礦用提升機(jī)天輪輪體結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊正哲

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

引言

隨著國(guó)家對(duì)煤礦資源的不斷開采，越來越多的煤礦設(shè)備被應(yīng)用到煤礦開采中。礦用提升機(jī)則是煤礦開采中的重要提升設(shè)備。但由于煤礦開采環(huán)境的惡劣性，加上提升機(jī)經(jīng)常處于超負(fù)荷提升作業(yè)，鋼絲繩與天輪系統(tǒng)之間的潤(rùn)滑性也無法實(shí)時(shí)得到保障，人員在開采中未對(duì)提升機(jī)及天輪系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)維護(hù)保養(yǎng)等，導(dǎo)致提升機(jī)作業(yè)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)鋼絲繩局部斷裂、天輪磨損嚴(yán)重、電機(jī)發(fā)熱、軸承損壞等故障現(xiàn)象，提升機(jī)一旦出現(xiàn)故障，則需對(duì)其進(jìn)行停機(jī)維修，這對(duì)煤礦的現(xiàn)場(chǎng)開采構(gòu)成了嚴(yán)重?fù)p失[1]。其中，有效保證天輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不斷對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高其結(jié)構(gòu)使用壽命，是保證提升機(jī)高效運(yùn)行的關(guān)鍵。為此，以JKMD型礦用提升機(jī)為對(duì)象，開展天輪的結(jié)構(gòu)性能研究。

1 天輪系統(tǒng)組成分析

礦用提升機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)類型相對(duì)較多，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同。以JKMD型礦用提升機(jī)為對(duì)象，其結(jié)構(gòu)主要由天輪系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、車槽裝置等組成，其中，天輪系統(tǒng)包括了主導(dǎo)向輪、天輪、尾繩、平衡錘等，天輪系統(tǒng)是提升機(jī)實(shí)現(xiàn)貨物提升的關(guān)鍵系統(tǒng)，天輪系統(tǒng)中的天輪組件則是通過多個(gè)天輪的相互并聯(lián)進(jìn)行連接，而天輪的結(jié)構(gòu)主要由輪轂、輪輻、鋼板等組成[2]，天輪實(shí)物如圖1所示。天輪系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，首先通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩在主導(dǎo)輪的旋轉(zhuǎn)作用下，帶動(dòng)另一端的提升載荷進(jìn)行向上或向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)天輪則承受著來自鋼絲繩及提升載荷的較大重力和摩擦力作用，天輪長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)，將會(huì)造成整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、磨損嚴(yán)重、中部軸孔損壞等故障失效現(xiàn)象[3]。天輪系統(tǒng)的露天作業(yè)環(huán)境，加上頻繁的啟停、制動(dòng)等操作，加大了整套系統(tǒng)及天輪的損壞概率。同時(shí)，由于天輪系統(tǒng)存在高空作業(yè)，其系統(tǒng)中天輪及主導(dǎo)向輪的自身的結(jié)構(gòu)重量將直接影響著整個(gè)天輪系統(tǒng)的作業(yè)效率及使用壽命[4]。因此，采用最經(jīng)濟(jì)的有限元分析方法，對(duì)天輪的結(jié)構(gòu)組成及重量進(jìn)行性能分析和輕量化研究，提高天輪的總體性能，成為提高提升機(jī)作業(yè)效率的關(guān)鍵。

圖1 提升機(jī)中天輪實(shí)物圖

2 天輪模型建立

2.1 三維模型建立

為進(jìn)一步掌握天輪的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)合JKMD型礦用提升機(jī)中天輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采Solidworks軟件，對(duì)天輪進(jìn)行了三維模型建立。在建模過程中，按照1∶1的比例，在盡量保證三維模型與實(shí)物一致的前提下，對(duì)天輪中的輪緣、輪輻、輪轂、鋼板等部件進(jìn)行了三維模型建立。為提高天輪分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)各部件中的非關(guān)鍵倒角、圓角、圓孔等特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，僅保留了天輪中的關(guān)鍵特征[5]，天輪重量為7 462 kg。同時(shí)，不考慮天輪中焊接對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。由此，建立了天輪的三維模型圖，如下頁圖2所示。

