關(guān)于礦井提升機(jī)卷筒裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究

王長(zhǎng)勝

（石港煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 左權(quán) 032600）

引言

提升機(jī)是礦井中的重要機(jī)械設(shè)備之一，其工作效率和運(yùn)行可靠性對(duì)整個(gè)開采過(guò)程有著決定性影響[1]。但礦用提升機(jī)整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前我國(guó)還沒有完善的設(shè)計(jì)理論，導(dǎo)致設(shè)計(jì)出的提升機(jī)結(jié)構(gòu)或多或少存在一定缺陷[2-3]。因此本文主要對(duì)提升機(jī)卷筒裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 2JK/A-5 型礦井提升機(jī)主要結(jié)構(gòu)

2JK/A-5 型大型礦井提升機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，各結(jié)構(gòu)件間存在緊密聯(lián)系，共同構(gòu)成了提升機(jī)結(jié)構(gòu)。提升機(jī)從機(jī)械結(jié)構(gòu)角度主要由卷筒裝置、主軸裝置、減速器、制動(dòng)器等重要部分構(gòu)成。從性能屬性角度提升機(jī)又可分為三大部分，分別為電氣動(dòng)力部分、機(jī)械主體部分、輔助防護(hù)部分。

2 提升機(jī)卷筒模型的建立

該卷筒裝置為焊接結(jié)構(gòu)，壁較薄。如圖1 所示為提升機(jī)卷筒裝置的幾何結(jié)構(gòu)，從圖上可以看出卷筒裝置有多個(gè)部分構(gòu)成，一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)信息如表1所示。該型號(hào)礦井提升機(jī)使用的鋼絲繩最大靜張力可以達(dá)到26 t。根據(jù)表中提供的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，利用SolidWorks 三維建模軟件建立卷筒的三維模型。需要說(shuō)明的是，為了方便后續(xù)有限元分析，在建立提升機(jī)卷筒三維模型時(shí)，需將卷筒結(jié)構(gòu)中一些無(wú)關(guān)緊要的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行刪除，比如倒角、倒圓等。簡(jiǎn)化這些特征不會(huì)對(duì)模擬分析結(jié)果造成明顯影響。完成三維建模后，將其導(dǎo)出為HyperWorks 軟件能識(shí)別的格式并保存。

本文所述型號(hào)的提升機(jī)卷筒生產(chǎn)加工材料為Q345A，為低合金鋼，具有較高的強(qiáng)度。查閱相關(guān)技術(shù)手冊(cè)可知，Q345A 材料的彈性模量和泊松比分別為206 GPa 和0.3，材料的密度大小為7.81 g/cm3，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為295 MPa 和345 MPa。

圖1 提升機(jī)卷筒幾何結(jié)構(gòu)

表1 提升機(jī)卷筒主要技術(shù)參數(shù)

本文利用HyperWorks 有限元軟件分析卷筒在工作時(shí)的受力情況，首先需要將SolidWorks 建立好的三維模型導(dǎo)入到本軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。卷筒為薄壁結(jié)構(gòu)，通過(guò)焊接的方式加工制造而成。其中卷筒殼體為38 mm，擋繩板厚度為22 mm，制動(dòng)盤厚度為45 mm，法蘭厚度為50 mm，幅板厚度為28 mm，支撐柱厚度為15 mm，筋板厚度為20 mm。在軟件中通過(guò)2D 單元?jiǎng)澐謫卧W(wǎng)格，然后根據(jù)上述的厚度值分別賦予不同位置單元以對(duì)應(yīng)的厚度，最終得到的網(wǎng)格數(shù)量為12389，既能保證計(jì)算時(shí)間也能確保計(jì)算結(jié)果滿足精度要求。根據(jù)上文中所述的材料屬性在軟件中設(shè)置材料屬性值，使之更加貼近實(shí)際情況。

本文認(rèn)為卷筒中鋼絲繩卷滿時(shí)共有三層，卷筒的外部載荷主要來(lái)自鋼絲繩，主要包括三個(gè)方面的載荷。第一為纏繞在滾筒上的鋼絲繩對(duì)滾筒徑向的作用力，該作用力均勻分布在整個(gè)滾筒表面；第二為沒有纏繞在滾筒上鋼絲繩的作用力對(duì)滾筒產(chǎn)生的彎矩和扭矩，通常該彎矩和扭矩對(duì)滾筒的影響非常小，基本可以忽略不計(jì)；第三為鋼絲繩對(duì)滾筒產(chǎn)生的軸向作用力，該作用力均勻分布在擋繩板上。根據(jù)以上受力分析對(duì)滾筒施加載荷。提升機(jī)在正常工作時(shí)，輪轂和軸之間的變形相對(duì)非常小，在輪轂上施加固定約束，對(duì)滾筒的一側(cè)施加固定約束，另一端可以在軸向移動(dòng)，但不能在其他兩個(gè)方向移動(dòng)。

