基于I－DEAS 的提升機主軸裝置及卷筒有限元分析計算

王 宇，周立波，林永龍

(1.吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學院，吉林 吉林 132021;2.一汽吉林汽車有限公司，吉林 吉林 132013)

0 前言

礦井提升機是采礦行業(yè)的重要設備，作為地表與井下聯(lián)系的紐帶，其任務是升降人員、運送物料等。礦井提升機運行的安全可靠性與技術(shù)性能情況，對礦山生產(chǎn)會造成很大的影響。

主軸裝置是礦井提升機的主要部件，其結(jié)構(gòu)與所受載荷情況較為復雜。設計過程中準確而快速地確定工作時的實際受力狀態(tài)和一些重要的設計參數(shù)，以便對其進行正確、全面評估。

傳統(tǒng)以手工計算為主對主軸裝置設計計算的方法，不但費時、費力，而且結(jié)果也不夠準確，很難滿足設計要求。隨著計算機軟、硬件的不斷升級，運用有限元法對提升機主軸裝置進行設計計算也得到了空前的發(fā)展。文中以某型提升機主軸裝置為例，利用I－DEAS 軟件分別對其主軸與卷筒建立計算模型，進行有限元分析計算，并通過提升機載荷測試說明計算模型的合理性與分析結(jié)果的可靠性，為保證整體提升系統(tǒng)的安全可靠運轉(zhuǎn)提供理論依據(jù)。

1 主軸的有限元分析計算

1.1 建立計算模型

主軸是提升機的主要承載部件，齒輪聯(lián)軸器、卷筒等部件都安裝其上。主軸在傳遞動力的同時把所有負載作用于地基，如果主軸出現(xiàn)問題，那么整個提升系統(tǒng)運行的安全性就會受到影響，因此，對提升機主軸進行設計計算十分有必要。

在I－DEAS 軟件中對提升機主軸進行實體建模，在不失實際結(jié)構(gòu)力學特性的基礎(chǔ)上忽略對分析計算影響較小的如小孔等局部細節(jié)特征，根據(jù)圖紙建立起提升機主軸的實體模型，經(jīng)過網(wǎng)格劃分，為分析計算做好準備，圖1為主軸的實體模型圖與網(wǎng)格圖。

圖1 主軸實體模型圖與網(wǎng)格圖Fig.1 Entity model and grid diagram of principal axis

1.2 載荷分析

以空載情況、正常情況與極限狀態(tài)三種工況對主軸進行分析計算，空載時主軸不承受扭轉(zhuǎn)作用，而在卷筒兩邊的擋板和主軸互相接觸的地方存在有對主軸外表面作用的正壓力。其他兩種情況，除了正壓力外，主軸還承受由電動機運轉(zhuǎn)引起的扭矩。

對模型具體施加載荷時，為了達到與主軸真實受力效果一致，采取把旋轉(zhuǎn)力加載于主軸右端外表面，并對圓盤端面施加約束而形成等效扭矩力等一系列操作，進而對主軸所受載荷進行等效處理。

1.3 約束情況

為了真實地反映實際情況，在主軸圓盤端面施加沿軸向移動約束以及限制沿軸旋轉(zhuǎn)自由度，同時限制沿徑向移動自由度于軸承支撐主軸處施加。

1.4 計算結(jié)果及分析

在I－DEAS 軟件模型求解模塊中對主軸進行有限元分析計算，計算結(jié)果見表1，圖2～圖4為主軸極限工況的結(jié)果圖示。

通過計算結(jié)果可看出:①電動機與主軸連接的一端受扭轉(zhuǎn)力的作用而產(chǎn)生很大的位移;②應力集中在主軸與卷筒連接圓盤根部極易形成，為使應力集中有所減少，在根部應適量增大倒角或采取加厚處理。

表1 主軸分析計算結(jié)果Tab.1 Analyzed and calculated results principal axis

2 卷筒的有限元分析計算

2.1 建立計算模型

卷筒的重量和體積都很大，也是提升機的重要部件，擔負著動力傳遞與提升的任務，因此必須具備足夠的強度，卷筒的有限元分析計算對于提升機的設計成本和制造工藝都具有很重要的意義。

在忽略對分析計算結(jié)果影響不大的細節(jié)特征基礎(chǔ)上建立了卷筒的實體模型，由于卷筒殼較薄，劃分實體網(wǎng)格單元很小，從而單元數(shù)量巨大，導致計算難以進行，所以建立模型時把卷筒簡化為薄殼形式，圖5為卷筒的實體模型及網(wǎng)格圖。

