礦用提升機(jī)天輪輪體結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

何洪亮

（貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng)550025）

引言

近年來(lái)煤礦產(chǎn)業(yè)逐漸向著大型、高效、高技術(shù)含量等方向發(fā)展，大型落地式多繩摩擦式提升機(jī)因其具有提升能力大、行程長(zhǎng)、功率低等優(yōu)勢(shì)得到了較為廣泛的應(yīng)用[1-4]。天輪系統(tǒng)作為多繩摩擦式提升機(jī)中極為關(guān)鍵的組成部分，不僅關(guān)系著提升機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)，還與提升機(jī)的工作效率、使用壽命、調(diào)速控制、可靠性等息息相關(guān)，必須引起我們的高度重視[5-6]。通過(guò)對(duì)天輪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，在確保其安全可靠運(yùn)行的前提下，開(kāi)展改進(jìn)設(shè)計(jì)工作具有重要的意義。

1 天輪系統(tǒng)組成及工況

單個(gè)天輪系統(tǒng)的組成如圖1所示，包括耐磨襯墊、輪轂、輪體、軸承、軸承座等組件。繞過(guò)天輪輪槽的鋼絲繩一端連接主導(dǎo)輪，另一端連接載荷，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)主導(dǎo)輪的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)載荷的提升和下放，為了增加天輪的壽命，在天輪槽內(nèi)設(shè)置了耐磨襯墊。

圖1 單個(gè)天輪系統(tǒng)組成示意圖

天輪系統(tǒng)通常被安裝在較高的井架位置，由于工作環(huán)境極為惡劣，因此對(duì)天輪系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)件性能要求極為嚴(yán)格。天輪系統(tǒng)工作過(guò)程中啟動(dòng)、制動(dòng)、正反向轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)較多，因其自身的質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)慣量很明顯，即使運(yùn)動(dòng)的速率較小卻要承受較大的載荷，同時(shí)天輪系統(tǒng)工作過(guò)程中的受力狀態(tài)多變。為了更好地保證天輪系統(tǒng)的安全性和可靠性，有必要對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高其服役過(guò)程中的性能。

2 天輪輪體有限元仿真分析

相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，有限元仿真分析憑借其快速、直觀的優(yōu)勢(shì)得到了極為廣泛的應(yīng)用。天輪系統(tǒng)中極為重要的組成部件當(dāng)屬天輪輪體，基于有限元分析原理，對(duì)現(xiàn)有天輪輪體進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析天輪輪體應(yīng)變分布情況，進(jìn)而采取合適的改進(jìn)措施對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高天輪系統(tǒng)的綜合性能。

2.1 有限元模型的建立

天輪輪體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了提高有限元分析的準(zhǔn)確性，保證后續(xù)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，建立三維模型過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化及細(xì)微特征的忽略，采用三維繪圖軟件SolidWorks完成單個(gè)天輪輪體模型的繪制。之后將輪體三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，其所用材料為ZG270-500，其材料力學(xué)性能參數(shù)中，彈性模量為202 GPa、泊松比為0.3、密度為7 800 kg/m3、屈服強(qiáng)度為340 MPa。

完成材料屬性設(shè)置即可進(jìn)行天輪輪體網(wǎng)格的劃分，其網(wǎng)格劃分的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，輪體為焊接而成的環(huán)形件，其中結(jié)構(gòu)尺寸較為復(fù)雜，直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分不利于網(wǎng)格質(zhì)量的提高。此處分別對(duì)天輪輪體的輪緣、輪轂和輪轂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Solid187和Solid95復(fù)合單元類型進(jìn)行智能劃分，得到整個(gè)天輪輪體的有限元仿真模型如下頁(yè)圖2所示，統(tǒng)計(jì)得到節(jié)點(diǎn)總數(shù)為12 053個(gè)，單元總數(shù)為33 128個(gè)。

圖2 天輪輪體的有限元仿真模型

2.2 載荷及約束施加

天輪系統(tǒng)實(shí)際工作過(guò)程中外載分布較為復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)影響因素眾多，其主要承受的外載荷為鋼絲繩的張緊力，大小約為1 550 kN。由于天輪兩側(cè)鋼絲繩上的張力直接作用于耐磨襯墊，使輪體承受鋼絲繩的正壓力，作用范圍在150°包角內(nèi)，同時(shí)還要承受耐磨襯墊對(duì)于天輪輪體的切向摩擦力，但因摩擦力相較于鋼絲繩正壓力較小，仿真計(jì)算過(guò)程中將其忽略。天輪輪體工作過(guò)程中的主要約束來(lái)源于天輪軸，此處忽略了天輪輪體與天輪軸之間的相對(duì)運(yùn)行，將天輪輪體與天輪軸接觸的部分設(shè)置為固定約束，至此完成天輪輪體有限元仿真分析前的處理工作。

2.3 結(jié)果分析

利用ANSYS有限元仿真分析軟件內(nèi)自帶求解器對(duì)天輪輪體進(jìn)行靜力學(xué)分析計(jì)算，得到天輪輪體的應(yīng)變分布云圖，如圖3所示。由圖3可以看出，天輪工作過(guò)程中的明顯變形出現(xiàn)在兩個(gè)位置，第一是鋼絲繩載荷包角范圍內(nèi)的輪體表面，呈現(xiàn)出內(nèi)凹變形狀態(tài)，最大變形發(fā)生在上升側(cè)和下降側(cè)與鋼絲繩接觸的輪體表面；第二是在鋼絲繩徑向壓力和切向拉力的作用下輪輻產(chǎn)生扭曲變形，其位置處于與中心軸垂直的平面上。

