JKB-3.5×2.5型絞車的優(yōu)化研究

逯哲宇

（同煤集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037027）

絞車又稱為卷揚(yáng)機(jī)，是用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條以提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備，憑借著其使用靈活、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，絞車廣泛應(yīng)用在煤礦礦井提升中[1]。馬脊梁礦所用絞車為JKB-3.5×2.5型，于2010年5月開工安裝，9月份正式投入運(yùn)行，該提升機(jī)主要擔(dān)負(fù)著馬脊梁礦石炭系超重、超大設(shè)備的運(yùn)輸任務(wù)。在長期使用過程中卷筒存在易受力變形引起絞繩問題，給煤礦的物料和人員提升作業(yè)帶來了極大的安全隱患。因此馬脊梁礦組織了專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，對(duì)引起卷筒變形的因素進(jìn)行了分析，針對(duì)性地提出了卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并利用仿真分析軟件對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，同時(shí)對(duì)優(yōu)化后滾筒的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行了長期的監(jiān)測。結(jié)果表明優(yōu)化后徹底解決了由于卷筒受力變形而導(dǎo)致的絞繩問題，極大地提升了煤礦上物料提升作業(yè)的安全性和效率，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 JKB-3.5×2.5型絞車絞繩原因分析

絞車的絞繩，是指絞車在工作過程中由于某種原因而導(dǎo)致的鋼絲繩硬擠到一起[2]引起的局部堆積現(xiàn)象，其導(dǎo)致鋼絲繩卷曲時(shí)的受力變形，影響鋼絲繩的使用壽命。絞車絞繩如圖1所示。

圖1 絞車絞繩現(xiàn)象示意圖

為了尋找絞車絞繩的原因，技改小組對(duì)馬脊梁礦發(fā)生絞繩異常的多組絞車進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各絞車的卷筒側(cè)壁均出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形，造成了在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鋼絲繩進(jìn)入到卷筒時(shí)的入繩角度偏小，進(jìn)而導(dǎo)致在卷繩時(shí)出現(xiàn)鋼絲繩的側(cè)移現(xiàn)象。因此需要對(duì)卷筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在不增加卷筒整體尺寸和重量的前提下提升卷筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提升工作時(shí)的可靠性。

2 卷筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及受力分析

利用三維建模軟件，建立絞車三維結(jié)構(gòu)模型，然后利用接口軟件將其導(dǎo)入到ANSYS仿真分析軟件中去，在對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)在卷筒主軸位置設(shè)置為四面體網(wǎng)格劃分方式[3]，對(duì)于主要承力的卷筒則選用六面體網(wǎng)格劃分方式，確保在進(jìn)行仿真分析時(shí)既能確保仿真分析的計(jì)算時(shí)間短又能確保仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行仿真分析計(jì)算時(shí)，選擇在提升過程中的工況作為分析結(jié)果，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測到的馬脊梁礦提升機(jī)在運(yùn)行過程中的受力情況，設(shè)置作用在卷筒上的徑向壓力為4.12MPa，其工作時(shí)的扭矩為829.3N·m，提升拉力為3471.6N，側(cè)向推力為122.7kN。

利用ANSYS仿真分析軟件對(duì)受力情況下卷筒的受力和應(yīng)變情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 優(yōu)化前絞車卷筒受力仿真分析結(jié)果

由仿真分析結(jié)果可知，在優(yōu)化前作用在絞車卷筒上的最大應(yīng)力達(dá)到了160.54MPa，工作時(shí)的最大應(yīng)力變形達(dá)到了0.69mm，因此在長期交變應(yīng)力的作用下導(dǎo)致絞車卷筒右側(cè)邊產(chǎn)生了不可逆的應(yīng)力變形，當(dāng)鋼絲繩在纏繞到右側(cè)時(shí)卷入的入繩角度就會(huì)變小，進(jìn)而造成了卷繩時(shí)的絞繩現(xiàn)象。而由于作用在卷筒上的應(yīng)力較大，也導(dǎo)致了在長期運(yùn)行過程中給卷筒的轉(zhuǎn)軸造成壓力，使轉(zhuǎn)軸和卷筒間的磨損加劇，導(dǎo)致絞車卷筒部分出現(xiàn)機(jī)械故障，影響絞車系統(tǒng)的正常使用。

