煤礦JKB 型提升機(jī)鋼絲繩張力自動(dòng)平衡裝置的優(yōu)化分析

任曉雨

（潞安集團(tuán)常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

在礦井提升機(jī)中，鋼絲繩是一個(gè)比較重要的牽引物料設(shè)備，其直接影響著提升設(shè)備的安全性。當(dāng)鋼絲繩兩端的配重不合理時(shí)，將會(huì)直接導(dǎo)致兩側(cè)的拉力失衡。因此可以設(shè)置自動(dòng)平衡裝置，從而避免兩側(cè)張力不平衡的現(xiàn)象。通過(guò)分析JKB 型提升機(jī)鋼絲繩自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置發(fā)現(xiàn)，還可以對(duì)該裝置的中板以及側(cè)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步有效地降低兩側(cè)張力的差異率。在對(duì)調(diào)研資料進(jìn)行分析的過(guò)程中，假如兩側(cè)的張力差異率低于10%，可以有效地優(yōu)化提升機(jī)的使用時(shí)間，從而可以防止鋼絲繩斷裂，極大地提升了煤礦的安全生產(chǎn)水平。

1 JKB 型提升系統(tǒng)的組成

JKB 型提升機(jī)選用落地式多繩摩擦式提升機(jī)，其扮演著煤炭運(yùn)輸?shù)慕巧?，?duì)煤礦開(kāi)采起著非常重要的作用，圖1 為該提升機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。此落地式提升機(jī)有主導(dǎo)輪、鋼絲繩、提升容器等，與此同時(shí)在該裝置中安裝了自動(dòng)平衡裝置。

經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)該類(lèi)型的提升機(jī)在工作過(guò)程中，往往容易受到其他設(shè)備振動(dòng)的影響，與此同時(shí)在安裝時(shí)由于安裝精度不達(dá)標(biāo)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用之后會(huì)對(duì)金屬部件造成影響，最終影響鋼絲繩的受力情況，為此必須提升張力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，圖2 為JKB型提升機(jī)張力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。

在對(duì)鋼絲繩之間的壓力值進(jìn)行調(diào)整時(shí)，該設(shè)備選用張力自動(dòng)調(diào)整以及液壓調(diào)節(jié)的方式來(lái)調(diào)節(jié)設(shè)備。假如一側(cè)的鋼絲繩張力比較大，那么可以借助中板、側(cè)板將力進(jìn)行傳遞，同時(shí)液壓缸開(kāi)始?jí)嚎s，在連桿的作用下使得一側(cè)的張力變小。同時(shí)，當(dāng)另一側(cè)的張力變小時(shí)，懸臂干就會(huì)收縮，從而使得兩側(cè)張力達(dá)到平衡。由此可以看出，中板和側(cè)板結(jié)構(gòu)能夠有效地促使兩側(cè)鋼絲繩受力平衡，從而可以對(duì)中板與側(cè)板進(jìn)行優(yōu)化處理，進(jìn)一步提高設(shè)備平衡性的調(diào)整[1-3]。

圖1 落地式多繩摩擦式提升系統(tǒng)示意圖

圖2 JKB 型提升機(jī)張力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

2 鋼絲繩張力特性分析

為了能夠更好地強(qiáng)化張力自動(dòng)調(diào)整水平，首先對(duì)JKB 型提升機(jī)鋼絲繩的變化情況進(jìn)行探究，采用AMESim 軟件進(jìn)行仿真分析，模擬張力自動(dòng)平衡裝置調(diào)整張力，下頁(yè)表1 為張力自動(dòng)平衡裝置的參數(shù)。

表1 JKB 型提升機(jī)鋼絲繩張力自動(dòng)平衡裝置參數(shù)表

測(cè)試點(diǎn)為轉(zhuǎn)向軸與鋼絲繩接觸的四個(gè)位置，四個(gè)點(diǎn)在滾簡(jiǎn)軸向均勻分布，圖3 為鋼絲繩的張力曲線(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)（圖中4 條曲線(xiàn)幾乎重合）。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，張力逐漸減小，假如鋼絲繩尾繩長(zhǎng)度逐漸減小時(shí)，首繩的長(zhǎng)度會(huì)逐漸增加，由此可以看出，提升系統(tǒng)下放測(cè)的載荷變小會(huì)引起滾筒與分離點(diǎn)位置鋼絲繩的張力降低。整個(gè)波形圖不平滑，存在突變的位點(diǎn)，對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行分析可以看出，鋼絲繩在受到載荷的作用下，使得鋼絲繩的張力出現(xiàn)突變，可是由于設(shè)定自動(dòng)調(diào)整裝置使得張力又重新回到正常值。

