礦井提升機(jī)主軸螺栓布置方式對(duì)其連接性能的影響分析

祁 冀

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大斗溝煤業(yè)公司， 山西 大同 037001）

0 引言

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，礦井提升機(jī)是連接礦井與地面的重要設(shè)備，對(duì)井下開(kāi)采所需的物質(zhì)及人員進(jìn)行上下輸送，對(duì)礦井的生產(chǎn)開(kāi)采具有重要的作用[1]。隨著煤層的開(kāi)采深度不斷增加，礦井提升機(jī)的運(yùn)輸載荷及運(yùn)輸距離也不斷增加，對(duì)提升機(jī)的提升能力及工作可靠性具有較高的要求。主軸裝置作為礦井提升機(jī)的核心部件，是礦井提升機(jī)運(yùn)行的主要承載構(gòu)件[2]，同時(shí)承受鋼絲繩的張力作用，主軸裝置連接的穩(wěn)定可靠性對(duì)礦井提升機(jī)的運(yùn)行具有重要的影響作用。礦井提升機(jī)主軸裝置采用螺栓的形式進(jìn)行主軸與夾板及摩擦輪的連接[3]，主軸裝置運(yùn)行過(guò)程中受到動(dòng)載及張力作用的影響，螺栓布置方式的不同對(duì)主軸裝置的性能具有不同的影響，從而對(duì)礦井提升機(jī)的運(yùn)行造成影響[4]。采用有限元仿真分析的形式對(duì)礦井提升機(jī)主軸連接裝置不同的螺栓布置方式時(shí)的性能進(jìn)行分析，從而選擇最優(yōu)的螺栓連接方式[5]，保證主軸裝置的穩(wěn)定可靠，為井下開(kāi)采提供了保障。

1 礦井提升機(jī)主軸螺栓布置方式的分析

主軸裝置作為礦井提升機(jī)重要的承載構(gòu)件，通過(guò)螺栓將主軸、夾板及摩擦輪連接在一起，承受電機(jī)的輸出扭矩及鋼絲繩產(chǎn)生的張力作用。主軸裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主軸裝置的連接螺栓的布置形式對(duì)主軸結(jié)構(gòu)的性能研究及使用具有重要的影響[6]。主軸裝置中螺栓連接的主要承載構(gòu)件為圓環(huán)形的連接板，連接板在厚度上的尺寸要遠(yuǎn)小于另外兩個(gè)方向上的尺寸，因此可將主軸連接性能的分析轉(zhuǎn)化為二維的問(wèn)題進(jìn)行分析[7]，基于薄板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同螺栓布置的性能研究。

圖1 提升機(jī)主軸連接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

不同的螺栓布置方式對(duì)主軸連接裝置的性能造成的影響進(jìn)行分析，以不同螺栓孔的布置方式下連接板產(chǎn)生的應(yīng)力及位移變形作為評(píng)價(jià)的依據(jù)[8]。以某礦井開(kāi)采使用的提升機(jī)為例，其摩擦輪的直徑為4 m，提升鋼絲繩的最大張力作用為200 kN，系統(tǒng)的動(dòng)載荷系數(shù)為1.7，主軸連接裝置承受的最大扭矩值為680 kN·m，主軸連接裝置使用的圓環(huán)形夾板的結(jié)構(gòu)尺寸為外徑0.6 m、內(nèi)徑0.35 m，圓板的厚度為0.04 m。主軸連接螺栓的材質(zhì)為40B 鋼，公稱直徑為38 mm，則設(shè)計(jì)連接螺栓的應(yīng)力[σ]計(jì)算公式為[9]：

式中：σs為螺栓的屈服強(qiáng)度；η1為螺栓連接的復(fù)合應(yīng)力系數(shù)，采用三角螺紋連接時(shí)取1.2；η2為連接過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力損失系數(shù)，取1.05；η3為施工過(guò)程中產(chǎn)生的誤差系數(shù)，取1.15；η4為螺栓使用材質(zhì)的均質(zhì)系數(shù)，取為1。

主軸裝置連接過(guò)程中，連接圓環(huán)形夾板與被連接板之間的等強(qiáng)度關(guān)系公式如為[10]：

式中：nb為連接所需螺栓的數(shù)目；mb為相互摩擦的面數(shù)，取2；FN為使用螺栓的設(shè)計(jì)預(yù)緊力，取48～200 N；T為圓環(huán)形夾板承受的最大扭矩理論值，取187 kN·m；fb為連接面之間的摩擦系數(shù)，取0.45；Ks為系統(tǒng)的防滑系數(shù)，取1.2；R 為螺栓連接布置時(shí)的等效半徑，主軸裝置的圓環(huán)形夾板連接摩擦輪及主軸的法蘭，在圓周方向上布置有兩排螺栓孔，等效半徑取為兩排連接螺栓孔半徑的平均值進(jìn)行分析。

