礦井提升機(jī)主軸的應(yīng)力應(yīng)變分析

李華偉，晉民杰，高 杰，劉華偉，裴 培

（太原科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，太原 030024）

礦井提升設(shè)備是礦山較復(fù)雜而龐大的機(jī)電設(shè)備，它不僅承擔(dān)著礦石和廢石的提運(yùn)，同時(shí)還承擔(dān)著升降人員，下放材料、工具和設(shè)備。礦山提升設(shè)備在工作中一旦發(fā)生故障，不僅影響到礦井的生產(chǎn)，而且涉及到人員的生命安全，因此，礦井提升設(shè)備的安全性是極為重要的［1-2］。我國(guó)在《煤礦安全規(guī)程》中對(duì)提升設(shè)備作了極為嚴(yán)格的要求［3-5］。礦井提升設(shè)備是周期動(dòng)作式輸送設(shè)備，需要頻繁地起動(dòng)和停車，工作條件苛刻，其機(jī)械電氣設(shè)備設(shè)計(jì)必須可靠，而主軸是提升機(jī)承載的主要部件，提升機(jī)的主要工作構(gòu)件如卷筒、軸承、離合器以及聯(lián)軸器等均安裝在主軸上，電動(dòng)機(jī)通過(guò)主軸驅(qū)動(dòng)卷筒。

本文主要對(duì)雙卷筒纏繞式提升機(jī)主軸進(jìn)行有限元分析，找出主軸在六種典型工況（六種典型工況如表1）作用下的變形趨勢(shì)和應(yīng)力分布規(guī)律，從而能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)主軸的強(qiáng)度、剛度等進(jìn)行校核，還可以直觀地看到主軸上的應(yīng)力集中位置，也能夠方便的查看主軸上任意位置的應(yīng)力應(yīng)變值，同時(shí)為主軸合理科學(xué)的受力提供精確的數(shù)據(jù)依據(jù)，也為提升機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)、壽命計(jì)算等奠定了理論基礎(chǔ)。

1 模型建立

1.1 模型的簡(jiǎn)化

表1 提升機(jī)典型工況圖Tab.1 Working conditions of hoist

由于ANSYS帶有的自建模功能非常有限，只能處理一些相對(duì)簡(jiǎn)單的模型，而且操作起來(lái)并不十分便利，所以本文采用Solidwork軟件對(duì)主軸進(jìn)行三維建模。將Solidwork模型文件另存為x_t或IGES文件，間接地將solidwork模型文件導(dǎo)入ANSYS中，本文采用x_t格式，因?yàn)椴捎肐GES格式可能會(huì)導(dǎo)致模型信息的丟失，所以最好避免使用IGES格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

主軸上卷筒直徑D=3.5 m，卷筒寬度1.7 m，鋼絲繩最大靜張力170 kN，最大靜張力差115 kN，纏繞層數(shù)3層。雙筒纏繞式提升機(jī)主軸上裝有主軸承、主軸、兩個(gè)卷筒、四個(gè)輪轂、調(diào)繩裝置等主要部件，由于只對(duì)主軸進(jìn)行受力分析，所以在進(jìn)行有限元建模計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，如圖1所示。

圖1 主軸三維實(shí)體模型Fig.1 Three-dimensional solid model of main shaft

1.2 單元類型和劃分網(wǎng)格

該主軸的材料是45#碳素結(jié)構(gòu)鋼，材料的彈性模量E=207 GPa，密度是 =7850 g/m3，泊松比 μ =0.3.

圖2 Solid45單元形式Fig.2 The element shape of Solid45

采用MPC184單元，在構(gòu)件中心部位建立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。

采用Solid45單元用于構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)對(duì)主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元通過(guò)8個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著x、y、z方向平移的自由度。單元具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變能力［6］。

1.3 施加載荷及邊界條件

因?yàn)橹鬏S使用的軸承是調(diào)心軸承，所以主軸與軸承的接觸位置只約束徑向位移。主軸與齒輪聯(lián)軸器相聯(lián)接的位置可以約束此處鍵槽的工作面，約束為全約束。

1.3.2 作用在主軸上的正常載荷

（1）作用于主軸上各零件的自重（也包括主軸的自重）。它的特點(diǎn):作用點(diǎn)不變，方向始終垂直向下，大小也不變。

（2）纏繞在卷筒上的鋼絲繩的重量，通過(guò)卷筒支輪輪轂中心線作用在主軸上。它的特點(diǎn):作用點(diǎn)不變，方向始終垂直向下，大小在整個(gè)纏繞提升過(guò)程中是變化的。

（3）由纏繞在卷筒上鋼絲繩拉力引起的彎矩和扭矩，經(jīng)支輪輪轂傳遞給主軸。也就是鋼絲繩的張力，方向沿鋼絲繩軸心線，大小是在提升過(guò)程中發(fā)生變化的。在提升或者下放過(guò)程中，鋼絲繩沿卷筒表面移動(dòng)，它的張力通過(guò)輪輻、輪轂傳到軸上，由于它在卷筒表面的位置不同，故在同一輪轂作用點(diǎn)上在六種工況下軸所受的力亦隨之不同［7］。

