电缆智能卷放装置电缆卷放系统支架轻量化研究

李占龙，赵仕勋，郭北军，张 正，任志曌，车文清

（1.太原科技大学 车辆与交通工程学院，山西 太原 030024； 2.山西佳诚液压有限公司 技术中心，山西 原平 034100）

煤炭被称为“工业粮食”，在我国一次能源占比达55%以上，是我国能源安全的基石，露天矿山是我国煤炭资源的重要组成部分［1］。目前，我国煤炭开采装备是机械化、部分机械化和手工作业并存的多层次结构，科技投入得到大幅提高［2］。其中，电铲为主要开采设备，在露天矿山采掘及剥离作业中，其工作量占比约为50%以上，电缆输送的高压电直接影响电铲开采的工作效率［3］。

在露天矿山施工作业过程中，电铲高压尾线电缆移动和收放方式主要采用“爬犁式”［4-5］，如图1所示。但该方式存在工作效率低、劳动强度大、安全隐患多、经济损失大等问题［6］，因此，提高电铲电缆卷放设备的机械化程度和智能化水平，是推动露天矿山技术发展和实现智慧矿山建设的关键。基于此，研发了一种可自动跟随电铲行走、智能避障、自动收放电缆和实时监测现场数据的电缆智能卷放装置。

图1 电铲与“爬犁”配合作业Fig.1 Electric shovel and “cable plow” cooperate with the operation

1 电缆智能卷放装置设计

为适用露天矿的环境，提高操作的舒适性，提升作业安全系数和生产效率，考虑到人机关系并结合用户需求、工作环境特征和产品形象识别需求，设计电缆智能卷放装置，如图2所示。

图2 整体造型Fig.2 Overall styling design diagram

通过智能控制系统，电缆卷放系统可实时调节卷缆和放缆速度，确保作业过程中，电缆卷放速度与电铲行走速度同步。前电缆卷放系统的卷放长度为150 m，后电缆卷放系统的卷放长度为500 m，加上电缆滚筒、排线器、电机、减速器、控制模块等部件，前电缆卷放系统支架的支撑质量约为4 t，后电缆卷放系统支架的支撑质量约为7 t。

电缆卷放系统支架是电缆收放控制和动态变载运送的重要保障。根据电缆智能卷放装置的总体设计要求（整机质量＜22 t），对前后电缆卷放系统支架进行合理的轻量化设计具有重要意义，可降低制造成本，提高电缆智能卷放装置的性能［7-10］。

2 电缆卷放系统支架轻量化设计

2.1 原始支架建模及拓扑优化

首先根据整体造型设计，确定设计模型的相关参数，结合三维建模软件SolidWorks 分别建立前、后电缆卷放系统支架三维模型，如图3所示。

图3 原始前后电缆卷放系统支架模型Fig.3 Original model of the front and rear cable roll system frames

将原始三维模型导入ANSYS 分析软件中，根据实际负载情况，采用有限元方法展开静力学分析，设定框架材料为Q235［11］。由于电缆卷放系统支架模型结构复杂，采用智能网格划分，设置网格大小为30 mm，将规则部分生成六面体网格，过渡部分生成四面体网格，从而生成合理的网格单元。

对前电缆卷放系统支架Y轴方向施加载荷分力-40 000 N，前电缆卷放系统支架应变和应力如图4 所示。对后电缆卷放系统支架Y轴方向施加载荷分力-70 000 N，后电缆卷放系统支架应变和应力如图5 所示。由图可知，最大变形和最大应力均出现在滚筒放置处，前电缆卷放系统支架结构的最大变形约为5.845 mm，最大应力数值为1.169 MPa；后电缆卷放系统支架结构的最大变形约为6.471 mm，最大应力数值为1.293 MPa，两者均小于材料的屈服强度。前、后电缆卷放系统支架强度有裕度，具有较大的轻量化空间。

