煤礦架空乘人裝置改向滑輪受力分析及優化

楊濤

（山西鄉寧焦煤集團 毛則渠煤炭有限公司，山西 鄉寧 042100）

1 概 況

煤礦架空乘人裝置承擔煤礦井下斜巷和平巷運輸任務的關鍵設備，主要以電動機帶動減速機上的摩擦輪形成驅動裝置，以敷設在空中無極鋼絲繩牽引，鋼絲繩依靠系統尾部的張緊裝置實現張緊，整個過程沿途利用各個托繩輪進行支撐，實現架空乘人運輸工作。架空乘人裝置在實際運行過程中，改向滑輪是進行軌道方向調整的重要部件，對設備整體的運行穩定性非常關鍵，但改向滑輪非常容易磨損，威脅煤礦井下生產安全。本文以毛則渠煤礦當前應用的RJY35 型架空乘人裝置為研究對象，對其改向滑輪的受力情況進行分析，探究優化方案。

毛則渠煤礦102 巷道應用RJY35 型架空乘人裝置進行運輸，102 巷道分4 段，具體情況見表1。

表1 102 巷道原始參數Table 1 102 original parameters of roadway

為確保在巷道不同區段間可以安全高效連續運輸，在RJY35 型架空乘人裝置運行過程中，應用改向滑輪進行工作方向和運輸方向的調整。但在毛則渠煤礦日常設備檢修工作統計中發現，RJY35 型架空乘人裝置改向滑輪磨損頻繁，需要經常進行維修和更換，影響煤礦的開采效率，對生產安全也是不利因素。因此決定對該改向滑輪進行優化。

2 改向滑輪受力分析與討論

2.1 有限元分析模型的建立

在此次研究中，力學分析的首要步驟是建立毛則渠煤礦RJY35 型架空乘人裝置改向滑輪有限元分析模型。毛則渠煤礦所用的改向滑輪材料為16Mn，屈服強度為345 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.30，建模時對小圓角、倒角、軸頸和溝槽等部位進行簡化處理。在模型簡化完成后，應用ABAQUS 軟件，采用求解精度更具優勢的二次減縮積分C3D20R 單元模型進行網格劃分，共計得到13 284 個單元，劃分網格后的改向滑輪有限元分析模型如圖1 所示。

圖1 劃分網格后的改向滑輪有限元分析模型Fig.1 Finite element analysis model of reversing pulley after meshing

根據毛則渠煤礦102 巷道改向滑輪的實際運行情況，在改向滑輪軸的中間位置建立參考點，將參考點與改向滑輪軸相配合的面建立Coupling 耦合約束，然后在參考點上施加相應的邊界條件，控制其6 個方向的自由度。

2.2 仿真分析主要參數的確定

結合架空乘人系統改向滑輪的實際運行特征可知，改向滑輪主要通過加大驅動輪圍包角的方式來提升驅動輪的工作能力。對此，進行改向滑輪的受力分析，如圖2 所示。

圖2 改向滑輪承載鋼絲繩靜張力時的受力分析Fig.2 Stress analysis of redirection pulley bearing static tension of steel wire rope

根據圖2 中的受力分析，設鋼絲繩與改向滑輪之間存在靜壓力p，且改向滑輪自身半徑為R，則鋼絲繩在水平方向處于平衡時，其可通過如下方程表示：

對該方程做進一步化簡后可得：

式中：F 為鋼絲繩的張力，根據實際情況，取27.962 kN；θ0為鋼絲繩與改向滑輪的包角，220°；R 為改向滑輪半徑，225 mm；B 為改向滑輪的寬度，18 mm。代入上述已知數據后，求得靜壓力p 的值為4.834 MPa。

在確定靜壓力數據后，以此作為載荷數值進行分析。同時在仿真分析過程中，考慮改向滑輪自重和慣性的影響，只考慮鋼絲繩正壓力對改向滑輪的作用。在鋼絲繩與改向滑輪的接觸面上施加一個在圓周方向上按照均勻規律變化的載荷。

2.3 改向滑輪應力仿真分析

在確定仿真分析載荷數值及分布后，首先進行改向滑輪的應力分析，基于ABAQUS 有限元分析軟件中的standard 求解器自動進行，求解得到的應力分布情況如圖3 所示。

