摘要：本文重点探讨了拓扑优化在改进轻型刮板设计方面的潜力，同时分析了几何结构较为复杂带来的制造难题。文中提出将混合铸造技术作为一种有效方法，以衔接创新设计与实际工业生产。该文还构建了一个前瞻性框架，将结构优化与制造因素相结合，为实现既轻便又易于制造的刮板设计提供指导。 矿用
矿用刮板输送机是一种重型连续输送系统，大范围的应用于地下采矿作业，尤其是在长壁煤矿工作面[1][2]。它由链驱动系统构成，系统中装有刮板，用于沿着中间槽输送煤炭或矿石等物料，如所示。在封闭的地下环境中长时间运行时，这种输送系统不可避免地会面临各种复杂的机械和环境作用，包括冲击载荷、磨蚀磨损、潮湿导致的劣化以及腐蚀性环境，这一些都会明显影响其结构可靠性和使用寿命。
在学术界和工业界，矿用设备的轻型化设计慢慢的受到重视[3][4]。刮板的轻型化设计对矿用刮板输送机的整体性能和稳定能力起着关键作用。刮板的重量会影响链驱动系统的动态行为，进而影响惯性、载荷传递及整体机械效率。过重的结构会增加驱动功率需求和系统内的内部应力，这可能会降低运营效率，并加速经常使用中的结构劣化。在矿山作业中的实地观察表明，与其他链传动系统中的部件相比，刮板的故障率相比来说较低，这说明在保持充足结构强度和运行可靠性的同时，实现重量减轻是可行的。
在现有的结构轻型化设计方法中，拓扑优化被认为是一种能有效提升材料利用率和结构性能的方法[5][7]。然而，它生成的优化几何结构通常具有较高的几何复杂性[8][9]。虽然增材制造可提供制造此类复杂结构所需的几何灵活性，但其高昂的成本和较低的制造效率限制了其在大型重型矿用刮板生产中的应用。相比之下，传统铸造工艺具有更高的成本效益和更成熟的工业应用水平，但它们本身无法直接实现高度复杂的拓扑优化结构。
为解决这一难题，混合铸造技术提供了一种实用的制造方案[10]。由于最终的刮板部件是通过铸造工艺制成的，因此应在拓扑优化阶段就考虑与铸造相关的限制因素，以确保在设计阶段就能具备可制造性。通过将增材制造与传统铸造相结合，首先将优化后的刮板几何结构转化为3D打印的聚合物模型，该模型能够精确呈现复杂的内部受力路径以及中空轻型结构特征。然后将此模型嵌入到铸造模具中，通过可控的烧制过程形成精确的铸造型腔。在铸造过程中，还会采用模具预热和惰性气体脱气等工艺控制手段，以减少气孔并稳定凝固过程。这种集成化的工作流程实现了设计与生产的有机结合，能够在保持结构完整性、尺寸精度以及实际可制造性的同时，可靠地制造出经过拓扑优化的刮板结构。重型矿用刮板结构轻型化设计及制造的工作流程如图所示。
总之，矿用刮板的轻型化设计不仅需要先进的结构优化方法，还需要将刮板几何设计与制造因素有效地结合起来。在混合铸造技术的支持下，将拓扑优化与面向铸造的约束条件相结合，为将复杂的优化后的刮板几何结构转化为具有工业适用性和结构可靠性的刮板部件提供了可行的途径。
本研究得到了泰山学者青年专家计划的资助（编号：tsqnz20250732）。
,leyu乐鱼体育手机端