2.2 仿真模型建立

圖2 天輪結(jié)構(gòu)組成三維圖

將所建立的天輪三維模型保存為x_t格式后，導(dǎo)入至ABAQUS仿真軟件中，對(duì)其進(jìn)行仿真模型建立。由于天輪在實(shí)際使用中主要采用的是ZG270-500的材料，故在軟件中將其模型材料設(shè)置為ZG270-500材料，其材料的彈性模量為202 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，屈服強(qiáng)度為340 MPa，與Q345的材料屈服強(qiáng)度基本相同。同時(shí)，根據(jù)天輪的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)其進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，網(wǎng)格屬性為Solid實(shí)體單元類型，天輪的網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。根據(jù)實(shí)際情況，在天輪上施加了1 500 kN的向下外界載荷，以此模擬天輪的實(shí)際工況。同時(shí)，在軟件中，對(duì)天輪中部軸承孔處進(jìn)行了固定約束，各部件之間進(jìn)行了Tie綁定約束。由此，完成了天輪的仿真模型建立。

圖3 天輪網(wǎng)格劃分圖

3 天輪結(jié)構(gòu)性能分析

通過對(duì)天輪進(jìn)行仿真分析，得到了天輪在外界載荷1 500 kN下的結(jié)構(gòu)變形圖，如圖4所示。由圖可知，天輪整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大程度的位移變形，在天輪上升側(cè)和下降側(cè)與鋼絲繩接觸的輪緣表面的變形量最大，最大變形量達(dá)到了0.527 mm；同時(shí)，天輪在徑向和切向也出現(xiàn)了較大幅度的扭曲現(xiàn)象。分析其原因是由于鋼絲繩尾端受到了較大的外界載荷作用，且鋼絲繩運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生無規(guī)律的晃動(dòng)或搖擺，導(dǎo)致鋼絲繩與天輪接觸區(qū)域出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)變形；同時(shí)，天輪輪輻由于受到徑向和切向的較大拉力，導(dǎo)致其在中部軸承孔處也出現(xiàn)了較大幅度的變形。此變形規(guī)律與天輪的實(shí)際受力情況基本吻合。天輪長(zhǎng)時(shí)間在此狀態(tài)下作業(yè)，將極可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形或斷裂的失效故障現(xiàn)象。因此，需對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4 天輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

圖4 天輪結(jié)構(gòu)變形（mm）圖

結(jié)合前文分析，需對(duì)提升機(jī)中天輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先就是降低天輪的自身重量。經(jīng)過查閱國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范，參考國(guó)內(nèi)外天輪的設(shè)計(jì)尺寸和特點(diǎn)，天輪的改進(jìn)可從改變輪輻數(shù)量、輪輻寬度和厚度等方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)[6]。因此，將天輪的輪輻由原來的16根減少14根，并將天輪的輪輻厚度增加5 mm，輪輻寬度增加10 mm，以此來對(duì)天輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。改進(jìn)后的天輪重量由原來的7 462 kg，減輕至7 222 kg，減輕了240 kg左右，整體結(jié)構(gòu)的減重效果明顯。改進(jìn)后的新型天輪結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 新型天輪三維結(jié)構(gòu)圖

按照前文的有限元分析方法，通過施加相同參數(shù)，得到了改進(jìn)后的新型天輪的結(jié)構(gòu)變形圖，如圖6所示。由圖可知，天輪整體結(jié)構(gòu)也發(fā)生較大幅度的結(jié)構(gòu)變形，最大變形區(qū)域與原有結(jié)構(gòu)基本相同，但結(jié)構(gòu)的最大變形量為0.365 mm，比原有結(jié)構(gòu)減少了0.162 mm，變形量明顯減小。由此說明，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后的新型天輪不僅質(zhì)量減輕了240 kg，結(jié)構(gòu)變形程度也大幅度降低。由此，大大提高了其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和作業(yè)安全性，也減少了提升機(jī)的能源消耗，優(yōu)化效果明顯，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖6 新型天輪結(jié)構(gòu)變形（mm）圖

5 結(jié)論

1）原有天輪在天輪上升側(cè)和下降側(cè)與鋼絲繩接觸的輪緣表面、中部軸承孔處的變形量相對(duì)較大，最大應(yīng)力值也超過了其材料的屈服強(qiáng)度，存在一定的結(jié)構(gòu)使用風(fēng)險(xiǎn)；

2）在對(duì)天輪的輪輻數(shù)量、寬度、厚度等進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，得到的新型天輪整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕了240 kg，變形量也明顯降低，與原有結(jié)構(gòu)相比，具有更輕的結(jié)構(gòu)重量和更好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有效提高了天輪的使用壽命及作業(yè)安全性，更好地滿足了提升機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)需求。