基于有限元法的礦井提升機(jī)主軸數(shù)值模擬

劉 凱，王 宇

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 132021)

0 前言

礦井提升機(jī)是礦山生產(chǎn)中一種非常重要的設(shè)備，而主軸則是礦井提升機(jī)的主要組成部分，其不但承受著一些主要工作構(gòu)件的重量，而且還承擔(dān)著外部載荷，同時(shí)還起到傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。可見礦井提升機(jī)主軸的安全可靠程度以及使用壽命對(duì)整個(gè)礦山生產(chǎn)會(huì)造成很大的影響，因而對(duì)之進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析十分有必要。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法具有很大的盲目性與經(jīng)驗(yàn)性，此種方法不但簡(jiǎn)單粗略，而且要保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度就要加大安全系數(shù)，因而主軸在真實(shí)工作時(shí)的狀態(tài)沒有被很好地模擬。而有限元法完全可以克服傳統(tǒng)方法的缺陷，可使提升機(jī)主軸各個(gè)部位的變形及應(yīng)力情況既形象又直觀地表現(xiàn)出來，同時(shí)無論在運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等方面與傳統(tǒng)方法相比都有了極大的提高。

因此，文中以ANSYS 軟件為主要分析工具，針對(duì)以某型礦井提升機(jī)主軸進(jìn)行強(qiáng)度與剛度的模擬校核，為該主軸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

1 建立計(jì)算模型

考慮到Pro/E 軟件建模模塊的功能遠(yuǎn)勝于ANSYS 軟件的建模能力，于是首先根據(jù)廠家提供的圖紙?jiān)赑ro/E 軟件中建立起提升機(jī)主軸的三維實(shí)體模型，如圖1 所示。在此過程中，對(duì)容易造成單元畸變，且對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的小孔進(jìn)行了忽略處理。

圖1 提升機(jī)主軸實(shí)體模型圖Fig.1 Solid model of mine hoist mainshaft

由于Pro/E 軟件與ANSYS 軟件之間可通過接口模塊進(jìn)行既準(zhǔn)確又快速的數(shù)據(jù)傳輸，在此把Pro/E 軟件中建立的.prt 文件直接通過接口導(dǎo)入到ANSYS 軟件中。

主軸選擇何種單元類型會(huì)直接影響到能否合理劃分網(wǎng)格，由于此提升機(jī)主軸所用材料為45號(hào)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其材料彈性模量E=2.06e5 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8e－6g/mm3，在此利用Solid45 單元對(duì)之進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 提升機(jī)主軸網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Meshing model of mine hoist mainshaft

2 邊界條件的處理

2.1 載荷

此型號(hào)提升機(jī)主軸在正常工作條件下所受載荷情況如下:

(1)豎直力。主要包括主軸的自重、纏繞于卷筒上的鋼絲繩作用于主軸上的力、安裝于主軸上的卷筒以及其它零部件的自重作用于主軸的力;

(2)正負(fù)水平力。由于出繩仰角不能確定時(shí)按水平方向出繩考慮，因而此處將未纏繞到卷筒上的鋼絲繩拉力視為水平力;

(3)順逆時(shí)針扭矩。未纏繞到卷筒上的鋼絲繩對(duì)主軸所產(chǎn)生的扭矩。

對(duì)圖2 模型將上述3 種載荷全部加載后，得到如圖3 所示的模型全加載圖。

圖3 提升機(jī)主軸全加載圖Fig.3 Whole load diagram of mine hoist mainshaft

2.2 約束

為了模擬軸承及主軸定位的實(shí)際情況，在其左軸承(遠(yuǎn)離鍵槽端)處全約束，右軸承(靠近鍵槽端)處僅留軸向自由度，此外，兩個(gè)鍵槽的受壓面一個(gè)在X、Y 方向上約束，另一個(gè)僅Y 方向約束。

3 有限元分析計(jì)算結(jié)果

在此根據(jù)已知數(shù)據(jù)計(jì)算主軸在以下六種工況下的受載情況(取鋼絲繩拉力為最大靜張力):(1)游動(dòng)卷筒提升開始;(2)游動(dòng)卷筒纏滿一層;(3)游動(dòng)卷筒提升終了;(4)固定卷筒提升開始;(5)固定卷筒纏滿一層;(6)固定卷筒提升終了。結(jié)果發(fā)現(xiàn)工況(1)、(6)情況下所受載荷值為最大，于是可以確定在此最大載荷情況下如提升機(jī)主軸可以滿足強(qiáng)度及剛度要求，那么其余工況自然也會(huì)滿足條件。

在ANSYS 軟件中對(duì)提升機(jī)主軸計(jì)算模型加載與求解后，通過進(jìn)入通用后處理器POST1 即可查看分析計(jì)算結(jié)果，圖4為等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖，從圖上可看出，因中間兩支輪處遠(yuǎn)離軸承，最大彎曲就發(fā)生于此，最大彎曲量為0.894 mm，而許用撓度f=主軸跨度/3000=1.3 mm，因而主軸滿足剛度要求。

圖4 主軸等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖Fig.4 Mainshaft equivalent strain distribution

圖5為等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖，通過圖5 可知主軸最大應(yīng)力發(fā)生在鍵槽與軸肩的交界處，最大值為154.363 MPa，具體位置如圖6 所示，因?yàn)榇硕螢檩斎攵?，不但直徑發(fā)生突變，而且要傳輸較大扭矩，因而最大應(yīng)力才會(huì)落于此處，且小于材料的屈服強(qiáng)度355 MPa，由此可知主軸滿足強(qiáng)度要求。又因其中一個(gè)鍵槽處較之另一鍵槽有較大的彎曲應(yīng)力，所以只在一個(gè)鍵槽處有最大應(yīng)力。

圖5 主軸等效應(yīng)力場(chǎng)分布圖Fig.5 Mainshaft equivalent stress distribution

圖6 提升機(jī)主軸最大應(yīng)力位置圖Fig.6 Position of maximum stress equivalent of mine hoist mainshaft

圖7為主軸Y 方向(鋼絲繩拉力方向)應(yīng)力場(chǎng)分布，盡管主軸的等效應(yīng)力具有很大的強(qiáng)度富余，但在水平方向(Y 向)的應(yīng)力強(qiáng)度富余并不足，最大應(yīng)力值為205.376 MPa，所以屈服強(qiáng)度低于45 號(hào)碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼材不宜用作制造主軸的材料。

圖7 主軸Y 方向應(yīng)力場(chǎng)分布圖Fig.7 Equivalent stress distribution of Y direction

4 結(jié)語

(1)通過對(duì)提升機(jī)主軸的計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬，其應(yīng)力及變形云圖與實(shí)際情況具有較好的一致性，充分說明了所建模型的正確合理性。

(2)由于在鍵槽與軸肩的交界處會(huì)發(fā)生最大應(yīng)力，所以在對(duì)提升機(jī)主軸進(jìn)行研制時(shí)應(yīng)著重考慮滿足此處的強(qiáng)度條件。

(3)基于有限元法的提升機(jī)主軸數(shù)值模擬，不僅可以對(duì)主軸的強(qiáng)度及剛度情況進(jìn)行校核，同時(shí)也可為其結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。

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