關于JKMD5.7 型礦用提升機天輪結構性能的研究

張振國

（晉能控股煤業(yè)集團浙能麻家梁煤業(yè)有限責任公司，山西 朔州 036000）

引言

礦用提升機作為煤礦開采中的重要提升設備，主要完成對煤礦及其他設備在礦井中的吊裝作業(yè)[1]。但由于井下環(huán)境的惡劣性，加上提升機作業(yè)時經常會有煤石或煤顆粒掉入提升機設備中，提升機經常也處于超負荷提升作業(yè)，導致設備運行時出現了結構變形、局部開裂、鋼絲繩及天輪磨損嚴重、電機超負荷燒壞等現象，提升機一旦出現故障，將使得整個礦井的提升作業(yè)環(huán)節(jié)出現癱瘓現象，對煤礦的開采量構成嚴重影響。天輪作為提升機中的關鍵部件，保證其結構具有較高的結構強度及作業(yè)安全性至關重要[2]。為此，重點分析了JKMD5.7 型提升機及天輪的結構特點，針對現有天輪的結構性能分析，通過天輪的結構改進設計，驗證了改進后天輪具有更高的結構性能，改進效果明顯。

1 提升機結構特點分析

礦用提升機作為煤礦中的關鍵設備，不同礦井將根據實際提升需求，選擇不同噸位的提升機設備。以JKMD5.7 型提升機為例，其結構組成主要包括操縱系統(tǒng)、天輪系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、車槽裝置等，煤礦及貨物的上下提升運輸則主要在驅動電機的作用下，鋼絲繩與天輪系統(tǒng)進行轉動作業(yè)完成，其作業(yè)原理為利用了動滑輪、定滑輪原理來完成提升作業(yè)[3]。

其中，天輪是天輪系統(tǒng)的中重要部件，其結構包括輪緣、鋼板、輪輻、輪轂等零件，各零件之間通過焊接方式進行連接，多個天輪進行固定組合形成了天輪組件，與尾繩、主導向輪、平衡錘等部件構成了天輪系統(tǒng)[4]。天輪在運行過程中，由于鋼絲繩會嵌入到天輪車槽內，鋼絲繩除了會在與天輪接觸區(qū)域形成較大摩擦力之外，還會天輪的左上側、右上側及頂部等區(qū)域承受著較大的向下拉力，最終使得天輪出現了較為明顯的結構變形、局部開裂等失效現象，若匹配設計不合理，極容易使整個天輪系統(tǒng)運行出現癱瘓[5]。為此，有必要結合天輪的實際工況特點對其進行結構性能研究，以此提高天輪的結構強度，保障提升機的高效作業(yè)。

2 天輪結構分析模型建立

2.1 天輪三維模型建立

為進一步掌握JKMD5.7 型提升機中天輪在不同工況下的結構性能，采用了Solidworks 軟件，對其進行了三維模型建立。根據天輪的結構特點，其結構主要包括輪緣、鋼板、輪輻、輪轂等零件組成，故在軟件中建立了包括此些零件的的天輪結構。為保證在分析過程中天輪結構的分析準確性及速度，對天輪中的圓角、倒角、過渡圓弧等特征進行了模型簡化[6]，按照1∶1 模型比例，完成了天輪的三維模型建立，多個天輪零件組成的天輪組件如圖1 所示。

圖1 天輪組件三維模型圖

2.2 天輪仿真模型建立

將建立的天輪三維模型導入至ABAQUS 軟件中，對其進行仿真模型建立。由于天輪的實際使用材料為Q235 材料，故在軟件中將其材料設計為Q235材料。利用軟件中的智能網格劃分功能，采用SOLID186 實體單元類型，對模型進行了四面體網格劃分，劃分后的網格節(jié)點數為361 307 個，網格大小設計為10 mm，網格劃分的天輪模型如圖2 所示。另外，將天輪輪轂中與天輪軸接觸的區(qū)域設置為了剛性接觸，并將天輪中心進行了旋轉約束，并進行邊界固定。由此，完成了天輪的仿真分析模型的建立。此建模過程適用于當前現有天輪和優(yōu)化改進后新型天輪的模型建立，相關參數均為一致。

圖2 現有天輪網格劃分圖

3 天輪優(yōu)化前后結構性能對比分析

3.1 優(yōu)化前天輪結構變形分析

經過分析，得到了天輪結構的變形圖，如圖3 所示。由圖可知，天輪整體結構出現了較為明顯的扭曲現象，已從圓形發(fā)生扭曲變形，局部區(qū)域發(fā)生了較為明顯的結構變形，最大變形量為0.527 mm，發(fā)生在天輪的左上側、右上側及對應輪輻上，天輪的頂端變形量也相對較大，在天輪底部及其他區(qū)域變形量則相對較小。分析其原因為：天輪左右上側由于作用時直接與鋼絲繩進行接觸，是整個結構的主要承力點，而頂端也承受著一定的鋼絲繩拉力，致使天輪出現了不同程度的結構變形。由此可知，天輪的左右上側及頂端是整個結構的薄弱部位，一旦此區(qū)域出現了結構變形，將可能使得整個天輪組件發(fā)生結構扭曲癱瘓，無法進行正常作業(yè)，故需對其進行結構優(yōu)化改進設計。

圖3 現有天輪結構變形圖

3.2 天輪的優(yōu)化改進設計

根據對天輪的結構變形量分析，考慮從結構齒及輪輻數量等方面對天輪進行結構改進。首先確定了天輪輪輻數量為偶數，在現有天輪輪輻數量基礎上，減少2 根輪輻，并將輪輻的厚度增加2 mm，在輪緣與輪輻接觸位置增加一圈環(huán)形筋板，在保證天輪整體結構重量基礎上增加整個天輪圓形的支撐剛度，優(yōu)化升級后的天輪結構如圖4 所示。按照現有天輪的仿真模型建立方法，通過設計相同的約束條件，完成對改進后天輪的仿真模型建立。

圖4 新型天輪結構示意圖

3.3 優(yōu)化后天輪結構變形分析

經過仿真分析，得出了新型天輪的結構變形圖，如圖5 所示。圖為天輪結構變形放大2 倍的效果圖，可知改進后的天輪整體結構變形量有所降低，最大變形位移仍處在天輪的左右上側區(qū)域，天輪頂板的變形量也有所減小，最大變形量為0.455 mm。此規(guī)律與現有天輪的變形規(guī)律基本相同，與現有天輪結構變形量相比有所降低，鋼絲繩在與天輪相接觸區(qū)域將具有更高的作業(yè)安全性。由此，說明改進后的新型天輪具有更高的結構強度，更能滿足提升機現場作業(yè)需求。

圖5 新型天輪結構變形圖

4 結論

1）優(yōu)化前天輪的左上側、右上側及對應輪輻等區(qū)域發(fā)生了較大程度的結構變形，是整個結構的薄弱部位；

2）通過減少輪輻數量、增加輪輻厚度、在輪緣與輪輻接觸位置增加一圈環(huán)形筋板等措施，完成了新型天輪結構的優(yōu)化改進設計；

3）改進后的新型天輪具有更小的結構變形量，整體結構強度更高，在與鋼絲繩接觸作業(yè)時具有更高的安全性。