基于HyperWorks的礦井提升機卷筒人孔優化分析

胡捷，鄒中妃，陳躍威，何雪，曹紀超

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

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基于HyperWorks的礦井提升機卷筒人孔優化分析

胡捷，鄒中妃，陳躍威，何雪，曹紀超

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：針對礦井提升機卷筒輻板人孔周邊處易產生應力集中的現象，以HyperWorks為平臺，分析其人孔形狀、數目對卷筒整體應力及人孔周邊應力的影響，并優化結構參數。分析結果表明，人孔形狀及數目對卷筒整體應力、應變影響不大，對人孔周邊應力影響較明顯,優化后人孔周邊最大應力為129.6 MPa，比原來減少40%。為解決因人孔周邊應力集中而導致卷筒開裂的問題提供了可行方法。

關鍵詞:礦井提升機卷筒人孔結構參數應力集中HyperWorks

0引言

提升機是礦井運輸中的“咽喉設備”，是礦井系統中非常關鍵和重大的一部分，它的狀況如何，直接關系到人員的安全和生產的正常進行[1]。而作為其中典型的單繩纏繞式礦井提升機是出現較早、在我國使用最多的一種類型，但在實際應用中仍存在一些問題，其中比較常見的是因應力集中而導致的卷筒輻板腰型人孔處開裂。工程實際中針對此故障一般采用將人孔周邊重新磨光，并沿內孔周邊焊上一圈加強板的方法，這種方法實用性較強，但無法從源頭上解決問題，成本較高，也往往會加速疲勞破壞，造成二次開裂[2-3]。

1卷筒有限元分析

1.1三維建模及網格劃分

本文針對國內某廠家生產的2JK-5型提升機固定卷筒進行優化分析，在三維建模軟件SolidWorks中建立幾何模型，如圖1所示。在Hypermesh中導入其三維幾何模型，抽取中面并做幾何清理，完成其網格的劃分，效果如圖2。

圖1　卷筒幾何模型　　　　圖2　網格劃分效果

1.2設置材料以及屬性

卷筒為薄壁焊接結構，卷筒材料屬性：彈性模量E為205 GPa，泊松比為0.3，密度為6.81 g/cm3，屈服極限為334 MPa。各板數值如表1。

表1　各板厚度值

1.3約束和載荷施加

卷筒一端施加固定約束，另一端y、z向約束，可有一定徑向位移。施加載荷時，假設鋼絲繩纏滿三層，鋼絲繩對卷筒產生一個徑向壓縮力，將其轉化為作用于筒殼上的均布載荷；擋繩板受到集中力均布在每個節點上[4]。

1.4結果

在HyperView中查看卷筒，輻板等效應力云圖分別如圖3、圖4所示，可以看到輻板腰型人孔邊緣存在應力集中現象，最大等效應力為216.303 MPa。

圖3　卷筒等效應力圖　　　圖4　輻板等效應力圖

2卷筒人孔優化分析

2.1腰型孔和圓孔的對比分析

針對腰型人孔邊緣存在較大應力集中，容易產生疲勞失效而導致卷筒開裂的問題，進行優化分析。在約束和載荷的施加方式仍一樣的情況下，改變人形孔形狀為圓形，人孔數目不變，并對比多組不同人孔距中心距數據，提高分析可靠性[5]。得不同情況分析結果如圖5-圖10，其數據如表2。

圖5　D=3 200(腰型孔)　　　圖6　D=3 200(圓形孔)

圖7　D=3 275(腰型孔原結構)　　圖8　D=3 275(圓形孔)

圖9　D=3 350(腰型孔)　　圖10　D=3 350(圓形孔)

表2　關鍵位置等效應力及位移值

結果表明：人孔形狀改變對整體的影響不大，但對人孔周邊的最大應力值有較明顯的改變，且圓形人孔效果比腰形圓孔好。

2.2圓形人孔距卷筒中心距對比分析

在分析中心距對卷筒等效應力的影響時，取等效應力分布效果更好的圓形人孔作為分析基準，通過改變圓形人孔到卷筒中心的距離，得到分析結果如圖11-圖12，具體數據如表3。

表3　關鍵位置等效應力及位移值

圖11　D=3 100(圓形孔)　　圖12　D=3 500(圓形孔)

結果表明，中心距的改變對卷筒整體等效應力影響不大，但對人孔邊緣最大等效應力值影響較明顯。

2.3圓孔數目對比分析

取圓形人孔到卷筒中心的中心距D=3 100 mm，對其人孔數目進行分析，設置人孔數目分別為2,4,6,8個，其他條件不變，得到等效應力分別如圖13-16，具體數據如表4。

圖13　2孔　　　　　　　　圖14　4孔

圖15　6孔　　　　　　　　圖16　8孔

表4　關鍵位置等效應力及位移值

圓形人孔數目對整體應力情況影響不大，但能改善人孔周邊最大等效應力值。人孔數目4孔效果最優，但6孔時人孔周邊最大等效應力值與4孔時相差不大，而6孔更加節省材料，節約成本，故幅板上布置6孔較為合理。

3結論

本文通過HyperWorks對礦井提升機卷筒人孔進行優化分析，得出以下主要結論：

1)人孔形狀、人孔到卷筒中心距以及人孔數目的改變對卷筒整體等效應力影響不大，但對人孔周邊等效應力影響較大，同一中心距下圓形人孔邊緣最大應力值低于腰型人孔；同一人孔形狀下，人孔邊緣最大等效應力隨中心距的減少而減少，且值趨于均勻分布； 圓形人孔數目6孔較為合理。

2)優化后卷筒輻板人孔邊緣最大等效應力值變為129.6 MPa，減少了40%，減輕了應力集中現象，為解決人孔開裂問題提供了有效的方法。

參考文獻

[1]晉民杰，李自貴.礦井提升機械[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]李長軍，朱春學，范占峰.纏繞式提升機筒殼崩裂的原因分析及對策[J].煤礦機械,2004,5(5):125-126.

[3]許燕，徐靜，李玉剛，李淑奇.礦用螺旋式鉆桿的疲勞應力分析[J].現代機械，2014(1)45-46.

[4]李毅. 單繩雙筒纏繞式提升機有限元分析及機械結構優化設計[D].重慶大學，2009.

[5]季曄,賈現召,張步斌,霍玉玲.提升機主軸裝置有限元數值模擬[J]. 煤礦機械，2015.28(7)：32-34.

Optimization and analysis of mine hoist drum manhole based on HyperWorks

HU Jie，ZOU Zhongfei，CHEN Yuewei，HE Xue，CAO Jichao

Abstract:Aiming at the problem that stress concentration appears in the surrounding of the manhole of hoist drum, based on HyperWorks platform, this paper analyzes the impact of the manhole’s shape and number on the overall stress of the drum and the stress in the surrounding of the manhole, and then optimizes the structure parameters. The analysis results show that the shape and number of manhole don’t have obvious influence on the overall stress and strain of the drum, while influence on the stress surrounding the manhole is apparent. After the optimization, the maximum stress surrounding the manhole is 129.6 MPa, 40% less than the original. The study provides a feasible method to solve the problem of drum cracking caused by stress concentration surrounding the manhole.

Keywords:mine hoist；drum manhole; structure parameters; stress concentration；HyperWorks

收稿日期：2015-08-24

作者簡介：胡捷(1990-)，男，湖南婁底人，碩士研究生，專業：機械制造及自動化，方向：有限元分析。

中圖分類號：TD4

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0046-03