基于响应面法的绞磨机辅助拉尾绳装置优化设计

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.187

工程设计学报

2024, Vol. 31

Issue (2): 178-187 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.187

机械优化设计

基于响应面法的绞磨机辅助拉尾绳装置优化设计

蔡锦云^1,²(

),刘忠^1,^2,³(

),王罡⁴,赵庆斌⁵,安宁⁵,杜旭伟⁶,李东良⁶,李源周¹

^1.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004
^2.广西特种工程装备与控制重点实验室，广西桂林 541004
^3.桂林航天工业学院机电工程学院，广西桂林 541004
^4.国家电网有限公司西藏电力有限公司，西藏拉萨 850000
^5.中国电力建设集团四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都 610000
^6.青海送变电工程有限公司，青海西宁 810000

Optimization design of auxiliary tail rope pulling device for winch mill based on response surface methodology

Jinyun CAI^1,²(

),Zhong LIU^1,^2,³(

),Gang WANG⁴,Qingbin ZHAO⁵,Ning AN⁵,Xuwei DU⁶,Dongliang LI⁶,Yuanzhou LI¹

^1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China
^2.Guangxi Key Laboratory of Special Engineering Equipment and Control, Guilin, 541004, China
^3.School of Mechanical Engineering, Guilin University of Aerospace Technology, Guilin 541004, China
^4.Tibet Electric Power Co. , Ltd. , State Grid Corporation of China, Lhasa 850000, China
^5.Sichuan Electric Power Design and Consulting Co. , Ltd. , Power Construction Corporation of China, Chengdu 610000, China
^6.Qinghai Power Transmission and Transformation Engineering Co. , Ltd. , Xining 810000, China

全文: PDF(4738 KB) HTML

摘要：

针对绞磨机辅助拉尾绳装置的轻量化问题，结合装置的刚度和强度要求，提出了一种基于响应面法的优化设计方法。通过对绞磨机辅助拉尾绳装置进行参数化建模和静力学分析，将辅助拉尾绳装置的关键结构尺寸作为设计参数，以整体质量最小为目标函数、最大等效应力和最大变形量为约束条件，采用中心复合设计法建立响应面模型，并对响应面的拟合程度和设计参数的灵敏度进行分析。基于响应面模型迭代寻求最优解集，以获得辅助拉尾绳装置的最优设计参数。经优化设计后，辅助拉尾绳装置的质量减小了29%，且工程验证表明，辅助拉尾绳装置整体轻便高效且工作可靠，达到了预期的应用效果，由此验证了所提出的优化设计方法的可行性和有效性。研究结果可为同类型工程装备的结构优化设计与实际应用提供理论支撑和技术指导。

关键词： 绞磨机; 辅助拉尾绳装置; 有限元分析; 响应面法; 优化设计

Abstract:

Aiming at the lightweight problem of auxiliary tail rope pulling device for winch mill, an optimization design method based on response surface methodology is proposed in combination with the stiffness and strength requirements of the device. Through the parametric modeling and statics analysis of the auxiliary tail rope pulling device for winch mill, the key structural dimensions of the auxiliary tail rope pulling device were taken as the design parameters, the minimum overall mass was taken as the objective function, and the maximum equivalent stress and maximum deformation were taken as the constraint conditions. The response surface model was established by the central composite design method, and the fitting degree of the response surface and the sensitivity of the design parameters were analyzed. Based on the response surface model, the optimal solution set was iteratively sought, and the optimal design parameters of the auxiliary tail rope pulling device were obtained. After optimized design, the mass of the auxiliary tail rope pulling device was reduced by 29%, and the engineering verification showed that the auxiliary tail rope pulling device was light, efficient and reliable, and had achieved the expected application effect, which verified the feasibility and effectiveness of the proposed optimization design method. The research results can provide theoretical support and technical guidance for structural optimization design and practical application of the same type of engineering equipment.

