礦井提升機主軸螺栓布置方式對其連接性能的影響分析

祁 冀

（晉能控股煤業集團大斗溝煤業公司， 山西 大同 037001）

0 引言

在煤炭開采過程中，礦井提升機是連接礦井與地面的重要設備，對井下開采所需的物質及人員進行上下輸送，對礦井的生產開采具有重要的作用[1]。隨著煤層的開采深度不斷增加，礦井提升機的運輸載荷及運輸距離也不斷增加，對提升機的提升能力及工作可靠性具有較高的要求。主軸裝置作為礦井提升機的核心部件，是礦井提升機運行的主要承載構件[2]，同時承受鋼絲繩的張力作用，主軸裝置連接的穩定可靠性對礦井提升機的運行具有重要的影響作用。礦井提升機主軸裝置采用螺栓的形式進行主軸與夾板及摩擦輪的連接[3]，主軸裝置運行過程中受到動載及張力作用的影響，螺栓布置方式的不同對主軸裝置的性能具有不同的影響，從而對礦井提升機的運行造成影響[4]。采用有限元仿真分析的形式對礦井提升機主軸連接裝置不同的螺栓布置方式時的性能進行分析，從而選擇最優的螺栓連接方式[5]，保證主軸裝置的穩定可靠，為井下開采提供了保障。

1 礦井提升機主軸螺栓布置方式的分析

主軸裝置作為礦井提升機重要的承載構件，通過螺栓將主軸、夾板及摩擦輪連接在一起，承受電機的輸出扭矩及鋼絲繩產生的張力作用。主軸裝置的結構如圖1 所示，主軸裝置的連接螺栓的布置形式對主軸結構的性能研究及使用具有重要的影響[6]。主軸裝置中螺栓連接的主要承載構件為圓環形的連接板，連接板在厚度上的尺寸要遠小于另外兩個方向上的尺寸，因此可將主軸連接性能的分析轉化為二維的問題進行分析[7]，基于薄板的結構進行不同螺栓布置的性能研究。

圖1 提升機主軸連接裝置的結構示意圖

不同的螺栓布置方式對主軸連接裝置的性能造成的影響進行分析，以不同螺栓孔的布置方式下連接板產生的應力及位移變形作為評價的依據[8]。以某礦井開采使用的提升機為例，其摩擦輪的直徑為4 m，提升鋼絲繩的最大張力作用為200 kN，系統的動載荷系數為1.7，主軸連接裝置承受的最大扭矩值為680 kN·m，主軸連接裝置使用的圓環形夾板的結構尺寸為外徑0.6 m、內徑0.35 m，圓板的厚度為0.04 m。主軸連接螺栓的材質為40B 鋼，公稱直徑為38 mm，則設計連接螺栓的應力[σ]計算公式為[9]：

式中：σs為螺栓的屈服強度；η1為螺栓連接的復合應力系數，采用三角螺紋連接時取1.2；η2為連接過程中的預應力損失系數，取1.05；η3為施工過程中產生的誤差系數，取1.15；η4為螺栓使用材質的均質系數，取為1。

主軸裝置連接過程中，連接圓環形夾板與被連接板之間的等強度關系公式如為[10]：

式中：nb為連接所需螺栓的數目；mb為相互摩擦的面數，取2；FN為使用螺栓的設計預緊力，取48～200 N；T為圓環形夾板承受的最大扭矩理論值，取187 kN·m；fb為連接面之間的摩擦系數，取0.45；Ks為系統的防滑系數，取1.2；R 為螺栓連接布置時的等效半徑，主軸裝置的圓環形夾板連接摩擦輪及主軸的法蘭，在圓周方向上布置有兩排螺栓孔，等效半徑取為兩排連接螺栓孔半徑的平均值進行分析。

通過上述的計算分析可知，圓環形夾板的螺栓連接最小組數為6 組，螺栓之間的布置具有一定的間距，兩螺栓的中心距最小為3 倍的螺栓孔徑，則在圓周方向上最大可布置的螺栓組數為14 組。為了便于圓環形夾板的設計及加工，采用偶數連接的螺栓布置，則可選擇連接螺栓的布置方式分別為6 組、8 組、10 組、12 組及14 組[11]，由此對不同的螺栓布置方式對圓環形夾板產生的應力作用進行分析。

在三維建模軟件中分別建立不同連接螺栓時圓環形夾板的模型，并導入到有限元分析軟件ANSYS中對其進行網格劃分處理[12]，設定圓環形夾板的材質為合金鋼16Mn，其彈性模量為208 GPa、泊松比為0.3、屈服強度為345 MPa、密度為7 800 kg/m3，設定夾板的一面為固定約束，對其進行載荷的施加，對不同螺栓孔布置的應力進行分析。

2 礦井提升機主軸螺栓布置方式的性能分析

采用有限元分析的形式對五種不同的螺栓布置方式下圓環形夾板的應力進行分析，經過ANSYS 模擬分析得到螺栓組數為6 組時的夾板得到應力分布如圖2 所示。從圖2 中可以看到，此時圓環形夾板受到的最大應力作用為26.7 MPa。同理對其他螺栓組數的圓環形夾板的應力進行分析，并對其最大應力進行統計得到圓環形夾板的最大應力隨螺栓組數變化的分布如圖3 所示。

圖2 6 組連接螺栓時夾板應力分布圖

圖3 圓環形夾板最大應力值隨螺栓數量的變化曲線

從圖3 中可以看出，隨著連接螺栓數量的增加，則圓環形夾板受到的最大應力值呈明顯的下降趨勢，對夾板的應力分布進行分析發現，最大應力的位置處在兩組螺栓之間的區域，夾板受到的最大應力值小于材料的屈服極限，且具有較大的安全系數，滿足主軸裝置連接的強度需求。對圓環形夾板不同螺栓連接時產生的位移進行分析，得到夾板產生的最大位移變化曲線如圖4 所示。

圖4 圓環形夾板最大位移量隨螺栓數量的變化曲線

從圖4 中可以看出，隨著連接螺栓數量的增加，則圓環形夾板產生的最大位移值也逐漸下降，當螺栓連接為14 組時，產生的最大位移值為4.5 mm，對于主軸裝置的整體結構來說，夾板的位移量較小，滿足系統的強度需求。

通過上述的分析可知，在提升機主軸裝置的連接結構中，螺栓連接的數量越多，則主軸連接夾板受到的最大應力值最小，同時產生的最大位移量也最小。由此可知，在保證螺栓具有足夠的拆裝空間時選取的連接螺栓的數量越多越好，有利于改善主軸裝置的性能，保證主軸連接的穩定性。

3 結語

礦井提升機是煤礦進行開采重要的輸送設備，對煤礦生產的物質及人員進行輸送，保證煤礦的正常有序開采。主軸裝置作為提升機重要的承載構件，其承載性能對提升機的運行具有重要的影響。針對主軸裝置的連接結構進行分析，確定其連接螺栓可采用的布置數量及結構形式，采用有限元仿真分析的形式對不同連接螺栓布置時的性能進行分析。結果表明，主軸裝置連接采用的螺栓數量越多，則連接夾板受到的應力作用最小，且產生的位移量也最小，滿足系統運行的需求，有利于提高主軸的承載性能，提高提升機運行的穩定可靠性，為煤礦的生產開采提供保障。