煤礦換繩系統(tǒng)中橫梁的優(yōu)化分析

杜建平

（山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司， 山西 孝義 032302）

引言

近些年來，隨著采礦技術(shù)的不斷發(fā)展，立井多繩摩擦提升系統(tǒng)的數(shù)量不斷增加，特別是隨著多繩摩擦提升機(jī)在千米深井上的應(yīng)用，由于其提升系統(tǒng)井筒裝備大、繩徑粗、鋼絲繩質(zhì)量大，導(dǎo)致?lián)Q繩安全風(fēng)險不斷增大[1]。橫梁作為換繩系統(tǒng)中一個重要的部件，承載著換繩設(shè)備及鋼絲繩等部件的主要載荷。在換繩過程中，橫梁是否可靠承載，是換繩系統(tǒng)安全運行及煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

1 步進(jìn)式換繩系統(tǒng)橫梁工作工況

步進(jìn)式自動換繩設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)架上緊固兩個放繩油缸和定橫梁，然后將滑塊固定在放繩油缸的活塞上，通過動橫梁將兩個滑塊連接起來，形成一套完整的機(jī)械系統(tǒng)?；瑝K可沿著裝在機(jī)架上的導(dǎo)軌自由滑動，定、動橫梁上分別裝有一卡繩器，并安裝在控制油缸兩端。

本文結(jié)合孔莊煤礦副立井提升機(jī)參數(shù)，主要針對換繩系統(tǒng)動橫梁的受力環(huán)境進(jìn)行分析。表1為孔莊煤礦副立井提升機(jī)鋼絲繩參數(shù)表，配套使用四根44ZBB6X36WS+FC型鋼絲繩。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，孔莊煤礦提升機(jī)井筒中每根鋼絲繩質(zhì)量為7560.9 kg。為了使動橫梁支撐安全可靠，設(shè)計橫梁承重為井筒內(nèi)鋼絲繩質(zhì)量的1.5倍作為安全裕量，換繩設(shè)備附件質(zhì)量為200 kg，因此，橫梁設(shè)計承重要求為11.54 t。

圖1 步進(jìn)式換繩設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 孔莊煤礦副立井提升機(jī)鋼絲繩參數(shù)表

2 換繩設(shè)備橫梁靜力學(xué)分析

換繩設(shè)備動橫梁由放繩油缸滑塊支撐，通過螺栓與滑塊緊密連接，橫梁承載著鋼絲繩及卡繩器的質(zhì)量，受力模型可簡化為簡支梁形式?？ɡK器固定好鋼絲繩后，動橫梁隨著滑塊做上下運動，鋼絲繩的重力對橫梁橫截面產(chǎn)生傾覆力矩引起橫梁的扭轉(zhuǎn)變形。由于卡繩器相對尺寸較小，力臂較短，對橫梁產(chǎn)生的傾覆力矩較小，因此忽略不計。由此建立力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 橫梁受力簡圖

圖2 中：L為橫梁長度，值為3600 mm；C為橫梁中點；A、B為橫梁連接點；F為所受的拉力及自身重力，F(xiàn)a、Fb為兩端滑塊對橫梁的拉力。

根據(jù)前述可知，G=mg=11.54×103×10=115.4 kN，所以有 F=G=115.4 kN，F(xiàn)a=Fb=G/2=57.7 kN[2]。

在AC段時，橫梁所受的彎矩為：M（x）=Fax，（0＜x＜L/2），AC 段受力圖見圖 3。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，帶入公式得M（x）=57700x，（0＜x＜L/2）。

同理在 CB 段，所受的彎矩為：M（x）=57700x，（0＜x＜L/2），BC 段受力圖見圖 4。

根據(jù)上述計算，求得彎矩圖，如圖5所示。

圖3 AC段受力圖

圖4 BC段受力圖

圖5 橫梁所受彎矩圖

根據(jù)上述計算及分析可以看出，橫梁在C點受到彎矩最大，且為Mmax=103860 N·m。橫梁材料為方鋼，邊長a為200 mm，查資料得方鋼的抗彎截面系數(shù)，W=a3/6=1333.3×10-6。

