煤礦提升機(jī)主軸結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化分析

＊施佳樂(lè)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同家梁礦 山西 037000）

1.概況

在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，礦用提升機(jī)是一個(gè)非常重要的設(shè)備，因此必須保證結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，從而才可以更好地提高煤礦開(kāi)采的效率。在礦用提升機(jī)中主軸是核心元件，可是由于井下工況環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，往往出現(xiàn)超負(fù)荷工作的情況，當(dāng)提升機(jī)處于高度工作時(shí)，將導(dǎo)致主軸發(fā)生變形，同時(shí)出現(xiàn)磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象，大大降低了提升機(jī)的工作效率。為此需要對(duì)主軸的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行探究。以同家梁礦為例對(duì)主軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，從而可以找到主軸中存在的問(wèn)題，進(jìn)而可以優(yōu)化主軸結(jié)構(gòu)。

2.提升機(jī)

該礦所選用的提升機(jī)包括如下幾個(gè)方面的結(jié)構(gòu)：第一，電機(jī)；第二，主軸；第三，天輪；第四，鋼絲繩；第五，提升容器；第六，井架；第七，控制系統(tǒng)等。通常情況下，主軸可承受更多的力，當(dāng)鋼絲繩與對(duì)應(yīng)的滾筒進(jìn)行連接時(shí)，這時(shí)在滾筒的帶動(dòng)下可以將鋼絲繩的作用力傳輸給主軸。經(jīng)過(guò)對(duì)該煤礦提升機(jī)主軸的故障問(wèn)題進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)主要有如下幾個(gè)問(wèn)題：第一，軸端磨損嚴(yán)重；第二，軸承扭曲變形比較大；第三，軸中部出現(xiàn)較大的變形等。因此必須對(duì)主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要從軸承材料、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面。與此同時(shí)，還需要從日常維護(hù)方面入手，進(jìn)而可以最大限度的提高主軸結(jié)構(gòu)使用壽命，從而可以保證提升機(jī)工作效率。

3.提升機(jī)主軸的仿真分析

(1)模型建立

①三維模型建立

以同家梁礦所選用的提升機(jī)主軸的情況，探究主軸的性能。通常需要結(jié)合主軸的實(shí)際結(jié)構(gòu)，測(cè)量出主軸最大的長(zhǎng)度5570mm，而在中部最大的工作直徑可以達(dá)到470mm，如圖1所示。筆者選用SolidWorks對(duì)主軸進(jìn)行模型，圖2表示軸上的軸肩、倒角以及緊固螺紋特，并且對(duì)其進(jìn)行部分簡(jiǎn)化。

圖1 主軸結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

圖2 絞車主軸三維模型

②仿真模型建立

主軸所選用的材料為Q345，如表1所示。首先對(duì)主軸空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格處理。與此同時(shí)可以設(shè)置網(wǎng)格規(guī)格，大小為12mm，數(shù)量為10235個(gè)，如圖3所示。通常主軸主要受到如下幾個(gè)方面的力：第一，自身的重力；第二，鋼絲繩的拉力；第三，鋼絲繩與其他單元的重力等。通過(guò)對(duì)該礦的實(shí)際進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，研究在滾筒固定時(shí)分析主軸受力情況，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)主軸扭矩為39.8N·m，而重力為8.1kN。為了更好地對(duì)主軸進(jìn)行仿真，從而需要旋轉(zhuǎn)兩端的主軸。

圖3 絞車主軸網(wǎng)格劃分

表1 Q345材料性能參數(shù)表

(2)仿真結(jié)果分析

在對(duì)提升機(jī)主軸進(jìn)行建模后，分析主軸的應(yīng)力變化情況，進(jìn)入能夠得到應(yīng)力圖，如圖4。

圖4 絞車主軸應(yīng)力變化

通過(guò)分析上圖發(fā)現(xiàn)，主軸在整體上表現(xiàn)為應(yīng)力不均勻，與此同時(shí)在左端軸肩位置出現(xiàn)了最大應(yīng)力集中的現(xiàn)象，其數(shù)值可以達(dá)到152.02MPa。借助主軸冗余處理可以發(fā)現(xiàn)，將應(yīng)力安全系數(shù)設(shè)定為2，進(jìn)而得到主軸應(yīng)力最大值304.04MPa。當(dāng)主軸處于超負(fù)荷的狀態(tài)下，那么將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，最終給井下施工帶來(lái)安全隱患，進(jìn)而需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理。

4.提升機(jī)主軸的改進(jìn)研究

(1)主軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)要點(diǎn)分析

通過(guò)對(duì)主軸的分析可以看出，在對(duì)主軸進(jìn)行改進(jìn)時(shí)往往需要從如下幾個(gè)方向入手：

①在對(duì)主軸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須使得整體受到分布均勻的力。在結(jié)構(gòu)方面，滿足最大載荷的要求，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，最終能夠最大限度降低應(yīng)力集中。對(duì)于軸肩過(guò)渡位置，使得過(guò)渡位置平滑連接。當(dāng)加工主軸后，通常可以對(duì)其進(jìn)行淬火工藝，進(jìn)而優(yōu)化主軸的性能。

②一般情況下可以借助鍵將主軸與滾筒實(shí)現(xiàn)連接，因此只有精確地加工主軸上的鍵槽，才可以有效地保證滾筒與主軸之間不發(fā)生松動(dòng)。

③在對(duì)主軸結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮鋼絲繩提貨的重量，假如重量過(guò)大時(shí)，分析主軸的結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的強(qiáng)度。這樣可以有效地提高主軸的使用性能，避免不必要的安全問(wèn)題。

(2)改進(jìn)后主軸結(jié)構(gòu)分析

在對(duì)主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，必須充分考慮該礦的實(shí)際以及設(shè)計(jì)的核心點(diǎn)。在完成主軸校核后，可以對(duì)主軸上關(guān)鍵位置的直徑進(jìn)行優(yōu)化，比如可以將直徑360mm增加到直徑370mm，將直徑為470mm增加到475mm。與此同時(shí)，軸肩高度20mm。圖5表示傳統(tǒng)的分析方法分析改進(jìn)后的主軸。

圖5 改進(jìn)后絞車主軸應(yīng)力變化

通過(guò)分析圖5可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的主軸其應(yīng)力分布合理，同時(shí)在左端軸肩位置存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可是相比于優(yōu)化之前的應(yīng)力整體降低了36.45MPa。通過(guò)主軸冗余處理，把應(yīng)力的安全系數(shù)設(shè)置為2，從而可以看出主軸最大的應(yīng)力可以達(dá)到231.14MPa，該數(shù)值基本達(dá)到了Q345材料的屈服強(qiáng)度。同理對(duì)改進(jìn)后的主軸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化處理，最終可以滿足提升機(jī)的最大限度的工作需要。

5.結(jié)語(yǔ)

選用同家梁礦提升機(jī)主軸進(jìn)行仿真，從而可以找到主軸位置的薄弱環(huán)節(jié)，并且以此為依據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的主軸最大應(yīng)力變小。此外不僅結(jié)構(gòu)性更理想，而且滿足強(qiáng)度的需要。由此可以看出，可以適應(yīng)同家梁礦提升機(jī)的工作需要，最終可以優(yōu)化提升機(jī)的工作效率以及降低安全事故率。