鋼帶加硅橡膠式過卷緩沖元件力學分析

尹中會，鄒莉君，吳曉東

(安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232000)

煤炭行業如今的發展趨勢對礦山開采運輸和提升設備都提出了更高的要求，隨著立井提升系統在礦井提升系統的大量使用，立井提升系統隨之成為礦山安全高效生產的核心部件。礦井提升系統的安全不僅影響到生產效率，更關乎員工的生命安全[1-3]。雖然礦井提升系統中設有多道機械制動裝置和多種電氣設備保護，但過卷事故仍時有發生[4]，為保證礦井提升系統的安全，根據《煤礦安全規程》規定“在過卷高度或過放距離內，應安設性能可靠的緩沖裝置。緩沖裝置應能將全速過卷(過放)的容器或平衡錘平穩地停住；并保證不再反向下滑(或反彈)”[5]。目前礦井中在用的過卷緩沖裝置類型繁多，常用的緩沖器有木制模形罐道、塑性變形緩沖器、液壓式緩沖器、摩擦式緩沖器及一些藕合的緩沖器和新型緩沖器等[6，7]，還有很多新型的緩沖裝置也在研制并使用，國外內對提升系統過卷保護裝置的研究一直處于不斷的探索中，過卷保護裝置也在不斷的得到改善[8，9]，但仍或多或少的存在著缺陷與不足。目前在立井提升系統中多使用鋼帶式塑性變形緩沖器，但鋼帶在受到高速沖擊時被拉長變細，容易斷裂，可能會引發鋼絲繩被拉斷和墜罐事故[10]。針對這一問題，筆者在《鋼帶加硅橡膠式過卷緩沖裝置的性能分析》中提出將緩沖元件鋼帶換成由鋼帶和硅橡膠組合成的緩沖元件，利用硅橡膠具有緩沖、吸振的能力[11]，提高緩沖元件的力學性能，但對鋼帶和硅橡膠組合方式沒有做進一步的研究，本文將具體探究在鋼帶厚度不變時，硅橡膠的厚度及所在的位置對緩沖元件的力學性能的影響。

1 過卷緩沖裝置工作原理和緩沖元件的受力分析

1.1 過卷緩沖裝置工作原理

過卷緩沖裝置結構如圖1所示[12]，緩沖元件結構如圖2所示。

1—套柱；2—橫梁；3—逆止鎖舌；4—緩沖元件；5—滑柱；6—壓輥組；7—曲軌

圖2 緩沖元件圖

圖1中，過卷緩沖裝置中的套柱固聯在所安裝位置的井架或平臺上，滑柱與橫梁連接。當發生過卷時，提升容器撞擊橫梁并帶動橫梁向上運動，滑柱與壓輥組也會隨之向上運動，壓輥組中的動輥在曲軌的作用下向里運動，使緩沖元件產生“S”型變形[13，14]。利用緩沖元件的彎曲變形做功和摩擦力做功來吸收提升容器的過卷動能，實現緩沖制動。

1.2 緩沖元件力學分析與計算

緩沖元件的受力分析如圖3所示[15]，緩沖元件受到拉力F，和壓輥組施加的力Fa、Fb、Fc。緩沖元件截面如圖4所示。

從圖3中可以看出緩沖元件在壓輥組處變形最大，也是緩沖元件最容易斷裂的地方。緩沖元件的最大應力可看做是拉伸和彎曲的組合應力。

圖3 受力分析圖

圖4 緩沖元件截面圖

在拉伸情況下，由于緩沖元件中的鋼帶和硅橡膠的彈性模量不同，在受到同樣拉力時的變形量也會不同，所以在鋼帶和硅橡膠的變形量相同時，鋼帶和硅橡膠所受的拉力不同，即鋼帶和硅橡膠之間會產生內力Fn。假設鋼帶和硅橡膠所受的拉力分別為F1、F2，則有：

(1)

F1+F2=F

(2)

式中，l為緩沖元件的長度，mm；E1、E2分別為鋼帶的彈性模量、硅橡膠的彈性模量，GPa；A1、A2分別為鋼帶的橫截面積、硅橡膠的橫截面積，mm2。

合并式(1)、式(2)可得：

(3)

受拉時鋼帶所受的拉應力σ1為：

(4)

假設鋼帶的橫截面積不變，所受的總拉力F也不變，由上述計算可知當硅橡膠的厚度增加時，硅橡膠的橫截面積A2增加，所以鋼帶所受的拉力F1減小、拉應力σ1減小。

在彎曲情況下，鋼帶所受的最大彎曲應力σ2為：

(5)

(6)

式中，M為緩沖元件所受的彎矩，N·m；I為緩沖元件的慣性矩，mm4；a、b分別為緩沖元件的寬度和厚度，mm。

由(6)可知當硅橡膠的厚度增加時，緩沖元件的厚度b增大，所以慣性矩I增大，最大彎曲應力σ2減小。

由上述分析可以看出在鋼帶中加入硅橡膠后，鋼帶所受的拉力F1減小、拉應力σ1減小、最大彎曲應力σ2減小，所以當緩沖制動力F不變時，鋼帶所受的最大應力會減小，并且加入硅橡膠后，緩沖元件的變形做功會增加，因此能滿足緩沖制動的吸能要求，具有安全可靠性。

過卷緩沖裝置中壓輥組的尺寸和結構不變，動壓輥和固定壓輥之間的水平距離c不變，當鋼帶的橫截面積不變，硅橡膠的厚度增加時，緩沖元件的總厚度增加，從而使緩沖元件的變形增大，拉力F與彎矩M也會增大。