Key words: winch mill auxiliary tail rope pulling device finite element analysis response surface methodology optimization design

收稿日期: 2023-07-05 出版日期: 2024-04-26

CLC:

TH 122

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51765014);川藏铁路供电工程科技攻关项目(SGXZJGOOJCWT2200079)

通讯作者: 刘忠 E-mail: 1789991528@qq.com;Liuzhong678@163.com

作者简介: 蔡锦云（2000—），男，广西玉林人，硕士生，从事特种工程装备设计研究，E-mail: 1789991528@qq.com，https://orcid.org/0009-0005-8956-7728

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引用本文:

蔡锦云,刘忠,王罡,赵庆斌,安宁,杜旭伟,李东良,李源周. 基于响应面法的绞磨机辅助拉尾绳装置优化设计[J]. 工程设计学报, 2024, 31(2): 178-187.

Jinyun CAI,Zhong LIU,Gang WANG,Qingbin ZHAO,Ning AN,Xuwei DU,Dongliang LI,Yuanzhou LI. Optimization design of auxiliary tail rope pulling device for winch mill based on response surface methodology[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(2): 178-187.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.187 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I2/178

图1 新型绞磨机结构示意

图2 辅助拉尾绳装置结构示意

图3 辅助拉尾绳装置受力示意

图4 辅助拉尾绳装置结构简化示意

图5 辅助拉尾绳装置有限元模型

表1 Q355钢的力学性能参数

图6 辅助拉尾绳装置工作载荷设定

图7 辅助拉尾绳装置变形云图

图8 辅助拉尾绳装置等效应力云图

图9 二阶多项式响应面模型

图10 基于响应面法的辅助拉尾绳装置结构优化流程

表2 辅助拉尾绳装置设计参数的取值范围 (mm)