1.3.3 扭矩的施加

M——軸所受到的扭矩；

2.1.3 疾病的進(jìn)展：帕金森病的不可預(yù)測(cè)性和不能阻止或減緩疾病進(jìn)展的特性，可能給患者帶來(lái)內(nèi)心的不確定性和心理壓力[13]?；颊叱霈F(xiàn)對(duì)疾病信念的改變，經(jīng)常抱怨不被理解甚至被誤解，總感覺(jué)他人在關(guān)注自身的異常之處[14]。隨著病程延長(zhǎng)，病情進(jìn)行性加重，逐漸喪失勞動(dòng)力，使得患者被迫放棄自己的日常工作和社交生活，加重社會(huì)隔離。

T——鋼絲繩的最大靜張力；

D——施加扭矩處的軸徑；

G——卷筒及纏繞上的鋼絲繩重量；

a——提升的加速度。

由于提升機(jī)主軸上的卷筒及纏繞的鋼絲繩重量較大，計(jì)算時(shí)應(yīng)將慣量計(jì)算入內(nèi)。

轉(zhuǎn)矩一般有三種施加的方法:

（1）將矩轉(zhuǎn)換成一對(duì)一對(duì)的力偶，直接施加在對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上面。

（2）在構(gòu)件中心部位建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)，定義為MASS21單元，然后跟其他受力節(jié)點(diǎn)藕荷，形成剛性區(qū)域，就是用CERIG命令，然后直接加轉(zhuǎn)矩到主節(jié)點(diǎn)，即中心節(jié)點(diǎn)上面。

（3）使用MPC184單元，在構(gòu)件中心部位建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)，跟其他受力節(jié)點(diǎn)分別形成多根剛性梁，從而形成剛性面.最后也是直接加載荷到中心節(jié)點(diǎn)上面，通過(guò)剛性梁來(lái)傳遞載荷。

后兩種情況都是形成剛性區(qū)域，但是CERIG命令是要在小變形或者小旋轉(zhuǎn)才能用，只支持靜力，線性分析。

而第三種方法適用多種情況，不僅支持大應(yīng)變，還支持非線性情況，如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)藕荷形成剛性區(qū)域示意圖Fig.3 Schematic diagram of the node pale pinkish purple form a rigid region

圖4 Ⅰ工況主軸應(yīng)變分布圖Fig.4 ⅠStrain distribution contour of main shaft

圖5 Ⅰ工況主軸應(yīng)力分布圖Fig.5 ⅠStress distribution contour of main shaft

圖6 Ⅱ工況主軸應(yīng)變分布圖Fig.6 ⅡStrain distribution contour of main shaft

圖7 Ⅱ工況主軸應(yīng)力分布圖Fig.7 ⅡStress distribution contour of main shaft

圖8 Ⅲ工況主軸應(yīng)變分布圖Fig.8 Ⅲ Strain distribution contour of main shaft

圖9 Ⅲ工況主軸應(yīng)力分布圖Fig.9 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

圖10 Ⅲ工況主軸應(yīng)力分布圖Fig.10 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

圖11 Ⅲ工況主軸應(yīng)力分布圖Fig.11 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

圖12 Ⅲ工況主軸應(yīng)力分布圖Fig.12 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

圖13 Ⅲ工況主軸應(yīng)力分布圖Fig.13 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

2 計(jì)算結(jié)果與分析

各工況主軸應(yīng)力分布圖如圖4-圖15所示。

通過(guò)對(duì)雙卷筒纏繞式提升機(jī)主軸在鋼絲繩纏繞時(shí)的六種工況（固定卷筒提升開(kāi)始、固定卷筒纏滿一層、固定卷筒提升終了、游動(dòng)卷筒提升開(kāi)始、游動(dòng)卷筒纏滿一層、游動(dòng)卷筒提升終了）進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到六種工況下的最大等效應(yīng)力和最大位移。從圖4至圖15可以看出最大等效應(yīng)力應(yīng)出現(xiàn)在游動(dòng)卷筒提升開(kāi)始時(shí)，主軸的最大位移則出現(xiàn)在固定卷筒提升開(kāi)始時(shí)。

圖14 Ⅲ工況主軸應(yīng)力分布圖Fig.14 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

圖15 Ⅲ工況主軸應(yīng)力分布圖Fig.15 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）采用在構(gòu)件中心部位建立一個(gè)節(jié)點(diǎn)，定義為MPC184單元，然后跟其他受力節(jié)點(diǎn)耦合，形成剛性區(qū)域，然后直接加轉(zhuǎn)矩到主節(jié)點(diǎn)，即中心節(jié)點(diǎn)上面。

（2）分析計(jì)算了六種工況下主軸的變形趨勢(shì)、應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律和相互間的差異。

（3）對(duì)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置可采取增加圓角和倒角，以減小應(yīng)力集中。

（4）用ANSYS有限元分析軟件能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)礦井提升機(jī)主軸進(jìn)行校核，為主軸的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

［1］洪曉華.礦井運(yùn)輸提升［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］李儀鈺.礦山機(jī)械［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1979.

［3］彭兆行.礦山提升機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［4］晉民杰.纏繞式提升機(jī)的支輪應(yīng)力分析［J］.太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，19（4）:10-15.

［5］晉民杰，熊艷華，王順坤.雙筒纏繞式提升機(jī)卷筒應(yīng)力分析研究［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（3）:236-238.

［6］唐國(guó)政.大型有限元程序的原理、結(jié)構(gòu)與使用［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2004.

［7］孔自安，閆建玲.2JK型提升機(jī)主軸受力分析研究［J］.礦山機(jī)械，1999，4（1）:39-41.