關于礦井提升機卷筒裝置結構優化的研究

王長勝

（石港煤業有限責任公司， 山西 左權 032600）

引言

提升機是礦井中的重要機械設備之一，其工作效率和運行可靠性對整個開采過程有著決定性影響[1]。但礦用提升機整體系統結構復雜，目前我國還沒有完善的設計理論，導致設計出的提升機結構或多或少存在一定缺陷[2-3]。因此本文主要對提升機卷筒裝置進行靜力學分析，并提出優化設計方案。

1 2JK/A-5 型礦井提升機主要結構

2JK/A-5 型大型礦井提升機是一個復雜的結構系統，各結構件間存在緊密聯系，共同構成了提升機結構。提升機從機械結構角度主要由卷筒裝置、主軸裝置、減速器、制動器等重要部分構成。從性能屬性角度提升機又可分為三大部分，分別為電氣動力部分、機械主體部分、輔助防護部分。

2 提升機卷筒模型的建立

該卷筒裝置為焊接結構，壁較薄。如圖1 所示為提升機卷筒裝置的幾何結構，從圖上可以看出卷筒裝置有多個部分構成，一些關鍵結構參數信息如表1所示。該型號礦井提升機使用的鋼絲繩最大靜張力可以達到26 t。根據表中提供的關鍵數據，利用SolidWorks 三維建模軟件建立卷筒的三維模型。需要說明的是，為了方便后續有限元分析，在建立提升機卷筒三維模型時，需將卷筒結構中一些無關緊要的細節特征進行刪除，比如倒角、倒圓等。簡化這些特征不會對模擬分析結果造成明顯影響。完成三維建模后，將其導出為HyperWorks 軟件能識別的格式并保存。

本文所述型號的提升機卷筒生產加工材料為Q345A，為低合金鋼，具有較高的強度。查閱相關技術手冊可知，Q345A 材料的彈性模量和泊松比分別為206 GPa 和0.3，材料的密度大小為7.81 g/cm3，屈服強度和抗拉強度分別為295 MPa 和345 MPa。

圖1 提升機卷筒幾何結構

表1 提升機卷筒主要技術參數

本文利用HyperWorks 有限元軟件分析卷筒在工作時的受力情況，首先需要將SolidWorks 建立好的三維模型導入到本軟件中進行網格劃分。卷筒為薄壁結構，通過焊接的方式加工制造而成。其中卷筒殼體為38 mm，擋繩板厚度為22 mm，制動盤厚度為45 mm，法蘭厚度為50 mm，幅板厚度為28 mm，支撐柱厚度為15 mm，筋板厚度為20 mm。在軟件中通過2D 單元劃分單元網格，然后根據上述的厚度值分別賦予不同位置單元以對應的厚度，最終得到的網格數量為12389，既能保證計算時間也能確保計算結果滿足精度要求。根據上文中所述的材料屬性在軟件中設置材料屬性值，使之更加貼近實際情況。

本文認為卷筒中鋼絲繩卷滿時共有三層，卷筒的外部載荷主要來自鋼絲繩，主要包括三個方面的載荷。第一為纏繞在滾筒上的鋼絲繩對滾筒徑向的作用力，該作用力均勻分布在整個滾筒表面；第二為沒有纏繞在滾筒上鋼絲繩的作用力對滾筒產生的彎矩和扭矩，通常該彎矩和扭矩對滾筒的影響非常小，基本可以忽略不計；第三為鋼絲繩對滾筒產生的軸向作用力，該作用力均勻分布在擋繩板上。根據以上受力分析對滾筒施加載荷。提升機在正常工作時，輪轂和軸之間的變形相對非常小，在輪轂上施加固定約束，對滾筒的一側施加固定約束，另一端可以在軸向移動，但不能在其他兩個方向移動。

3 提升機卷筒受力結果分析

如圖2 所示為卷筒結構應力分布云圖，從圖中可以看出，圓筒的中部位置以及幅板中間孔邊緣位置均出現了不同程度的應力集中現象，其中卷筒中部位置的最大應力值大約為176 MPa，幅板中間孔邊緣位置的最大應力值大約為136 MPa。本文所使用的材料屈服強度值為295 MPa，根據相關理論知識可知，卷筒的最大應力值沒有超過材料許用應力值，滿足實際使用需要。但是在幅板中間孔位置存在的應力集中現象，在循環載荷作用下會導致幅板出現疲勞損傷進而引發裂紋，導致幅板失效，無法正常工作。基于此，有必要對卷筒裝置中的幅板結構進行優化改進，降低中間孔周邊的應力集中現象。

圖2 卷筒結構應力（MPa）分布云圖

4 提升機卷筒幅板結構的優化改進

為了盡可能降低提升機卷筒幅板中間圓孔周邊部位的應力集中現象，提升機構件的使用壽命。根據相關的理論知識，將浮板中間圓孔尺寸由原來的600 mm 縮小至400 mm。卷筒其他所有結構尺寸都不變。根據優化改進后的卷筒結構尺寸利用SolidWorks 重新建立三維模型， 并導入到HyperWorks 軟件中建立有限元模型進行計算分析。模型中設置的材料屬性、網格劃分、載荷條件和邊界條件等全部與優化前一樣。如圖3 所示為優化改進后的卷筒靜力學分析結果。從圖中可以看出，由于卷筒其他部位結構尺寸沒有改變，所以卷筒中間部位的應力集中現象仍然存在，且最大應力值基本與優化前相等。同樣的，與優化前相比幅板中間圓孔周邊應力集中現象也存在，但是應力最大值卻有了很大程度的降低，最大值為104 MPa，與優化前的136 MPa 相比降低了23.53%。

圖3 優化改進后卷筒結構應力（MPa）分布云圖

卷筒在正常工作過程中，幅板會受到周期循環載荷作用。如果循環載荷載荷力較大，就容易導致幅板出現疲勞損傷，引發疲勞裂紋，使得結構件失效。最大應力值越大就越容易出現應力損傷導致的疲勞裂紋現象。本研究通過縮小幅板中間圓孔尺寸，降低了其在工作過程中的應力集中值，能在很大程度上降低結構件的疲勞損傷現象，進而提升其使用壽命。將本文提出的提升機卷筒優化改進方案應用到實踐中，經過1a 左右的實踐檢驗。與優化前的結構相比較，新方案卷筒的使用壽命提升了至少20%以上。

5 結論

以往的提升機結構中幅板中間圓孔部位在正常工作時存在較大的應力集中現象，使得幅板在工作一段時間后容易出現應力損傷引發的疲勞裂紋現象。實踐證明，將幅板中間圓孔尺寸由600 mm 縮小至400 mm，幅板中間圓孔周邊應力最大值由原先的136 MPa 降低到了104 MPa，降低幅度達到了23.53%，顯著提升了提升機卷筒結構的使用壽命。