图4 原始前电缆卷放系统支架校核Fig.4 Check figure of original front cable roll system frame

将底座部分和顶端横梁设定为非设计域，其余部件均为设计域。采用拓扑密度法，以质量和体积最小为目标函数进行拓扑优化，约束条件、工况荷载、网格划分等参数与原始模型保持一致，保留阈值设定为0.5，前、后电缆卷放系统支架拓扑优化后结果如图6所示。

图6 前、后电缆卷放系统支架拓扑优化结果Fig.6 Topology optimization results of the original front and rear cable roll system frames

2.2 支架模型重构

根据上述的拓扑优化结果，对前、后电缆卷放系统支架两侧进行重构设计，如图7 所示。由于未确认拓扑重构的模型性能水平，因此对2 种重构模型进行网格划分，添加与原始模型静力学分析一致的约束条件及载荷工况，提交求解器求解。重构后，2 种模型的应变图与应力图分别如图8 和图9所示。

图7 重构前、后电缆卷放系统支架模型Fig.7 Reconstruct model of front and rear cable roll system frames

图8 重构前电缆卷放系统支架校核Fig.8 Check figure of reconstruct model of front cable roll system frame

图9 重构后电缆卷放系统支架校核Fig.9 Check figure of reconstruct model of rear cable roll system frame

由图8可知，前电缆卷放系统支架最大变形和最大应力均位于滚筒放置处，最大变形由之前的5.845 mm降低为1.053 mm，最大应力为2.101 MPa，且远小于材料的屈服强度，满足强度要求。基于质量最小化的优化设计，模型质量由原来的2.238 t 降低到0.996 t。

由图9 可知，后电缆卷放系统支架最大变形和最大应力也位于滚筒放置处，最大变形由之前的6.471 mm 降低为1.606 mm，且最大应力远小于材料的屈服强度。重构后的模型质量由原来的4.097 t降低到1.698 t。

将底座部分和顶端横梁设计为非设计域，其余部件均为设计域。采用拓扑密度法，以质量最小为目标函数进行拓扑优化，约束条件、工况荷载、网格划分等参数与原始模型保持一致，进行二次重构设计，其结果如图10所示。

图10 重构前、后电缆卷放系统支架拓扑优化结果Fig.10 Topology optimization results of the reconstruct front and rear cable roll system frames

2.3 支架二次重构校核

根据二次拓扑优化结果，对前、后电缆卷放系统支架两侧进行局部重构设计，如图11所示。

图11 二次重构前、后电缆卷放系统支架模型Fig.11 Secondary reconstruct model of front and rear cable roll system frames

将二次重构的三维模型导入ANSYS 分析软件中，添加与重构模型静力学分析一致的约束条件及载荷工况，结果如图12和图13所示。

图12 二次重构前电缆卷放系统支架校核Fig.12 Check figure of secondary reconstruct model of front cable roll system frame

图13 二次重构后电缆卷放系统支架校核Fig.13 Check figure of secondary reconstruct model of rear cable roll system frame

由图12 可知，前电缆卷放系统支架最大变形为1.363 mm，最大应力为2.719 MPa，质量降至0.873 t。由图13可知，后电缆卷放系统支架最大变形为2.524 mm，最大应力为4.571 MPa，质量降至1.423 t。综上所述，在保证力学性能的前提下，支架拓扑优化达到了预期减重的目的。同时，由于电缆智能卷放装置的环境恶劣，前、后电缆卷放系统精度要求高，须确保电缆卷放系统支架变形小于3 mm，因此设计有较大冗余。

3 结论

（1） 建立电缆卷放系统支架三维模型，采用有限元方法与实际负载情况对结构进行静力学仿真，并通过拓扑优化技术对原始模型进行优化设计。

（2） 对重构前后电缆卷放系统支架校核验证，针对局部应力较小的位置进行轻量化设计，前电缆卷放系统支架质量减少76%，后电缆卷放系统支架质量减少65%，实现了支架轻量化目标。

（3） 本文的轻量化设计方案已应用于实际工程，有效地提高了整机的质量利用系数，且服役效果良好。