圖3 天輪輪體應(yīng)變（m）分布云圖

3 天輪輪體結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)天輪輪體存在較大的內(nèi)凹變形及扭曲變形的問(wèn)題，充分考慮天輪輪體的輪輻數(shù)量、輪輻結(jié)構(gòu)尺寸等因素，以便輪體的設(shè)計(jì)制造，提高天輪輪體的經(jīng)濟(jì)性，提出了兩種改進(jìn)方案。第一是在原有天輪輪體輪輻數(shù)量的基礎(chǔ)上減少2根，同時(shí)在輪體的輪緣與輪輻連接位置增加環(huán)形筋板；第二是在原有天輪輪體輪輻數(shù)量的基礎(chǔ)上減少2根，同時(shí)對(duì)輪輻的厚度及寬度進(jìn)行調(diào)整。

3.1 靜力學(xué)仿真分析

運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)上述2種天輪輪體改進(jìn)方案進(jìn)行模型的建立與網(wǎng)格的劃分，之后在相同的載荷和約束條件下對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的天輪輪體應(yīng)變分布云圖如圖4、圖5所示。

圖4 方案一天輪輪體應(yīng)變（m）分布云圖

圖5 方案二天輪輪體應(yīng)變（m）分布云圖

3.2 結(jié)果分析

由圖4、圖5可以看出上述兩種改進(jìn)方案的最大變形依然是輪體上升側(cè)和下降側(cè)與鋼絲繩接觸的邊緣位置的內(nèi)凹變形和輪輻位置的扭曲變形。統(tǒng)計(jì)得到天輪輪體不同方案下對(duì)應(yīng)的變形量、天輪輪體重量數(shù)值，如表1所示。由表1可得改進(jìn)方案一使天輪的質(zhì)量得到了降低，可明顯增加了最大變形量，說(shuō)明該改進(jìn)方案不可??；而改進(jìn)方案二使天輪的質(zhì)量得到了降低，同樣存在最大變形量增大的問(wèn)題，但是增加的量較小，因此可得天輪輪體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案二具有較好的改進(jìn)效果。

表1 天輪輪體改進(jìn)方案仿真結(jié)果

3.3 輪輻結(jié)構(gòu)對(duì)天輪輪形變及重量的影響

由圖5中輪輻的變形方向可以看出提高垂直于天輪輪體軸向的平面剛度有利于提高天輪輪體的經(jīng)濟(jì)性，輪輻寬度對(duì)于該方向的剛度影響較為明顯，與此同時(shí)，輪體的軸向變形較小，此處僅對(duì)輪輻厚度降低5 mm，重點(diǎn)研究輪輻寬度對(duì)于天輪輪體變形及重量的影響。分析過(guò)程中設(shè)計(jì)以下輪輻寬度值進(jìn)行仿真分析，分別為90 mm、100 mm、110 mm、120 mm、130 mm。重新建立有限元仿真模型，調(diào)整不同的輪輻寬度值，完成5次靜力學(xué)仿真計(jì)算，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 不同輪轂寬度下天輪輪體最大變形及重量

由表2可以看出隨著天輪輪體中輪輻寬度的增大，天輪輪體的最大變形量逐漸減小，而天輪輪體的重量逐漸增加，二者的變化趨勢(shì)均近似為線性。由于天輪輪體原設(shè)計(jì)的安全系數(shù)選擇的較大，因此天輪輪體結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中允許最大變形出現(xiàn)較小的增加。綜合考慮天輪輪體的最大變形量、重量變化、生產(chǎn)制造的經(jīng)濟(jì)性，輪輪體輪轂的寬度為110 mm時(shí)能夠很好地滿足改進(jìn)要求。相較于原天輪輪體的最大變形和質(zhì)量，改進(jìn)之后的天輪輪體重量降低190 kg，最大變形量?jī)H僅增加了0.01 mm，降低天輪輪體的質(zhì)量的同時(shí)提高了天輪輪體的剛度和經(jīng)濟(jì)性，取得了較好的改進(jìn)效果。

4 結(jié)論

天輪輪體作為天輪系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)其安全性和可靠性要求較高。通過(guò)對(duì)某型號(hào)多繩摩擦式提升機(jī)中的天輪輪體進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了天輪輪體工作過(guò)程中的最大變形為內(nèi)凹變形和扭曲變形，分別處于上升側(cè)和下降側(cè)與鋼絲繩接觸的邊緣位置及輪輻位置?；诖颂岢隽颂燧嗇嗴w優(yōu)化改進(jìn)方案，分析結(jié)果表明，輪輻結(jié)構(gòu)對(duì)于天輪輪體的剛度提升作用明顯，當(dāng)輪輻的寬度為100 mm時(shí)，天輪輪體質(zhì)量降低190 kg，最大變形僅僅增加了0.01 mm，能夠保證天輪輪體可靠工作，大大提高了天輪輪體的經(jīng)濟(jì)性。