3 提升機(jī)卷筒受力結(jié)果分析

如圖2 所示為卷筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，圓筒的中部位置以及幅板中間孔邊緣位置均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中卷筒中部位置的最大應(yīng)力值大約為176 MPa，幅板中間孔邊緣位置的最大應(yīng)力值大約為136 MPa。本文所使用的材料屈服強(qiáng)度值為295 MPa，根據(jù)相關(guān)理論知識(shí)可知，卷筒的最大應(yīng)力值沒有超過(guò)材料許用應(yīng)力值，滿足實(shí)際使用需要。但是在幅板中間孔位置存在的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在循環(huán)載荷作用下會(huì)導(dǎo)致幅板出現(xiàn)疲勞損傷進(jìn)而引發(fā)裂紋，導(dǎo)致幅板失效，無(wú)法正常工作?；诖?，有必要對(duì)卷筒裝置中的幅板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，降低中間孔周邊的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖2 卷筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力（MPa）分布云圖

4 提升機(jī)卷筒幅板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

為了盡可能降低提升機(jī)卷筒幅板中間圓孔周邊部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提升機(jī)構(gòu)件的使用壽命。根據(jù)相關(guān)的理論知識(shí)，將浮板中間圓孔尺寸由原來(lái)的600 mm 縮小至400 mm。卷筒其他所有結(jié)構(gòu)尺寸都不變。根據(jù)優(yōu)化改進(jìn)后的卷筒結(jié)構(gòu)尺寸利用SolidWorks 重新建立三維模型， 并導(dǎo)入到HyperWorks 軟件中建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。模型中設(shè)置的材料屬性、網(wǎng)格劃分、載荷條件和邊界條件等全部與優(yōu)化前一樣。如圖3 所示為優(yōu)化改進(jìn)后的卷筒靜力學(xué)分析結(jié)果。從圖中可以看出，由于卷筒其他部位結(jié)構(gòu)尺寸沒有改變，所以卷筒中間部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象仍然存在，且最大應(yīng)力值基本與優(yōu)化前相等。同樣的，與優(yōu)化前相比幅板中間圓孔周邊應(yīng)力集中現(xiàn)象也存在，但是應(yīng)力最大值卻有了很大程度的降低，最大值為104 MPa，與優(yōu)化前的136 MPa 相比降低了23.53%。

圖3 優(yōu)化改進(jìn)后卷筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力（MPa）分布云圖

卷筒在正常工作過(guò)程中，幅板會(huì)受到周期循環(huán)載荷作用。如果循環(huán)載荷載荷力較大，就容易導(dǎo)致幅板出現(xiàn)疲勞損傷，引發(fā)疲勞裂紋，使得結(jié)構(gòu)件失效。最大應(yīng)力值越大就越容易出現(xiàn)應(yīng)力損傷導(dǎo)致的疲勞裂紋現(xiàn)象。本研究通過(guò)縮小幅板中間圓孔尺寸，降低了其在工作過(guò)程中的應(yīng)力集中值，能在很大程度上降低結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷現(xiàn)象，進(jìn)而提升其使用壽命。將本文提出的提升機(jī)卷筒優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到實(shí)踐中，經(jīng)過(guò)1a 左右的實(shí)踐檢驗(yàn)。與優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)相比較，新方案卷筒的使用壽命提升了至少20%以上。

5 結(jié)論

以往的提升機(jī)結(jié)構(gòu)中幅板中間圓孔部位在正常工作時(shí)存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得幅板在工作一段時(shí)間后容易出現(xiàn)應(yīng)力損傷引發(fā)的疲勞裂紋現(xiàn)象。實(shí)踐證明，將幅板中間圓孔尺寸由600 mm 縮小至400 mm，幅板中間圓孔周邊應(yīng)力最大值由原先的136 MPa 降低到了104 MPa，降低幅度達(dá)到了23.53%，顯著提升了提升機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)的使用壽命。