圖3 滾筒與提升鋼絲繩分離點(diǎn)處鋼絲繩張力

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 三維模型的建立

借助ANSYS 仿真軟件對(duì)中板和側(cè)板的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行最優(yōu)解數(shù)據(jù)分析，從而找到中板和側(cè)板的最優(yōu)的解，可以有效地降低兩者之間的體積，以及降低成本，可以進(jìn)一步優(yōu)化張力自動(dòng)調(diào)整的性能。圖4 為PRONE 建模軟件建立中板和側(cè)板的三維模型。

3.2 仿真模型的建立及定義

3.2.1 初始仿真模型的建立

對(duì)中板及側(cè)板所選用的材料進(jìn)行參數(shù)設(shè)備，彈性模量為2.05×105MPa，相應(yīng)的泊松比為0.3，對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度設(shè)置為1 250 MPa。在ANSYS Workbench設(shè)置四面體4 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，將其當(dāng)做張力自動(dòng)裝置網(wǎng)格，網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置為20 mm×20 mm×20 mm。可以對(duì)部分零碎的部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)將其質(zhì)量進(jìn)行重新配置。依據(jù)工作需要，定義中板及側(cè)板的邊界條件，可以把板的兩側(cè)作為有效約束，與此同時(shí)需要在最?lèi)毫拥沫h(huán)境下考慮靜力學(xué)問(wèn)題。

圖4 張力自動(dòng)平衡裝置的中板和側(cè)板

通過(guò)分析優(yōu)化前中板與側(cè)板的應(yīng)力情況可知，鋼絲繩張力自動(dòng)平衡板所能承受的最大應(yīng)力為52.113 MPa，而側(cè)板最大應(yīng)力可以達(dá)到28.456 MPa。通常力分布于兩翼，可以借助仿真軟件得到相應(yīng)的最優(yōu)解。

3.2.2 優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)選擇

可以借助ANSYS 仿真軟件找到自動(dòng)張力平衡裝置的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)找到多種組合參數(shù)，充分結(jié)合中板及側(cè)板相應(yīng)的強(qiáng)度、質(zhì)量以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布情況，表2 為相應(yīng)的優(yōu)選出結(jié)果。

表2 中板及側(cè)板優(yōu)化候選情況表

3.2.3 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)仿真分析

以?xún)?yōu)化得到最優(yōu)解為參數(shù)，再次進(jìn)行建模，依據(jù)初始仿真的條件設(shè)定參數(shù)，對(duì)優(yōu)化前后的應(yīng)力分布情況進(jìn)行比較。

通過(guò)分析優(yōu)化后中板與側(cè)板的應(yīng)力情況可知，中板多對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力可以達(dá)到42.966 MPa，而相應(yīng)的側(cè)板最大應(yīng)力可以達(dá)到18.523 MPa，由此可以看出應(yīng)力下降比例分別為23.6%和15.99%，同時(shí)兩者應(yīng)力相對(duì)均勻，從而達(dá)到中板及側(cè)板輕量化設(shè)計(jì)的需要。

3.2.4 鋼絲繩磨損量檢測(cè)

將最優(yōu)解的中板及側(cè)板結(jié)構(gòu)設(shè)置在張力自動(dòng)平衡裝置中進(jìn)行應(yīng)用。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用對(duì)鋼絲繩的四周進(jìn)行檢測(cè)，在一個(gè)周期內(nèi)磨損量小于1.8 mm，與原有的張力自動(dòng)平衡裝置進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩兩側(cè)的張力下降到3.62%，由此可以斷定其可以有效地提高鋼絲繩的使用壽命，因此優(yōu)化結(jié)果能夠達(dá)到預(yù)期的而要求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)中板及側(cè)板是張力自動(dòng)平衡裝置的重要單元，因此可以對(duì)其進(jìn)行有限元分析，找到最優(yōu)解，從而可以有效地降低鋼絲繩的磨損率，同時(shí)將最優(yōu)的中板及側(cè)板應(yīng)用到實(shí)踐中，經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)其不僅可以有效地優(yōu)化不平衡性，而且可以避免鋼絲繩的磨損，從而可以極大地提高煤礦行業(yè)的開(kāi)采效率。