煤礦提升機(jī)卷筒裝置輻板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李志超

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045400）

0 引言

煤礦開采過程中需要利用提升機(jī)對開采得到的煤礦資源及其他相關(guān)工具進(jìn)行輸送，其性能好壞會對煤礦正常生產(chǎn)有一定程度的影響[1]。卷筒裝置的作用是對鋼絲繩進(jìn)行纏繞，確保鋼絲繩能按照一定的速度和方向進(jìn)行運(yùn)動，對貨物進(jìn)行提升或下放，因此工作時需要承受一定的載荷[2]。輻板是卷筒裝置中的重要結(jié)構(gòu)件，作用是對筒殼進(jìn)行支撐，所以需要承載很大載荷[3]。并且提升機(jī)工作時卷筒裝置處于持續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，輻板結(jié)構(gòu)承受的是周期性的疲勞載荷，容易出現(xiàn)疲勞損傷，從而加速結(jié)構(gòu)損壞，影響使用壽命[4]。以2JK/A-5 型煤礦提升機(jī)卷筒裝置中的輻板結(jié)構(gòu)為研究對象，利用有限元方法對輻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，取得了良好的效果。

1 提升機(jī)卷筒裝置概述

以2JK/A-5 型煤礦提升機(jī)為對象，該結(jié)構(gòu)的卷筒裝置整體上為薄壁焊接結(jié)構(gòu)。卷筒裝置正常工作時，鋼絲繩會在其表面進(jìn)行纏繞，通過控制卷筒旋轉(zhuǎn)方向，可以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的纏繞和放松，達(dá)到提升和下放物料的效果[5]。如圖1 所示為卷筒裝置的主要結(jié)構(gòu)示意圖，由圖1 可知，整體上主要由擋繩板、筋板、支撐柱、輻板、內(nèi)側(cè)法蘭、筒殼等部分構(gòu)成。卷筒整體的寬度及直徑分別為2.3 m 和5 m，使用的鋼絲繩直徑為52 mm，能夠承受的靜拉力可以達(dá)到260 kN。繩圈之間的間隙設(shè)置為3 mm。輻板是對筒殼進(jìn)行支撐，筒殼直接與鋼絲繩接觸，產(chǎn)生的作用力會傳導(dǎo)到輻板中，因此輻板工作時需要承受一定的工作載荷[6]。

圖1 卷筒裝置的主要結(jié)構(gòu)示意圖

2 卷筒裝置有限元模型建立

2.1 有限元模型建立

建立有限元模型時，首先需要利用三維造型軟件對卷筒裝置的三維幾何模型進(jìn)行構(gòu)建，本文選用的是UG 軟件。

建模時需要對一些細(xì)節(jié)部位，比如倒角、倒圓等進(jìn)行忽略處理，確保計(jì)算過程能快速收斂。將建立好的三維模型通過IGS 中間格式導(dǎo)入到Ansys 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性設(shè)置。通常情況下，網(wǎng)格越細(xì)則精度越高，但計(jì)算過程越慢，相反網(wǎng)格劃分越粗糙則計(jì)算速度越快，但精度越低。本模型由Ansys 軟件自動確定網(wǎng)格大小，選用Ansys 軟件中內(nèi)置的四面體網(wǎng)格類型，劃分得到的網(wǎng)格單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為86 394 個和103 938 個。材料屬性方面，2JK/A-5型提升機(jī)卷筒裝置主要利用Q345A 材料進(jìn)行加工制作。該材料的彈性模量和泊松比分別為206 GPa 和0.3，屈服強(qiáng)度極限為345 MPa，密度為7.81 g/cm3。將以上物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)輸入到模型中，確保得到正確的結(jié)果。

2.2 受力結(jié)果分析

在Ansys 軟件中完成模型計(jì)算工作后，可以對輻板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖進(jìn)行提取，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，輻板結(jié)構(gòu)正常工作時，不同部位的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，大部分位置的應(yīng)力相對較小，不超過100 MPa，最小應(yīng)力為48.2 MPa，出現(xiàn)在輻板內(nèi)孔邊緣位置，只有局部位置應(yīng)力相對較大，開孔邊緣部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力達(dá)到了136.2 MPa。前文已述，輻板工作時承受的是疲勞載荷，當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，會加速該部位的塑性損傷，縮短結(jié)構(gòu)件的使用壽命，因此有必要對輻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，盡量降低輻板結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力。為卷筒裝置的穩(wěn)定可靠運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 輻板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖

3 輻板孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路與方法

對輻板受力產(chǎn)生影響的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括開孔形狀、開孔位置以及開孔的數(shù)量。因此本研究以上述三個結(jié)構(gòu)參數(shù)為影響因素，基于單因素變量法，分析每個結(jié)構(gòu)參數(shù)對輻板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響規(guī)律。即在分析某個因素的影響規(guī)律時，另外兩個因素保持不變，以此確定最佳的輻板結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，開孔形狀取4 個變量因素，分別為圓孔、腰型孔、橢圓型孔和梯型孔；開孔位置指開孔中心與輻板中心之間的距離，取5 個變量進(jìn)行分析，分別為1 525 mm、1 550 mm、1 600 mm、1 637.5 mm、1 675 mm；開孔數(shù)量取4個變量因數(shù)，分別為2 個、4 個、6 個和8 個。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

利用UG 和Ansys 軟件分別建立不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的有限元模型并對其進(jìn)行分析，最后對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，輻板的等效應(yīng)力分布基本類似，整體上呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，局部位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是應(yīng)力集中最大值存在一定差異。如圖3 所示為三個結(jié)構(gòu)參數(shù)對輻板結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值的影響規(guī)律情況，以下進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖3 輻板結(jié)構(gòu)參數(shù)對最大應(yīng)力的影響情況

1）開孔形狀的影響。為了確保模擬結(jié)果的可對比性，設(shè)置的四種開孔形狀的面積保持相同。由圖3-1可以看出，開孔形狀對輻板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中最大值的影響非常顯著，不同開孔形狀的最大應(yīng)力存在很大差異。開圓孔時輻板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中最大值為最小，開橢圓形孔時輻板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中最大值最大，另外兩種形狀時介于上述兩種情況中間。因此確定的開孔形狀為圓形。

2）開孔位置的影響。圖3-2 顯示的是開孔位置對輻板結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值的影響規(guī)律。由圖3-2 可知，開孔位置對輻板應(yīng)力最大值有一定的影響，隨著開孔位置的不斷增加，應(yīng)力最大值首先降低，再逐漸增加。但不管是降低還是增加，幅度均相對較少。當(dāng)開圓孔的中心與輻板結(jié)構(gòu)中心之間的距離為1 600 mm 時，輻板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中最大值最小，為131.461 MPa。

3）開孔數(shù)量的影響。圖3-3 顯示的是開孔數(shù)量對輻板結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值的影響規(guī)律，由圖3-3 中數(shù)據(jù)可以看出，開孔數(shù)量對浮板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的影響規(guī)律也比較復(fù)雜，兩者之間并沒有呈現(xiàn)出簡單的線性比例關(guān)系。當(dāng)開孔數(shù)量為8 個時，輻板的應(yīng)力最大值最大，為145.694 MPa，出現(xiàn)這種情況的原因在于開孔數(shù)量過多，導(dǎo)致輻板結(jié)構(gòu)整體的剛度降低，受力時容易產(chǎn)生變形；其次為開孔數(shù)量為2 個時，最大應(yīng)力值為140.551 MPa；開孔數(shù)量為4 個和6 個時，與前兩種情況相比較，輻板結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力相對更低，數(shù)量為4個和6 個時，輻板結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力相差不大，分別為129.591 MPa 和131.461 MPa。就應(yīng)力最大值層面而言，應(yīng)該將輻板的開孔數(shù)量確定為4 個。但考慮到開孔數(shù)量越多，輻板結(jié)構(gòu)的加工成本以及后期的運(yùn)行成本均會更低，因此確定的開孔數(shù)量為6 個。

通過分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對輻板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值的影響規(guī)律，最終確定的開孔形狀為圓形，開孔位置為1 600 mm，開孔數(shù)量為6 個。

4 結(jié)語

以提升機(jī)卷筒裝置中的輻板結(jié)構(gòu)為研究對象，利用先進(jìn)的有限元方法對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。所得結(jié)論主要有：通過建模分析發(fā)現(xiàn)輻板正常工作時存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，且承受的是循環(huán)周期載荷，容易出現(xiàn)塑形損傷，不利于結(jié)構(gòu)件的運(yùn)行穩(wěn)定性；基于單因素變量法對輻板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了開孔形狀、開孔位置以及開孔數(shù)量對輻板應(yīng)力最大值的影響規(guī)律；基于優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果以及實(shí)際情況，確定的開孔形狀為圓形，開孔位置為1 600 mm，開孔數(shù)量為6 個。