图11 上轴的受力简图

表3 基于CCD法的辅助拉尾绳装置结构优化试验设计方案及结果

表4 辅助拉尾绳装置各响应面模型的拟合程度评价结果

图12 辅助拉尾绳装置各响应面模型的回归拟合结果

图13 辅助拉尾绳装置各设计参数的灵敏度分析结果

图14 H1 、 T1 对辅助拉尾绳装置质量的影响

图15 H1 、 D1 对辅助拉尾绳装置最大变形量的影响

图16 D1 、 D2 对辅助拉尾绳装置最大等效应力的影响

表5 辅助拉尾绳装置结构优化结果

图17 改进前的绞磨机

图18 改进后带辅助拉尾绳装置的绞磨机

图19 新型绞磨机执行组塔起吊作业现场

1	程龙瑞.新型双滚筒绞磨机传动结构及改进设计研究［D］.徐州：中国矿业大学，2018：1-3. CHENG L R. Study on the transmission structure and improved design of a new double rollers windlass［D］. Xuzhou： China University of Mining and Technology， 2018： 1-3.
2	卓俊帆，李瑶.输变电工程建设中的吊装技术分析［J］.科技创新导报，2018，15（36）：56-57. ZHUO J F， LI Y. Analysis of lifting technology in power transmission and substation construction［J］. Science and Technology Innovation Herald， 2018， 15（36）： 56-57.
3	刘忠，蔡锦云，王罡，等.复杂山区微型钢管桩钻机的研制与应用［J］.机电工程技术，2023，52（10）：6-10. doi：10.3969/j.issn.1009-9492.2023.10.002 LIU Z， CAI J Y， WANG G， et al. Development and application of miniature steel pipe pile drilling rig in complex mountainous areas［J］. Mechanical & Electrical Engineering Technology， 2023， 52（10）： 6-10. doi: 10.3969/j.issn.1009-9492.2023.10.002
4	KHURI A I， MUKHOPADHYAY S. Response surface methodology［J］. Wiley Interdisciplinary Reviews： Computational Statistics， 2010， 2（2）： 128-149.
5	KAHRAMAN M F， ÖZTÜRK S. Experimental study of newly structural design grinding wheel considering response surface optimization and Monte Carlo simulation［J］. Measurement， 2019， 147： 106825.
6	韩正清，许金，芮万智，等.高速短初级直线感应电动机等效电路模型及时变参数辨识［J］.电机与控制学报，2021，25（11）：8-15. HAN Z Q， XU J， RUI W Z， et al. Equivalent circuit model and time-varying parameter identification of high speed short primary linear induction motors［J］. Electric Machines and Control， 2021， 25（11）： 8-15.
7	ZHANG Z， JIA X H， YANG T， et al. Multi-objective optimization of lubricant volume in an ELSD considering thermal effects［J］. International Journal of Thermal Sciences， 2021， 164： 106884.
8	徐光亿，齐志冲，田彦朝，等.基于响应面法的沉井掘进机回转装置优化设计［J］.机械设计，2022，39（）：92-97. XU G Y， QI Z C， TIAN Y Z， et al. Optimization design of rotary device of caisson roadheader based on response surface method［J］. Journal of Machine Design， 2022， 39（Supplment 2）： 92-97.
9	张开拓，管殿柱，白硕玮，等.基于响应面分析法的龙门式折弯机轻量化设计［J］.制造业自动化，2019，41（1）：57-60. doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2019.01.013 ZHANG K T， GUAN D Z， BAI S W， et al. Lightweight design of gantry bending machine based on response surface methodology［J］. Manufacturing Automation， 2019， 41（1）： 57-60. doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2019.01.013
10	DING Z L， XUE J H， ZHU X Y， et al. Optimization of CSG dam profile based on response surface methodology［J］. Case Studies in Construction Materials， 2022， 17： e01430.
11	邢雷，李金煜，赵立新，等.基于响应面法的井下旋流分离器结构优化［J］.中国机械工程，2021，32（15）：1818-1826. doi：10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.007 XING L， LI J Y， ZHAO L X， et al. Structural optimization of downhole hydrocyclones based on response surface methodology［J］. China Mechanical Engineering， 2021， 32（15）： 1818-1826. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2021.15.007
12	李银波，汤子汉，季林红，等.下肢外骨骼人机互连装置对关节内力的影响［J］.清华大学学报（自然科学版），2019，59（7）：544-550. LI Y B， TANG Z H， JI L H， et al. Physical human-robot interface for lower limb exoskeletons to affect internal joint forces［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2019， 59（7）： 544-550.
13	孙光明，王奕苗，万仟，等.考虑装配变形的精密机床床身优化设计［J］.工程设计学报，2022，29（3）：318-326. doi：10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.035 SUN G M， WANF Y M， WAN Q， et al. Optimization design of precision machine tool bed considering assembly deformation［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2022， 29（3）： 318-326. doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.035
14	李海峰，吴冀川，刘建波，等.有限元网格剖分与网格质量判定指标［J］.中国机械工程，2012，23（3）：368-377. doi：10.3969/j.issn.1004-132X.2012.03.026 LI H F， WU J C， LIU J B， et al. Finite element mesh generation and decision criteria of mesh quality［J］. China Mechanical Engineering， 2012， 23（3）： 368-377. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2012.03.026
15	成大先.机械设计手册［M］.5版.北京：化学工业出版社，2008：55-65. CHENG D X. Mechanical design manual［M］. 5th ed. Beijing： Chemical Industry Press， 2008： 55-65.
16	刘鸿文.材料力学［M］.6版.北京：高等教育出版社，2017：193-196. doi：10.1051/ncssc/201701045 LIU H W. Mechanics of materials［M］. 6th ed. Beijing： Higher Education Press， 2017： 193-196. doi: 10.1051/ncssc/201701045
17	张焕梅，杨瑞刚.基于响应面法的起重机结构可靠性灵敏度分析［J］.中国工程机械学报，2020，18（2）：131-136. ZHANG H M， YANG R G. Reliability sensitivity analysis of crane structure based on response surface method［J］. Chinese Journal of Construction Machinery， 2020， 18（2）： 131-136.
18	郑娆，张敬博，李双喜，等.基于响应面法的船舶艉轴密封结构的优化设计［J］.机电工程，2022，39（11）：1544-1550. doi：10.3969/j.issn.1001-4551.2022.11.007 ZHENG R， ZHANG J B， LI S X， et al. Optimization design of ship stern shaft seal structure based on response surface method［J］. Journal of Mechanical & Electrical Engineering， 2022， 39（11）： 1544-1550. doi: 10.3969/j.issn.1001-4551.2022.11.007
19	KARSH P K， MUKHOPADHYAY T， CHAKRABORTY S， et al. A hybrid stochastic sensitivity analysis for low-frequency vibration and low-velocity impact of functionally graded plates［J］. Composites Part B： Engineering， 2019， 176： 107221.