從受力分析圖中可以看出左右兩側鋼帶的變形情況不同，所以硅橡膠在鋼帶中的位置可能會影響緩沖元件的力學性能。

由上述分析計算可知，當鋼帶的總厚度不變時，硅橡膠的厚度及所在的位置都可能會影響緩沖元件的力學性能。

2 硅橡膠厚度對緩沖元件力學性能的影響

為研究硅橡膠的厚度對緩沖元件力學性能影響，使用有限元分析對硅橡膠厚度不同的多種緩沖元件進行力學分析，并作比較。緩沖裝置的材料屬性見表1，緩沖裝置的結構參數見表2。

表1 緩沖裝置材料屬性

表2 緩沖裝置結構參數

緩沖元件中鋼帶的厚度固定為硅橡膠的左右兩側各為2mm，過卷緩沖裝置中壓輥組的尺寸和結構不變，過卷時動壓輥和固定壓輥之間的水平距離c為4.5mm。使用ANSYS分別對不同厚度硅橡膠的緩沖元件做力學分析，緩沖元件所受到的最大等效應力見表3。

并得到最大等效應力如圖5所示，并用6次多項式擬合曲線對最大等效應力曲線進行擬合。

硅橡膠的厚度為1mm時的最大等效應力如圖6所示，硅橡膠的厚度為3mm時的最大等效應力如圖7所示。

表3 最大等效應力表

圖5 最大等效應力圖

圖6 硅橡膠厚度1mm的最大等效應力圖

圖7 硅橡膠厚度3mm的最大等效應力圖

從圖5可以看出硅橡膠的厚度為1mm是6次多項式擬合曲線的最小值點，硅橡膠的厚度為3.017mm是6次多項式擬合曲線的極小值點，硅橡膠的厚度3.017mm可近似為3mm。過卷時動壓輥和固定壓輥之間的水平距離c為4.5mm，硅橡膠的厚度為1mm時，緩沖元件的總厚度為5mm，緩沖元件的變形為0.5mm，從圖6可以看出緩沖元件沒有明顯的變形；硅橡膠的厚度為3mm時，緩沖元件的總厚度為7mm，緩沖元件的變形為2.5mm，從圖7可以看出緩沖元件有明顯的變形。當硅橡膠的厚度為1mm時，緩沖元件的最大等效應力最小，主要是由于緩沖元件的變形量很小、受力小，但緩沖元件的變形量過小就不能滿足過卷緩沖的要求。所以當緩沖元件中鋼帶的厚度固定為硅橡膠的左右兩側各為2mm、過卷時動壓輥和固定壓輥之間的水平距離c為4.5mm時，選硅橡膠的厚度為3mm最合適。

3 硅橡膠位置對緩沖元件力學性能的影響

為研究硅橡膠所在的位置對緩沖元件力學性能影響，使用有限元分析對硅橡膠在不同位置的多種緩沖元件進行力學分析，并作比較。緩沖元件中鋼帶的總厚度固定為4mm，硅橡膠的厚度為3mm，即緩沖元件的總厚度為7mm；過卷緩沖裝置中壓輥組的尺寸和結構不變，過卷時動壓輥和固定壓輥之間的水平距離c為4.5mm。使用ANSYS分別對硅橡膠左右兩側不同的鋼帶厚度的緩沖元件做力學分析，得到緩沖元件所受到的最大等效應力見表4。

表4 最大等效應力表

并得到最大等效應力如圖8所示，并用保形插值曲線對最大等效應力曲線進行擬合。硅橡膠左側鋼帶厚度為1mm時的最大等效應力如圖9所示，硅橡膠左側鋼帶厚度為2.5mm時的最大等效應力如圖10所示。

圖8 最大等效應力圖

圖9 硅橡膠左側鋼帶厚度1 mm的最大等效應力圖

圖10硅橡膠左側鋼帶厚度2.5mm的最大等效應力圖

從圖8可以看出硅橡膠左側鋼帶厚度為1mm是最大等效應力曲線的最小值點，所以當緩沖元件中鋼帶的總厚度固定為4mm、硅橡膠的厚度為3mm、過卷時動壓輥和固定壓輥之間的水平距離c為4.5mm時，選擇硅橡膠左側鋼帶厚度為1mm、右側鋼帶厚度為3mm最合適。

鋼帶的極限應力為460MPa，從上述的ANSYS分析中可以看出鋼帶所受的最大應力小于極限應力；硅橡膠的具有良好的彈性性能，伸長率大于90%，而在過卷緩沖中緩沖元件的變形量遠小于硅橡膠允許的彈性變形范圍，因此在緩沖過程中緩沖元件不會被破壞，能夠重復使用。

4 結 語

1)當緩沖元件中鋼帶的厚度固定為硅橡膠的左右兩側各為2mm、過卷時動壓輥和固定壓輥之間的水平距離c為4.5mm時，選硅橡膠的厚度為3mm最合適。

2)當緩沖元件中鋼帶的總厚度固定為4mm、硅橡膠的厚度為3mm、過卷時動壓輥和固定壓輥之間的水平距離c為4.5mm時，選擇硅橡膠左側鋼帶厚度為1mm、右側鋼帶厚度為3mm最合適。

3)通過理論分析及ANSYS力學分析，可以看出鋼帶加硅橡膠式緩沖元件能滿足緩沖制動的吸能要求，具有安全可靠性和耐久性。