圖3 改向滑輪應力分布云圖Fig.3 Stress distribution cloud diagram of reversing pulley

根據圖3 可知，在改向滑輪模擬運行過程中，滑輪與軸相接處出現較高應力值，最大應力值約為259.74 MPa。雖然該數值低于材料的許用應力（結合實際情況，按照安全系數1.1 計算，材料的許用應力約為313 MPa），但二者已經較為接近，且應力集中問題相對較為突出，與驅動軸之間的磨損問題顯著，因此如何降低滑輪與驅動軸之間的接觸應力及集中度，是降低其磨損率的關鍵。

2.4 改向滑輪位移仿真分析

在應力分析的基礎上，進一步分析改向滑輪的位移，應用ABAQUS 有限元分析軟件中的standard求解器自動進行分析，最終得到位移分布情況如圖4 所示。

圖4 改向滑輪位移分布云圖Fig.4 Displacement distribution cloud diagram of reversing pulley

根據圖4 可知，改向滑輪與鋼絲繩相連接的位置存在位移，造成這種現象的原因主要源自改向滑輪自身的設計，主要包括以下3 點：①改變運輸方向需要改向滑輪引導鋼絲繩在不同的路徑上移動，需要一定的位移量確保鋼絲繩有足夠的長度來完成路徑的變化，以便將乘人裝置從一個方向轉向另一個方向；②鋼絲繩在滑輪系統中始終保持一定的張緊度，確保在運輸過程中不會出現松弛或過度緊繃的情況，一定的位移量可以提供足夠的張緊度，使鋼絲繩處于適當的張力狀態；③運輸過程中，鋼絲繩周圍的滑輪會發生彎曲，為了避免過度彎曲導致繩索的過早磨損或損壞，需要一定的位移量來確保足夠的彎曲半徑。

從位移量數據來看，其整體位移值處于較小水平，約為0.001 7 mm，顯著低于位移量的允許上限值0.1 mm，在許可范圍內。

3 改向滑輪優化與實際測試

通過上文的仿真分析結果可知，在此次分析的改向滑輪模型中，主要存在的問題是滑輪與軸相接處的應力值較高，且應力集中問題較為明顯，因此基于以上兩方面問題制定優化方案。在查閱相關文獻和類似案例后，確定采用以下兩方面的措施：其一，針對滑輪與軸相接處的接觸應力較高的問題，對接觸部位材料進行替換，選擇韌性較高的材料降低接觸應力；其二，針對應力值較為集中的問題，在接觸部位添加緩沖材料，吸收和消散部分沖擊載荷，降低應力集中程度。

將上述解決方案具體化，即確定替換材料的韌性和彎曲性能，以及確定緩沖材料的材質及其合理厚度。為同時解決上述兩方面的優化問題，決定采用多目標優化算法進行優化設計工作。為兼顧效率和準確性，此次多變量遺傳算法在編寫代碼時，控制編碼長度為20，迭代運算次數則進行100 次，算法中“個體”的交叉和遺傳概率分別為0.7 和0.035，以此運行多變量遺傳算法進行求解。最終確定優化結果，針對材料優化問題，采用Q450 鋼替換16Mn 材料；應用高分子有機材料作為緩沖，緩沖材料厚度為1.5 mm。

應用有限元分析方法重新分析優化后的改向滑輪的應力與應變情況。分析結果顯示，在改向滑輪進行優化設計后，最大應力值由初始的239.74 MPa下降至103.72 MPa，且應力集中于滑輪與軸相接處的問題得到有效改善。

4 結語

針對毛則渠煤礦102 巷道RJY35 型架空乘人裝置中的改向滑輪磨損較快、更換頻繁的問題，通過仿真分析方法，對其進行受力分析，研究其在運行過程中的應力及位移分布，表明主要存在的問題是滑輪與軸相接處的應力值較高，且應力集中問題較為明顯，并確定了優化方向。以多目標遺傳算法為工具，對改向滑輪進行優化改進，將改向滑輪材質更換為Q450 鋼，在接觸部位添加高分子有機材料作為緩沖，厚度為1.5 mm。將優化后的改向滑輪應用在毛則渠煤礦102 巷道RJY35 型架空乘人裝置中，從現場反饋來看，應用效果良好，改向滑輪磨損程度和速度都有所降低，減少了更換維修頻率，提高了生產效率。