圖5 卷筒實體模型圖與網(wǎng)格圖Fig.5 Entity model and grid diagram of drum

2.2 載荷分析

同樣按三種工況分析計算卷筒載荷。空載時卷筒不受扭轉(zhuǎn)作用，其外表面承受繩作用的正壓力。其他兩種情況，除了正壓力外，卷筒還受有扭轉(zhuǎn)力。

施加載荷時，采取把旋轉(zhuǎn)力加載于卷筒外殼、并對主軸與卷筒連接的圓盤端面施加約束而形成等效扭矩力，完成把卷筒表面的力均布在外殼180°范圍內(nèi)等一系列操作，對卷筒所受載荷等效處理。

2.3 約束情況

根據(jù)實際情況，在卷筒圓盤端面施加沿軸向移動約束以及限制沿軸旋轉(zhuǎn)自由度，同時限制沿徑向移動自由度在主軸與左右擋板接觸處施加。

2.4 計算結(jié)果及分析

在I－DEAS 軟件模型求解模塊中對卷筒進行有限元分析計算，計算結(jié)果見表2，圖6～圖8為卷筒極限工況的結(jié)果圖示。

表2 卷筒分析計算結(jié)果Tab.2 Analyzed and calculated results of drum

通過分析計算結(jié)果可看出:①卷筒外殼作為薄殼處理，應力最大處位于主軸與左擋板接觸的上下表面，為使應力集中有所減小，在實際設計時應加厚此處;②實際工作時，繩對卷筒外殼的作用力并非均布，有些位置會大于均布受力而使這些地方的應力大于計算結(jié)果。

圖8 卷筒極限工況應變能圖Fig.8 Strain diagram of drum in limiting operating state

3 計算結(jié)果與測試值對比分析

為了驗證主軸裝置及卷筒的分析計算結(jié)果，在生產(chǎn)廠家進行了提升機載荷測試，分別在左右擋板與主軸接觸段、主軸同電機連接端、卷筒外殼左上部、卷筒左端下部各取測試點1 測試其變形結(jié)果，現(xiàn)場測試結(jié)果與分析計算結(jié)果對比見表3。

表3 測試結(jié)果與計算結(jié)果對比Tab.3 Contrast between testing results and calculated results

通過表3 可看出，載荷測試結(jié)果與分析計算結(jié)果基本一致，說明建立的計算模型比較合理、邊界條件處理恰當、分析結(jié)果詳實可靠，完全符合提升機的實際工作情況。

4 結(jié)束語

采用有限元法對提升機主軸裝置進行分析計算，能夠直觀、準確地得到主軸及卷筒各部分應力、應變等參數(shù)的分布情況，克服了傳統(tǒng)計算方法的缺點，極大地提高了設計精度與效率，為礦井提升機的結(jié)構(gòu)改進與使用提供了必要的理論依據(jù)。

［1］張朝暉主編.ANSYS 工程應用范例入門與提高［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［2］何萬庫，游俊紅.基于ANSYS 的礦井提升機摩擦輪強度研究［J］.起重運輸機械，2007(6):56－59.

［3］季曄，賈現(xiàn)召，張步斌，等.提升機主軸裝置有限元數(shù)值模擬［J］.煤礦機械，2007，28(7):32－34.

［4］王久鳳，徐桂云，朱家洲，等.基于PRO/E 的提升機主軸參數(shù)化設計及ANSYS 有限元分析［J］.煤礦機械，2008，29(12):78－80.

［5］陳器，黃鋒，梁開謐.有限元法在多繩摩擦式提升機主軸過盈裝配中的應用［J］.礦山機械，2012(5).

［6］黃崇君，黃崗，李大彬.基于Visual Basic 編程的五缸液氮泵主軸強度校核［J］.石油礦場機械，2012(4).

［7］柴俊峰，賈耀曾，張超凡，等.基于ANSYS WORKBENCH 的多繩摩擦式提升機主軸有限元分析［J］.礦山機械，2011(4).

［8］魏勇，彭新榮，鄔向偉.基于COSMOSWorks 的提升機主軸裝置有限元模態(tài)分析［J］.礦山機械，2012(3).

［9］晉民杰，馮振華，郭空斐.基于實值編碼遺傳算法的提升機主軸裝置優(yōu)化［J］.礦山機械，2012(8).