調(diào)度絞車滾筒的設(shè)計與有限元分析

周穎

摘要：礦用調(diào)度絞車主要用于礦井井下及地面裝載調(diào)度編組礦車、中間巷道中拖運礦車及其他輔助搬運工作，還運用在斜巷提升、井口裝罐及作翻機動力。本文對調(diào)度絞車中的滾筒進行設(shè)計，并進行了有限元分析。

關(guān)鍵詞：調(diào)度絞車；滾筒；有限元

1 滾筒各個參數(shù)的確定

根據(jù)公式 確定滾筒的直徑，式中 為鋼絲繩直徑，取 ，則 ，取 ，根據(jù)滾筒的直徑 和鋼絲繩的直徑12.5mm，取纏繞層數(shù)為14層，計算各層鋼絲繩的周長如表1：

要實現(xiàn)300m的容繩量，則需要的圈數(shù)為：300/13.243=22.65圈，圈數(shù)取整為24圈，則容繩量為24×13.243=317.8m>300m，故能滿足容繩量的要求。此時，滾筒鋼絲繩的深度為14×12.5=175mm，滾筒大徑要在最外層鋼絲繩上放寬一個裕度。裕度值為：4×12.5=50mm，則滾筒外徑

滾筒寬度： 。滾筒厚度 ，取

2 滾筒體的有限元分析

2.1滾筒體的靜態(tài)分析

1）材料的選擇

材料選擇：根據(jù)滾筒當前的工作條件和加工成本的考慮，滾筒體材料采用Q235-A，彈性模量為2.06e5MPa，泊松比為 =0.30，許用應(yīng)力為65MPa。

2）網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格的劃分對于有限元模型的分析至關(guān)重要，網(wǎng)格劃分的數(shù)目和形狀直接影響計算的速度和分析結(jié)果的精度。滾筒形狀規(guī)則，厚度均勻，可采用SolidWorks的實體單元進行網(wǎng)格的劃分。劃分結(jié)果見圖1：

3）滾筒的約束

傳動滾筒與端蓋裝配體共有六個方向的自由度，分別是裝配體三個方向的移動和3個方向的轉(zhuǎn)動。本文位移約束選擇“固定鉸鏈”，附加在滾筒體兩端端蓋的軸承孔的內(nèi)表面，只保留滾筒體繞軸線轉(zhuǎn)動的自由度[34]。

4）力的加載

繩子均勻繞在滾筒上，可以把繩子的拉力載荷等效為滾筒體圓周面上的均布載荷。施加的面載荷計算如下：

5）有限元的分析結(jié)果如圖3所示

滾筒的強度、剛度校核

（1）強度校核

帶入數(shù)值得到 =0.157mm，由滾筒位移分布云圖知，滾筒最大位移 為0.00148mm。所以 < ，完全符合剛度要求。

2.2 滾筒體的模態(tài)分析

模態(tài)分析主要是分析滾筒動態(tài)特性的一種方法[35]。此處主要是確定滾筒的固有振動特性，即固有頻率和模態(tài)振型。通過模態(tài)分析可知滾筒在此頻段內(nèi)在震源的作用下產(chǎn)生的實際振動響應(yīng)。

1）滾筒網(wǎng)格劃分及位移約束

參照前面的靜態(tài)分析，仍采用SoildWorks單元實體網(wǎng)格進行劃分。滾筒體兩端端蓋的軸承孔的內(nèi)表面進行約束。

2）模態(tài)分析結(jié)果

通過有限元法的分析得到固有頻率和振型，我們主要對前五階進行分析。

根據(jù)以上分析結(jié)果可以得到每一階的固有頻率和振型，根據(jù)公式 =60f，可以得到每一階的臨界轉(zhuǎn)速。其結(jié)果見表2。

從表中分析可知前五階的臨界轉(zhuǎn)速都達了兩萬轉(zhuǎn)以上，引起滾筒體共振的最低臨轉(zhuǎn)速為22012 r/min。本設(shè)計中，滾筒的最大轉(zhuǎn)速根據(jù)繩速計算可得到。繩速的最大值為1.2m /s，滾筒直徑220mm，

根據(jù)公式 V=πdn /1000 （2-3）

計算可知本設(shè)計中滾筒體的最高轉(zhuǎn)速為102r/min，遠遠低于引起共振的最低臨界轉(zhuǎn)速。故在運行過程中，滾筒體不會發(fā)生共振。

3 結(jié)論

對調(diào)度絞車的滾筒進行了設(shè)計，用三維建模solidworks建立了實體模型，校核了滾筒的強度和剛度，并運用solidworks軟件中的similation模塊對滾筒進行靜態(tài)和模態(tài)分析，確定了滾筒體的剛度和強度滿足要求，并且在運行過程中，滾筒體不會發(fā)生共振，為調(diào)度絞車的設(shè)計提供了參考。