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摘要： 压紧装置的横梁是大型变压器绕线机中的重要部件，为了使压紧装置横梁在满足强度及刚度的条件下结构更为合理，建立了它的有限元模型并利用ANSYS Workbench对其进行静力学分析，分析结果表明其强度和刚度均有较大的裕量。基于分析结果以“减少材料浪费，提高产品性能”为优化目标对横梁模型进行结构优化设计。优化结果显示：在保证满足设计要求的前提下，对横梁型钢、加强筋及局部进行优化，改进后横梁质量减轻28.9%，且应力分布更为均匀，此研究方法为绕线机压紧装置横梁的设计及优化提供了依据，具有实用价值。
Abstract： The beam of the pressing device is an important part of a large-sized power transformer winding machine. In order to make the beam of the pressing device more reasonable in the condition of having enough strength and rigidity， its finite element model is established and ANSYS Workbench is utilized to make static analysis. The Analytical results show that its strength and stiffness have a larger margin. Based on the analysis results， the structural optimization of the beam model is optimized by "reducing material waste and improving product performance". Under the premise of meeting the design requirements， the structural steel， stiffener bar and local structure of the beam are optimized. The optimization results indicate that， the weight of the beam is reduced by 28.9% and the strain is more uniform. This research method can provide a basis for the design and optimization of the beam of the winding machine. It has practical value.
关键词： 绕线机；横梁；有限元分析；优化设计
Key words： winding machine；beam；finite element analysis；optimization design
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）11-0120-03
0 引言
随着我国经济快速稳步地发展，电力的需求量也越来越大，变压器作为电力行业输变电的基础设备，在电力行业中占据着十分重要的位置，其需求量与日俱增[1-2]。作为变压器制造的核心工序，变压器线圈的绕制质量对整个变压器性能极为关键，而线圈绕制的技术水平很大程度上依赖于绕线机的技术水平，因此国内外的变压器制造厂家都十分重视先进绕线机技术的开发和应用[3]。目前性能先进的变压器绕线机大部分是进口设备，价格昂贵，并且由于使用国外型号的元器件，导致设备出现故障后维修成本高、时间长[4-6]。
本文所研究的带压紧装置的大型变压器卧式绕线机是于国与内企业合作设计，其结构如图1所示，由主轴箱、尾座、底座、压紧装置和控制装置等组成，特点是其压紧装置采用与主轴同心摆臂结构，压紧装置横梁通过支撑臂安装在主轴箱和尾座的上方，压紧装置工作台可沿横梁导轨与绕组绕制过程实现同步水平移动，压紧头在伺服电机的带动下实现升降和压紧。
压紧装置横梁是大型变压器绕线机中重要部件，在生产实际中能够影响整个绕线机的稳定性和线圈的绕制质量。为了使横梁在满足强度要求的前提下尽量减轻其自重以及减小压紧头处的位移，利用SolidWorks建立了该横梁的有限元模型，并用ANSYS Workbench对其进行静力学分析，根据分析结果对其尺寸和局部结构进行优化设计，有效减轻横梁自重并使压紧头处的位移满足要求，增强绕线机的工作性能，对大型绕线机压紧装置横梁的设计分析有一定的参考价值。
1 压紧装置横梁的静力学分析
1.1 有限元模型的建立、约束和加载
采用有限元法对压紧装置横梁进行仿真分析，首先要依据横梁的机械结构，建立其几何模型[7-8]。绕线机压紧装置横梁为矩形钢管焊接而成，横梁两侧通过两根支撑臂分别固接在主轴箱和尾座箱体上，横梁主体上面的两个导轨用来支撑绕线机压紧装置工作台。其主要的技术参数如下： 矩形钢管的厚度：13mm，横梁的长度：6668 mm，横梁截面的高度：250mm，横梁截面的宽度：150mm，横梁的重量：0.97t。横梁实体模型作适当简化，不考虑工艺上要求的倒角，部分圆角过渡简化为直角，导轨安装孔也不予考虑，在分析中认为螺栓连接和焊接的质量可靠，整个横梁结构作为连续体处理且不考虑局部应力。