根據(jù)對(duì)絞車卷筒結(jié)構(gòu)的受力分析，為了在不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)前提下增加卷筒的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，項(xiàng)目組最終對(duì)采用高強(qiáng)度材料、增加邊緣肋板、在卷筒上設(shè)置導(dǎo)向槽[4]的方案進(jìn)行了對(duì)比分析，最后綜合加工難易程度、改造成本及通用性等多重因素，選擇在滾筒主軸上采用高強(qiáng)度合金而在卷筒邊緣處每隔200mm采用肋板進(jìn)行加強(qiáng)，在卷筒表面設(shè)置導(dǎo)向槽相結(jié)合的方案，提高其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，增加卷繩時(shí)的導(dǎo)向作用。利用仿真分析軟件，在相同的邊界條件下對(duì)優(yōu)化后的絞車卷筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后絞車卷筒受力仿真分析結(jié)果

由仿真分析結(jié)果可知，優(yōu)化后作用在絞車卷筒上的最大應(yīng)力約為58.055MPa，比優(yōu)化前降低了約63.84%，在受力作用下卷筒的最大形變約為0.11mm，比優(yōu)化前降低了約84.1%。作用在卷筒上的應(yīng)力的降低能夠有效地減少對(duì)卷筒的壓力，降低在提升作業(yè)時(shí)的受力變形，進(jìn)而減小卷筒和轉(zhuǎn)軸之間的摩擦力，避免了長期受力作用下轉(zhuǎn)軸的變形，提升絞車在工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

3 改造后的實(shí)際應(yīng)用分析

馬脊梁礦的絞車系統(tǒng)在優(yōu)化完成后于2019年3月開始投入使用，為了對(duì)實(shí)際優(yōu)化效果進(jìn)行分析，對(duì)2019年3月份到2019年7月份的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測。絞車在運(yùn)行過程中未出現(xiàn)過絞線異常，且對(duì)運(yùn)行后的絞車卷筒尺寸進(jìn)行監(jiān)測，目前為止絞車的尺寸結(jié)構(gòu)均保持正常。在五個(gè)月的運(yùn)行過程中絞車未出現(xiàn)過程停機(jī)異常，物料提升的效率和穩(wěn)定性得到了顯著的提升。在對(duì)絞車進(jìn)行改造后根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況將原有維修班人數(shù)由3人降低到了目前的1人，其維護(hù)保養(yǎng)周期由1月2次，降低到了目前的2個(gè)月1.5次，極大地降低了維護(hù)保養(yǎng)人員的工作強(qiáng)度，節(jié)約了人工成本，提升了絞車工作時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。目前馬脊梁礦已制定了推廣方案，計(jì)劃對(duì)異常絞車均進(jìn)行改造處理，馬脊梁礦優(yōu)化后的絞車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 馬脊梁礦優(yōu)化后的絞車系統(tǒng)

4 結(jié)論

針對(duì)馬脊梁礦JKB-3.5×2.5型絞車在實(shí)際工作中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱、易變形、易絞線的難題，在利用仿真分析軟件對(duì)卷筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。對(duì)優(yōu)化前后的受力及應(yīng)變情況進(jìn)行了對(duì)比分析，證明了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性。根據(jù)在馬脊梁礦的實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）絞車卷筒結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致在工作時(shí)的受力集中，卷筒長期受力作用下產(chǎn)生變形，造成卷入的入繩角度就會(huì)變小，進(jìn)而造成了卷繩時(shí)的絞繩現(xiàn)象，也導(dǎo)致了在長期運(yùn)行過程中給卷筒的轉(zhuǎn)軸造成壓力，使轉(zhuǎn)軸和卷筒間的磨損加劇，導(dǎo)致絞車卷筒部分出現(xiàn)機(jī)械故障，影響絞車系統(tǒng)的正常使用。

（2）優(yōu)化后作用在絞車卷筒上的最大應(yīng)力比優(yōu)化前降低了約63.84%，卷筒的最大形變比優(yōu)化前降低了約84.1%，極大地提升了絞車卷筒工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。