單軌電機車起重裝置模擬研究

郭興旺

（潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西 長治 046102）

單軌吊作為一種煤礦井下輔助運輸設備，能夠有效處理輔助運輸系統(tǒng)中出現(xiàn)的多種問題，特別是當巷道系統(tǒng)復雜不易改造，而巷道頂板圍巖巖性穩(wěn)定時，其優(yōu)勢更加明顯[1-4]。我國單軌電機車起步時間較晚，尚未形成完整的產(chǎn)品線，在礦井實際應用中，電機車關(guān)鍵部件易出現(xiàn)質(zhì)量參差不齊的情況[5-6]。常村煤礦自20 世紀90年代使用單軌吊進行輔助運輸，已初步形成一套完整的單軌吊輔助運輸系統(tǒng)，其中柴油機單軌吊負責重載和大坡度物料運輸，蓄電池單軌吊負責小型物料運輸。但在礦井實際應用中，蓄電池單軌吊起重裝置易發(fā)生破壞，承重銷易發(fā)生變形。本文根據(jù)礦井實際條件，對起重裝置承重銷進行設計改進，以提高機車的運行能力。

1 起重裝置概況

單軌電機車起重裝置依據(jù)是否包含電機可分為有驅(qū)起重裝置和無驅(qū)起重裝置。無驅(qū)起重裝置相較于有驅(qū)起重裝置，起重載重小，發(fā)生承重銷斷裂破壞的概率較小，因此本文主要研究有驅(qū)起重裝置，具體三維模型如圖1所示。起重箱體起重大型設備時，主要通過承重銷和起吊梁連接，因此需要對兩者進行研究分析。為了方便研究分析，對起重裝置進行簡化，如圖2所示。

圖1 有驅(qū)起重裝置三維

圖2 有驅(qū)起重裝置簡化模型

2 起重裝置模擬分析

2.1 網(wǎng)格模型建立

本文首先利用solidworks 進行三維模型設計，然后導入ANSYS Workbench 進行網(wǎng)格劃分，獲得有限元模型如圖3所示，模型采用solid185 單元結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格尺寸2.5 mm，模型網(wǎng)格數(shù)478 976 個，節(jié)點數(shù)891 171 個。模型選用Q235 鋼，密度7 860 kg/m3，彈性模量212 GP，泊松比0.288，屈服強度235 MPa。結(jié)合礦井實際條件，在承重銷上作用4.5 t 的作用力，方向向下。

圖3 有驅(qū)起重裝置有限元模型

2.2 起重裝置模擬分析

通過模擬分析獲得的應力和應變云圖如圖4、圖5所示。圖中起重裝置承重銷和橫銷結(jié)合處受力最大，應力值為175.56 MPa，且該處發(fā)生最大變形，約0.04 mm，基于前述橫銷材料，實際工況中起重裝置安全系數(shù)為1.5，則承重銷許用應力約為156.67 MPa，小于該承重銷最大應力175.56 MPa，因此承重銷將發(fā)生破壞，需進行設計改進。

圖4 有驅(qū)起重裝置應力云圖

圖5 有驅(qū)起重裝置應變云圖

2.3 結(jié)構(gòu)改進

基于前述模擬結(jié)果，考慮經(jīng)濟成本，本文對有驅(qū)起重裝置進行設計改進。起重裝置上部不變，下部增加承重板替換起重銷，同時板中預留孔可方便起吊梁插入，在機車轉(zhuǎn)彎時可允許起吊梁發(fā)生小幅轉(zhuǎn)動。承重板通過承重銷固定于起重裝置下方，因此其可上下轉(zhuǎn)動，減少機車上下坡發(fā)生剛性碰撞的可能。

基于圖6中模型，進行有限元模型建立，模型邊界條件及材料同于圖3有限元模型，通過模擬獲得應力云圖如圖7所示，和應變云圖如圖8所示。

圖6 結(jié)構(gòu)改進后有驅(qū)起重裝置三維模型

分析圖7和圖8可知，起重裝置受力最大位置為承重板預留孔和承重板軸位置，最大應力值為98.125 MPa。由于改進前后材料相同，因此改進后零件許用應力為156.67 MPa，大于最大應力值，同時該位置發(fā)生最大變形，為0.07 mm，說明改進后起重裝置能夠滿足使用需求，故設計合理。

圖7 結(jié)構(gòu)改進后有驅(qū)起重裝置應力云圖

圖8 結(jié)構(gòu)改進后有驅(qū)起重裝置應變云圖

為進一步確定改進后的起重裝置承受的最大重力，模型逐漸提高施加壓力，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 不同施加壓力下的應力及應變變化

分析表1可知，隨著施加應力的增加，應力和應變逐漸增大，當施加壓力增加值1.70 MPa 時，最大應力值為148.64 MPa，變形0.108 mm，均在合理范圍內(nèi)，說明改進后起重裝置能夠?qū)崿F(xiàn)提高設備承載能力，并提高機車上下坡及轉(zhuǎn)彎中的靈活度。

3 試驗分析

為進一步分析設計優(yōu)化后的無驅(qū)起重裝置的承載能力，本文進行無驅(qū)懸掛裝置承載能力研究，實物如圖9所示。模型分別進行6 組（個）模型進行極限承載能力研究，分別獲得6 組（個）模型承載最大應力值145.32 MPa，146.65 MPa，145.79 MPa，146.06 MPa，146.15 MPa，145.98 MPa，平 均145.99 MPa，對應變形0.081 mm，0.098 mm，0.085 mm，0.092 mm，0.094 mm，0.090 mm，平均0.09 mm，與模擬最大應力值和變形相差不大，說明設計優(yōu)化后，單軌電機車起重裝置能夠滿足實際生產(chǎn)需求。

圖9 無驅(qū)懸掛裝置實物

4 結(jié)語

通過對礦井單軌電機車有驅(qū)起重裝置進行模擬分析，確定礦井當前材質(zhì)下承重銷強度不符工況極限使用條件。通過結(jié)構(gòu)改進，將承重銷轉(zhuǎn)換為承重板后，實現(xiàn)了變形條件可控，起重裝置承載能力提高約51.78%，并提高了單軌電機車上下坡及轉(zhuǎn)彎中的靈活度，增強了電機車的適用性。