将压紧装置横梁初始设计模型导入ANSYS Workbench。材料的参数设置为：材料为Q235，弹性模量为200MPa，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3。横梁有限元模型如图2所示，采用智能划分与手动划分相结合的方式划分网格，得到最精准的Mesh结果，共有77655个节点，27290个有限单元。约束和加载如表1所示。
1.2 横梁结构的静力学分析
为了得到应力和变形结果需对横梁初始设计模型进行有限元分析，当压紧装置运行到横梁中间位置时结构处于最不利状态，因此如中间位置加载满足要求，则其他位置加载必定能满足要求，因此本文主要进行中间位置加载的静力学分析[9-10]。
图3为压紧装置横梁最不利工况分析结果的应力图和应变图。根据图3（a）可以看出，最大应力49.753MPa，根据横梁所用材料，其所受的最大应力远远小于许用应力，所以在以后的研究中结构的应力可以作为参考。图3（b）为压紧装置横梁最不利工况的变形图。根据变形云图可以看出，横梁中部位置变形最大，而横梁得两端变形较小，其最大变形量为1.0173mm，小于许用变形量2mm的要求。显而易见，横梁结构的强度刚和度均符合设计要求。
2 横梁结构的优化设计
绕线机压紧装置横梁的设计基本上沿用经验设计，往往为了满足工作要求而采用较为保守的数据，而造成材料的极大浪费及结构的增重。有限元静力学分析可知，横梁的初始设计存在极大的刚度裕量，结构的承载能力也没有得到充分的利用，从降低成本的角度出发，完全可以采用更少的材料且保证横梁结构的安全性和可靠性。
2.1 横梁尺寸优化
横梁采用的是矩形钢管结构，强度和刚度受钢管壁厚的影响较大。在满足其许用强度和刚度的前提下，可采用不同的钢管厚度来对其结构进行优化。分析对比结果如表2所示。
由表2可以看出：横梁结构的钢管壁厚不同，其应力、变形和质量也不同，在满足强度、刚度要求的前提下，最佳结果是第4组，其最大变形量1.7802mm，最大应力87.119MPa，均小于许用值，且重量比初始模型结构减轻21.8%。但是第5组虽然最大变形量为2.1365mm，超出许用变形量0.1365mm，但其最大应力103.560MPa并未超出最大许用值应力，且重量减轻29.2%，从减轻自重的角度看其优化结果更为明显。因此，有必要对第4组和第5组的横梁进行结构优化设计，以在满足其许用强度和刚度的前提条件下，得到最优设计结果。
2.2 横梁结构优化
第5组分析结果应力、应变云图如图4所示。
最大应力出现在横梁与支臂相连的根部，横梁中部变形最大，横梁两端的变形较小。为了增强横梁结构的强度、减小压紧装置工作台的垂直度误差、增强X轴和Y轴的刚度，在横梁的两端焊接封口板并在横梁和支臂连接板之间分别增加厚度30mm材质为Q235的三角形加强筋板。按照改进后第4组和第5组钢管尺寸，在约束、载荷及其它参数不变的情况下进行局部结构优化设计。采用SolidWorks三维建模软件构建的新横梁结构几何模型如图5所示。
在ANSYS中建立改进后新模型结构，重复上述过程对其进行有限元仿真模拟，分析结果对比如表3所示。由表可知，改进后第五组模型，最大变形量1.7946mm，最大应变89.395MPa，其应变、应力均符合要求，重量减轻28.6%，且应力分布更为均匀。
综上对比，该尺寸与结构同时优化的方案对改善横梁的结构和受力是最有效的，且重量减轻28.9%，很好的实现了“减少材料浪费，提高产品性能”的优化目标。
3 结论
①通过对大型变压器绕线机中的关键部件横梁结构的有限元静力学分析，得到约束载荷工况下的应力和位移云图，从而分析评价该结构的强度及刚度等静力学特性，分析结果表明横梁初始结构设计保守，结构足够安全以至于过剩，有对其结构进行“轻量化”优化的必要。
②以“减少材料浪费，提高产品性能”为优化目标，选择横梁钢管尺寸和局部结构同时进行优化的方案，最终得到重量减少28.9%且应力分布更为均匀的最佳优化结果。既保证了横梁的刚度和强度要求，又减少了原材料的浪费，同时还提高了绕线机的稳定性，对于大型变压器绕线机的设计具有较好的指导意义。
参考文献：
[1]江耀华.我国电力变压器技术和市场发展趋势简要分析[J]. 装备机械，2013（01）：2-5.
[2]陈玉国，张伟光，段玉柱，陈爱云，刘辉.变压器技术发展趋势对制造设备要求的研究[J].山东机械，2004（03）：32-34.
[3]唐明明.新型全自动五吨电力变压器卧式绕线机的研制与开发[D].山东大学，2011.
[4]郭振岩.中国变压器行业现状及应对措施[J].变压器，2012，49（03）：43-47.
[5]何辉，惠晶.变压器绕组绕线机的数字化设计[J].电气传动，2010，40（05）：72-74.
[6]高振华，梁荣海，蒋宗林.数控绕线机研究与设计[J].现代制造技术与装备，2006（2）：32-34.
[7]裴永生，李淑慧，赵亦希，贾海波.多点成形有限元参数化建模的研究[J].河北科技大学学报，2012，33（06）：564-568.
[8]周孜亮，王贵飞，丛明.基于ANSYS Workbench的主轴箱有限元分析及优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2012（3）：17-20.
[9]刘学文，刘康，刘光磊，张志鹏.龙门加工中心横梁部件静态特性分析[J].四川理工学院学报（自然科学版），2013，26（05）：27-30.
[10]栾陆杰，吴世雄，钟文斌，李健游.小型数控雕刻机横梁结构的有限元分析[J].林业机械与木工设备，2014，42（3）：14-17.