郭莊煤業(yè)JKMD3.25×4(Ⅲ)E型提升機摩擦輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造

吉囡囡

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限公司，山西 長治 046100）

郭莊煤業(yè)主井為JKMD3.25×4(III)E型多繩摩擦落地式提升機，滾筒直徑為3.25m，寬1.7m，在長期使用過程中頻繁出現(xiàn)摩擦輪疲勞破斷情況，嚴重影響了提升機的正常使用。為了提升摩擦輪結(jié)構(gòu)的可靠性，提高提升機工作穩(wěn)定性和安全性，本文首先對近年來的摩擦輪失效原因進行了分析，然后針對性地提出了楔形壓塊連接結(jié)構(gòu)而且將支環(huán)改為一體式連接的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，并利用ANSYS仿真分析軟件對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行仿真分析，證明了優(yōu)化方案的可靠性。根據(jù)優(yōu)化后的摩擦輪在郭莊煤業(yè)的應(yīng)用情況表明，優(yōu)化后不僅降低了摩擦輪結(jié)構(gòu)的整體重量，而且極大地提高了結(jié)構(gòu)強度，增加了摩擦輪的使用壽命。目前該結(jié)構(gòu)已在郭莊煤業(yè)的兩個提升機系統(tǒng)上實現(xiàn)了應(yīng)用。

1 郭莊煤業(yè)提升機摩擦輪失效分析

摩擦輪91.5%的失效均發(fā)生在摩擦輪的壓塊和滾筒配合的螺釘孔位置，原因主要在于摩擦輪滾筒上設(shè)置有大量的通孔。摩擦輪的壓塊通過螺栓連接固定在滾筒外側(cè)，摩擦輪在長期使用過程中，連接位置頻繁受到摩擦擠壓作用，逐漸發(fā)生疲勞損壞，產(chǎn)生裂紋。同時由于需要加工大量的通孔，在加工過程中不可避免的會產(chǎn)生應(yīng)力集中的作用，加速疲勞破壞。郭莊煤業(yè)提升機的摩擦輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 摩擦輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案

針對摩擦輪結(jié)構(gòu)在使用過程中出現(xiàn)的疲勞損壞情況，應(yīng)優(yōu)先采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中情況。本文提出了一種新型的楔形槽型配合結(jié)構(gòu)，將摩擦襯墊和摩擦輪通過楔形槽進行連接，同時為了避免出現(xiàn)難拆卸的情況，將楔形槽的內(nèi)側(cè)角度設(shè)置為25°～45°的漸變結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)固定可靠性和更換便捷性的統(tǒng)一。為了避免采用壓塊螺栓連接帶來的加工復(fù)雜、易產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題，本文提出將各個楔型槽先進行焊接，然后在槽內(nèi)區(qū)域增加加強板結(jié)構(gòu)，提高整體結(jié)構(gòu)強度，最后將整體采用外支環(huán)方式和摩擦輪外表面相連。支撐結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 提升機摩擦輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 楔形槽配合結(jié)構(gòu)示意圖

3 摩擦輪結(jié)構(gòu)的仿真分析

利用三維建模軟件建立提升機摩擦輪結(jié)構(gòu)的三維模型，然后將其導(dǎo)入到ANSYS仿真分析軟件中。根據(jù)摩擦輪實際材料情況，設(shè)置其屈服強度為345MPa，其工作時的彈性模量為200GPa。根據(jù)實際測量的摩擦輪工作時的受力情況，設(shè)置工作受力為35MPa，利用ANSYS對該工況下摩擦輪的應(yīng)力和應(yīng)變情況進行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 摩擦輪結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果

由仿真分析結(jié)果可知，摩擦輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在工作過程中其最大應(yīng)力約為36.55MPa，遠低于材料的屈服強度極限，且應(yīng)力集中的位置分布相對較為分散，特別是在承載區(qū)域，未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力突變，表明結(jié)構(gòu)合理，滿足正常工作要求。在工作過程中摩擦輪的最大變形量約為0.37mm，變形區(qū)域主要集中在摩擦輪兩側(cè)位置，這主要是由于摩擦輪取消壓塊后采用了一體化的外支環(huán)連接方式，導(dǎo)致兩側(cè)結(jié)構(gòu)相對較弱，但在實際工作中該區(qū)域內(nèi)只是用于對鋼絲繩進行擋護，實際受力較小，因此0.37mm的變形量滿足結(jié)構(gòu)使用需求。

4 摩擦輪結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用

對提升機摩擦輪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化后，目前已經(jīng)在郭莊煤業(yè)主井處的提升機上進行了應(yīng)用。由于采用了一體化的連接方式，取消了壓塊和連接螺栓等，使摩擦輪整體的結(jié)構(gòu)重量比優(yōu)化前降低了約9.3%。通過對應(yīng)用以來該摩擦輪使用情況的監(jiān)測，其工作過程中穩(wěn)定性較好，未出現(xiàn)摩擦輪過度磨損、襯墊脫落等異常。目前已將對摩擦輪的全面檢測周期由1個月調(diào)整到了3個月，節(jié)約了大量的人力，取得了較好的應(yīng)用效果。郭莊煤業(yè)主井提升機結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 郭莊煤業(yè)主井提升機結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

針對郭莊煤業(yè)主井JKMD3.25×4(III)E型多繩摩擦落地式提升機在長期使用過程中頻繁出現(xiàn)摩擦輪疲勞破斷情況，本文提出了一種一體式結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，利用楔形機構(gòu)和一體化的外支環(huán)連接方式取代了原先采用螺栓連接的方式，利用仿真分析軟件對優(yōu)化后的應(yīng)力和應(yīng)變情況進行了分析，通過在郭莊煤業(yè)主斜井的實際應(yīng)用表明：

（1）郭莊煤業(yè)提升機摩擦輪失效的原因主要在于摩擦輪滾筒上設(shè)置有大量的通孔，摩擦輪的壓塊以螺栓連接的方式固定在滾筒外側(cè)，摩擦輪在長期使用過程中，連接位置頻繁受到摩擦擠壓作用，逐漸發(fā)生疲勞損壞，產(chǎn)生裂紋。

（2）摩擦輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在工作過程中其最大應(yīng)力約為36.55MPa，遠低于材料的屈服強度極限，且應(yīng)力集中的位置分布相對較為分散，最大變形量約為0.37mm，變形區(qū)域主要集中在摩擦輪兩側(cè)位置，變形量滿足結(jié)構(gòu)使用需求。

（3）采用了一體化的連接方式，取消了壓塊和連接螺栓等，使摩擦輪整體的結(jié)構(gòu)重量比優(yōu)化前降低了約9.3%。