与运行效率之间存在着密切的关系。优化设计能够有效减少机架的重量，从而降低惯性负荷，提高运行效率。轻量的机架可能具有更低的能耗和更高的加工速度，进而增强生产效率。因此，通过优化设计降低机架重量，可以显著提高其运行效率及生产效率。不过，应注意结构重量不宜过轻。适度的结构重量有利于保证机架的稳定性和承载能力，避免在高强度或高速加工过程中出现振动和变形等问题。因此，在优化后的机架设计中，需要综合考虑结构重量与运行效率，以寻求最佳的平衡点。通过对机架结构进行优化后的性能评估，可以获取有关刚度、静态和动态特性以及机架重量与运行效率之间关系的信息。这些评估结果对于验证设计方案的可行性、指导实际生产以及进一步改进优化具有重要的参考价值。确保机架既具有足够的运行效率，又能满足稳定性和安全性的需求，是优化设计过程中的关键考量因素。

结论：

总的来说，本研究为三辊卷板机的机架结构优化提供了实用性强、技术可行的方案，并为相关领域的工程实践提供了有益的参考。未来的研究工作可以进一步探索优化设计方法的应用范围和机制，并结合现代仿真技术与实验验证相结合的手段，进一步提升三辊卷板机的性能和竞争力。通过持续不断的技术改进与创新，将能够推动金属加工行业向更高效、更智能的方向发展，为产业升级和科技进步作出积极贡献。

参考文献：

[1]朱贺,黄辰雷,杨利明,等.基于响应面法和拓扑优化的四旋翼无人机机架结构优化研究[J].机械设计,2023(S2):130-135.

[2]李乾坤,张浩,张翔,等.基于ANSYS的网印机简化机架结构分析研究[J].丝网印刷,2023(23):17-22.

[3]王广林,王新海,张涛.三辊对称卷板机薄壁圆筒成型工艺方法[J].设备管理与维修,2022(24):91-92.

[4]袁媛.平整机支撑辊辊形优化方案研究[J].山西冶金,2023,46(4):50-52.

[5]赵玉凤,马国平,张秋菊,等.角码上料装置结构设计及机架仿真分析[J].现代制造技术与装备,2023(10):115-117,127.

[6]潘荣陆.探析大型三辊卷板机液压及电气控制系统的改造[J].轻松学电脑,2020,000(009):P.1-2.