基于ANSYSWorkbench的卷筒受力分析

劉淑芬， 白恒， 楊勝

（遼寧工業大學，遼寧錦州121001）

0 引言

我國礦機提升機的研究從20世紀50年代開始，在工況與理論結合的指導思想下，礦機提升機制造業得到了快速發展。在理論力學與材料力學等知識的基礎上，研究者完成了提升機卷筒的外載荷及卷筒變形微分方程、筒殼的強度和卷筒筒殼的有限元等計算。隨著計算機的發展，ANSYS軟件能夠更好地解決這些問題。

如今，在以往的理論研究與分析基礎上，快速準確地完成新產品研發的初期階段設計與分析是企業所需要的。但是有些復雜裝配體模型在ANSYS中直接建模很困難，而ANSYSWorkbench與SolidWorks軟件銜接緊密，可以完美地導入復雜的裝配體模型，使分析過程大大簡化，提高了分析效率。

1 卷筒的關鍵尺寸與受力分析計算

1.1 卷筒的關鍵尺寸

礦機提升機初期設計雖然得到了較大的發展，但卷筒尺寸計算可參考的公式寥寥無幾，很多零部件尺寸來源于經驗，本文根據設計思路計算出主要零部件的尺寸。根據提升重物的重量、提升高度、鋼絲繩與卷筒的摩擦因數、鋼絲繩直徑和鋼絲繩纏繞圈數等因素［1］，確定支輪的直徑為3 m，支輪直徑與卷筒直徑相同，卷筒的寬度為1.5 m，其它零部件尺寸是根據多年的加工制造經驗和現場實際使用情況自行設定，因此有必要在設計初期快速進行有限元分析。

關鍵尺寸驗算，鋼絲繩最大直徑37 mm，鋼絲繩中的鋼絲的直徑2.4 mm，關鍵尺寸按照國家標準驗算，即井上提升時D/d≥80，D/d1≥1 200（《煤礦安全生產試行實行規程》1972年版）。所以 D/d=3 000/37=81.1，D/d=3 000/2.4=1 250，計算結果均符合規定。

1.2 受力分析計算

在進行有限元分析之前，需要分析卷筒受力情況并進行計算。由鋼絲繩的選取、提升容器的質量及提升高度可知鋼絲繩的最大靜拉力為130 kN，最大靜拉力差為80 kN。所采用公式為單元梁計算載荷公式［2］及文獻［3］中實驗總結的公式，分別為，q=q1×As及 Ns=1.145×Fe×S×e-0.009s。其中：r=1 500 mm；t=40 mm；AS=1.45；s=3；Fe=130 000 N。

2 卷筒的三維繪圖與有限元分析

2.1 卷筒三維模型的創建

根據上述的計算數據，采用SolidWorks軟件繪制模型。在裝配零部件完成裝配過程中，由于零部件很多，除了細心選取裝配方式，如同心、重合和距離等裝配方法外，在出現一個零件圍繞旋轉中心需要出現8次時，采用了局部圓周陣列方法。創建卷筒裝配圖如圖1所示。

2.2 有限元分析

將SolidWorks軟件中創建的模型導入ANSYS Workbench中。ANSYSWorkbench分析步驟為添加材料庫，添加模型材料屬性，劃分網格，施加約束和載荷，結果后處理［4］。在這些操作過程中需要注意3點：第一，在導入模型時，導入的是整個裝配體的二分之一，這是考慮到卷筒成軸對稱，取1/2后不會影響分析結果，反而節省了計算機的計算資源與時間。第二，在網格劃分時，采用多區域劃分法，選擇其中的Hexa Core（六面體-核心）。第三，在施加約束時，在對稱面上采用無摩擦約束，即Frictionless Support；在兩端采用位移約束，一端定位X、Y、Z位移為0，另一端則Y設為自由，其它方向為0。在以下過程中考慮了安裝木襯和未安裝木襯兩種情況，其分析結果如圖2（a）所示。圖2（a）顯示未安裝木襯時最大應力為301 MPa，圖2（b）顯示安裝木襯時最大應力為123 MPa。

改變支輪位置分析結果如圖3所示。

根據優化設計顯示的結果，可以去掉角鋼，與理論相符合，優化結果如圖4所示。

從分析結果可以總結以下幾點：1）ANSYS應力分析結果中，安裝木襯后應力小于Q345A的許用應力200MPa，因此證明木襯是卷筒關鍵零部件；2）加木襯雖然增加了重量，但能減少鋼絲繩與卷筒直接接觸而造成磨損，分析結果顯示應力由301MPa下降到123 MPa；3）優化結果顯示角鋼不受力，因此可以去掉，符合理論分析；4）改變支輪位置可以改變卷筒部件的應力分布規律，減小最大應力。

3 結語

本文在礦井提升機卷筒設計與分析過程中采用了準確、快速、簡捷的思想，設計過程中的每一部分內容都參考了諸多工程實例與多種相關的知識教材，綜合本設計特點一一確定具體設計步驟，如單元梁計算公式、受力計算公式、裝配體在ANSYSWorkbench中約束與分析等。本文找到了在計算與分析中所遇到的困難的最優解決辦法，為企業在今后設計大型卷筒提升機設計時在初期階段提供快速準確的設計方法與結論參考，使產品研發周期得以縮短。

［1］ 晉民杰，李自貴.礦井提升機械機［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［2］ 葛世榮.纏繞式礦井提升機卷筒的可靠性計算［J］.礦山機械，1988（8）.

［3］ 齊治國，張義舉，趙燦.建筑卷揚機設計［M］.北京：機械工業出版社，1996.

［4］ 凌桂龍，丁金濱，溫正.ANSYSWorkbench13.0從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2012.