随着能源危机和全球变暖问题的加剧,“节能、减材、环保”已经成为当前机械制造业发展的必然趋势,因此对机械结构的轻量化设计意义尤为重大。机械的轻量化设计可以从新材料的选取、加工工艺的改善和机械结构的优化三个方面考虑,但是由于资金的限制和加工技术制约,机械结构的优化成为轻量化设计的重要途径。本论文内容来源于石家庄铁道大学工程训练中心与河北宇牛电气有限公司联合进行的绝缘子清扫装置研发项目,由于此装置超重,无法在接触网作业车上安装使用,为此通过以下研究,对绝缘子清扫装置进行轻量化设计。(1)设计绝缘子清扫装置的总体方案,并对目前的轻量化方法进行研究。(2)利用ADAMS软件对清扫装置各个工况进行分析,获取机械臂末端运动轨迹,证明该方案可以实现清扫绝缘子串的动作;同时获取关键部件各个工况下的时间载荷历程,为轻量化设计提供了理论依据。(3)利用ANSYS Workbench软件结合获取的时间载荷历程对清扫装置中的上回转支承座和移动机构进行有限元分析,动态特性分析结果表明清扫装置上回转支承座和移动机构动态特性良好,结构设计合理;静态特性分析获得的上回转支承座和移动机构应力分布云图和变形云图,表明上回转支承座和移动机构具有轻量化设计空间。(4)利用ANSYS Workbench中的Design Explorer模块与获取的关键部件各个工况的时间载荷历程以及应力分布云图对上回转支承座和移动机构进行结构优化设计,最终实现上回转支承座减重40.675 kg,较优化前减轻50.8%;移动机构减重23.726 kg,较优化前减轻16%,轻量化效果明显。(5)对优化后的上回转支承座和移动机构利用ANSYS Workbench进行静、动态特性验证,结果表明轻量化设计后的上回转支承座和移动机构满足结构静、动态分析要求,因此轻量化结果可行。通过对上回转支承座和移动机构的轻量化设计,使得绝缘子清扫装置减重64.401.kg,减重效果显著,对后续机械结构的轻量化设计具指导意义。