最大彎曲應(yīng)力σmax=Mmax/W=77.9 MPa。

根據(jù)材料力學(xué)中強度相關(guān)公式可知，若滿足強度條件則有

其中[σ]為許用應(yīng)力，橫梁材料為 Q235，所以 σ=235 MPa，取 抗 彎 系 數(shù) K=2，許 用 應(yīng) 力 [σ]=σ/K=117.5 MPa。有 σmax=77.9 MPa≤[σ]=117.5 MPa，故橫梁滿足條件。

3 換繩系統(tǒng)橫梁優(yōu)化分析

由上節(jié)分析結(jié)果可知，動橫梁采用邊長為200mm的Q235鋼梁時，可以滿足換繩系統(tǒng)靜載荷要求。橫梁如此設(shè)計雖可滿足強度要求，但在工程實踐過程中會造成裝載、運輸及使用時的極大不便。因此，需對橫梁的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其在滿足使用需求的情況下，提高其比剛度和比強度。

3.1 橫梁模型建立及網(wǎng)格劃分

橫梁的靜態(tài)特性與它的結(jié)構(gòu)形式、所選材料及橫截面形狀有直接關(guān)系，根據(jù)前述換繩系統(tǒng)中橫梁所承受靜載荷的受力分析及彎矩分析，采用桁架式橫梁。通過設(shè)計不同種桁架式橫梁結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)形式、仿真橫梁比剛度和比強度等參數(shù)，選出較為適合的橫梁架構(gòu)。結(jié)合常見的橫梁設(shè)計方法，建立了兩種橫梁方案模型，如圖6所示，6-1為井字結(jié)構(gòu)，6-2為X結(jié)構(gòu)。

圖6 橫梁結(jié)構(gòu)示意圖

通過UG10.0建立三維模型，為方便有限元仿真，將橫梁進(jìn)行理想化處理，去除橫梁焊接倒角及螺釘孔等特征，然后通過UG仿真模塊NX Nastran進(jìn)行靜力學(xué)仿真。材料設(shè)置為Q235；材料屬性密度為7.85 g/cm3；彈性模量，E 為 200～210 GPa；泊松比，ν為 0.25～0.33；抗拉強度，σb為 370～500 MPa；屈服強度為235；單元采用四節(jié)點四面體單元。

3.2 橫梁約束與載荷

動橫梁與滑塊之間通過螺栓連接，將約束動橫梁兩端對應(yīng)滑塊固定螺栓位置的六個自由度作為邊界條件，由彎矩圖的受力分析可以看出橫梁中心處受集中載荷，因此在模型的中心位置施加鋼絲繩的重力載荷，由于其作用于卡繩器，所以轉(zhuǎn)化為橫梁中心壓強載荷，施加橫梁自身重力。載荷與約束施加情況，如圖7所示。

圖7 載荷與約束情況

3.3 求解結(jié)果與分析

通過NX Nastran求解器進(jìn)行有限元仿真求解，得到兩種橫梁結(jié)構(gòu)總形變量、三個方向最大形變量及應(yīng)力云圖。兩種橫梁結(jié)構(gòu)形變云圖如圖8所示。

兩種橫梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖8 形變云圖

圖9 應(yīng)力云圖

從分析結(jié)果表2可以看出：兩種橫梁都發(fā)生了不同程度的彎曲變形，其中X形橫梁的總位移、單方向位移及應(yīng)力均較小，具有較好的靜態(tài)特性。X形的質(zhì)量較重，但是比剛度更好。

表2 兩種橫梁的質(zhì)量及靜力變形量

4 結(jié)論

1）橫梁作為換繩裝置中重要的部件，關(guān)系到換繩系統(tǒng)運行穩(wěn)定及換繩操作的安全性，必須經(jīng)過系統(tǒng)校核其剛度、強度，并留有一定的安全余量；

2）在橫梁外部尺寸、材料及壁厚等因素相同的條件下，優(yōu)選出X形橫梁為比剛度較好、比強度較高的結(jié)構(gòu)形式，為橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

[1]張延軍.基于能量轉(zhuǎn)換的防沖擊首繩快速更換關(guān)鍵技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2014.

[2]涂繼鵬.基于ANSYS的煙框提升機(jī)框架力學(xué)特性仿真[J].貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017（2）：32-34.