通過(guò)上述的計(jì)算分析可知，圓環(huán)形夾板的螺栓連接最小組數(shù)為6 組，螺栓之間的布置具有一定的間距，兩螺栓的中心距最小為3 倍的螺栓孔徑，則在圓周方向上最大可布置的螺栓組數(shù)為14 組。為了便于圓環(huán)形夾板的設(shè)計(jì)及加工，采用偶數(shù)連接的螺栓布置，則可選擇連接螺栓的布置方式分別為6 組、8 組、10 組、12 組及14 組[11]，由此對(duì)不同的螺栓布置方式對(duì)圓環(huán)形夾板產(chǎn)生的應(yīng)力作用進(jìn)行分析。

在三維建模軟件中分別建立不同連接螺栓時(shí)圓環(huán)形夾板的模型，并導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理[12]，設(shè)定圓環(huán)形夾板的材質(zhì)為合金鋼16Mn，其彈性模量為208 GPa、泊松比為0.3、屈服強(qiáng)度為345 MPa、密度為7 800 kg/m3，設(shè)定夾板的一面為固定約束，對(duì)其進(jìn)行載荷的施加，對(duì)不同螺栓孔布置的應(yīng)力進(jìn)行分析。

2 礦井提升機(jī)主軸螺栓布置方式的性能分析

采用有限元分析的形式對(duì)五種不同的螺栓布置方式下圓環(huán)形夾板的應(yīng)力進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)ANSYS 模擬分析得到螺栓組數(shù)為6 組時(shí)的夾板得到應(yīng)力分布如圖2 所示。從圖2 中可以看到，此時(shí)圓環(huán)形夾板受到的最大應(yīng)力作用為26.7 MPa。同理對(duì)其他螺栓組數(shù)的圓環(huán)形夾板的應(yīng)力進(jìn)行分析，并對(duì)其最大應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到圓環(huán)形夾板的最大應(yīng)力隨螺栓組數(shù)變化的分布如圖3 所示。

圖2 6 組連接螺栓時(shí)夾板應(yīng)力分布圖

圖3 圓環(huán)形夾板最大應(yīng)力值隨螺栓數(shù)量的變化曲線

從圖3 中可以看出，隨著連接螺栓數(shù)量的增加，則圓環(huán)形夾板受到的最大應(yīng)力值呈明顯的下降趨勢(shì)，對(duì)夾板的應(yīng)力分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力的位置處在兩組螺栓之間的區(qū)域，夾板受到的最大應(yīng)力值小于材料的屈服極限，且具有較大的安全系數(shù)，滿足主軸裝置連接的強(qiáng)度需求。對(duì)圓環(huán)形夾板不同螺栓連接時(shí)產(chǎn)生的位移進(jìn)行分析，得到夾板產(chǎn)生的最大位移變化曲線如圖4 所示。

圖4 圓環(huán)形夾板最大位移量隨螺栓數(shù)量的變化曲線

從圖4 中可以看出，隨著連接螺栓數(shù)量的增加，則圓環(huán)形夾板產(chǎn)生的最大位移值也逐漸下降，當(dāng)螺栓連接為14 組時(shí)，產(chǎn)生的最大位移值為4.5 mm，對(duì)于主軸裝置的整體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，夾板的位移量較小，滿足系統(tǒng)的強(qiáng)度需求。

通過(guò)上述的分析可知，在提升機(jī)主軸裝置的連接結(jié)構(gòu)中，螺栓連接的數(shù)量越多，則主軸連接夾板受到的最大應(yīng)力值最小，同時(shí)產(chǎn)生的最大位移量也最小。由此可知，在保證螺栓具有足夠的拆裝空間時(shí)選取的連接螺栓的數(shù)量越多越好，有利于改善主軸裝置的性能，保證主軸連接的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

礦井提升機(jī)是煤礦進(jìn)行開(kāi)采重要的輸送設(shè)備，對(duì)煤礦生產(chǎn)的物質(zhì)及人員進(jìn)行輸送，保證煤礦的正常有序開(kāi)采。主軸裝置作為提升機(jī)重要的承載構(gòu)件，其承載性能對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行具有重要的影響。針對(duì)主軸裝置的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定其連接螺栓可采用的布置數(shù)量及結(jié)構(gòu)形式，采用有限元仿真分析的形式對(duì)不同連接螺栓布置時(shí)的性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，主軸裝置連接采用的螺栓數(shù)量越多，則連接夾板受到的應(yīng)力作用最小，且產(chǎn)生的位移量也最小，滿足系統(tǒng)運(yùn)行的需求，有利于提高主軸的承載性能，提高提升機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性，為煤礦的生產(chǎn)開(kāi)采提供保障。