[1]	曹望城,韩佳轩,姚廷强. 基于参数化多体动力学模型的内齿式回转支承动态优化设计[J]. 工程设计学报, 2024, 31(2): 168-177.
[2]	谢超,陈云壮,石光楠,赖磊捷. 正交簧片型大行程柔性球铰设计及柔度分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(5): 626-633.
[3]	张涛,王开松,唐威,秦可成,刘阳,石雨豪,邹俊. 电流体泵驱动的柔性弯曲执行器的设计及分析[J]. 工程设计学报, 2023, 30(4): 467-475.
[4]	戚其松,李成刚,董青,陈钰浩,徐航. 起重机生命周期载荷谱预测及基于疲劳寿命的结构优化设计[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 380-389.
[5]	李琴,闫瑞,黄志强,李刚. 电驱可控震源驱动电机匹配设计与优化研究[J]. 工程设计学报, 2023, 30(2): 172-181.
[6]	李三平,孙腾佳,袁龙强,吴立国. 气动软体采摘机械手设计及实验研究[J]. 工程设计学报, 2022, 29(6): 684-694.
[7]	赵致勃,顾大强,李立新,张靖. 基于接触应力优化的摆线轮修形设计[J]. 工程设计学报, 2022, 29(6): 713-719.
[8]	张正峰,宋小雨,袁晓磊,陈文娟,张伟东. Al/CFRP混合薄壁结构耐撞性能可靠性优化设计[J]. 工程设计学报, 2022, 29(6): 720-730.
[9]	孙光明,王奕苗,万仟,弓堃,汪文津,赵坚. 考虑装配变形的精密机床床身优化设计[J]. 工程设计学报, 2022, 29(3): 318-326.
[10]	丰飞,傅雨晨,范伟,马举. 三角混合两级杠杆微位移放大机构的设计及性能分析[J]. 工程设计学报, 2022, 29(2): 161-167.
[11]	陈振, 李涛, 薛晓伟, 周阳, 敬爽, 陈言. 基于模糊综合评价法的可控震源振动器平板疲劳可靠性分析与优化[J]. 工程设计学报, 2021, 28(4): 415-425.
[12]	陈洪月, 张站立, 吕掌权. 线性压缩机圆柱臂盘簧的设计及性能研究[J]. 工程设计学报, 2021, 28(4): 504-510.
[13]	王成军, 李帅. 三关节式软体驱动器的设计及其弯曲性能分析[J]. 工程设计学报, 2021, 28(2): 227-234.
[14]	张锦, 刘佩珊, 殷玉枫. Y形旋转超声波马达的设计与动态特性分析[J]. 工程设计学报, 2021, 28(2): 248-254.
[15]	刘永江, 彭宣霖, 唐雄辉, 李华, 齐紫梅. 轴流散热风机共振失效分析与优化设计[J]. 工程设计学报, 2021, 28(2): 203-209.

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