杜少華

(潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦,山西 長(zhǎng)治 046299)

煤礦運(yùn)輸絞車的機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析

杜少華

(潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦,山西 長(zhǎng)治 046299)

煤礦輔助運(yùn)輸系統(tǒng)是煤礦機(jī)電系統(tǒng)和采掘系統(tǒng)的重要組成部分。運(yùn)輸絞車作為輔助運(yùn)輸系統(tǒng)不可或缺的設(shè)備,對(duì)于煤礦井下輔助運(yùn)輸有著不可或缺的重要作用。滾筒是運(yùn)輸絞車的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu),在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中其受力狀況非常繁雜,只運(yùn)用傳統(tǒng)的理論運(yùn)算分析很難獲得相對(duì)精確的結(jié)果。針對(duì)目前煤礦的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)存在的問(wèn)題,對(duì)礦用運(yùn)輸絞車的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)滾筒部分進(jìn)行了有限元分析,同時(shí)完成了對(duì)其的力學(xué)分析,通過(guò)有限元分析,驗(yàn)證了力學(xué)分析計(jì)算的正確性,同時(shí)說(shuō)明機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度都能夠達(dá)到要求,這為以后的進(jìn)一步研究奠定了科學(xué)基礎(chǔ),對(duì)后續(xù)的發(fā)展具有重要意義。

運(yùn)輸絞車;滾筒;有限元分析

礦用絞車作為軌道運(yùn)輸?shù)臓恳b置是煤礦不可或缺的輔助運(yùn)輸裝置。在礦山采掘及運(yùn)輸情況下,物料運(yùn)輸、綜采設(shè)備移動(dòng)及其他設(shè)備的牽引都需絞車來(lái)完成,其非常普遍的運(yùn)用在礦井的各個(gè)角落[1-3]。其工作性能的好壞在很大程度上直接影響到礦井的生產(chǎn)效率及安全,如果出現(xiàn)故障將致使非常嚴(yán)重的后果。目前我國(guó)礦井的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)非常落后,礦用絞車作為煤礦輔助運(yùn)輸?shù)弥饕O(shè)備,滾筒的安全性、實(shí)用性以及力學(xué)性能直接影響礦用絞車的運(yùn)行的安全與效率。本文通過(guò)力學(xué)分析和有限元分析對(duì)礦用JYB 型運(yùn)輸絞車的關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)——滾筒進(jìn)行力學(xué)性能分析和安全性評(píng)估。

1 滾筒結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

1.1滾筒筒壁受鋼絲繩的徑向力

鋼絲繩環(huán)繞滾筒致使對(duì)其筒壁形成相對(duì)均勻的徑向擠壓力,把環(huán)繞的繩圈看做繩環(huán),同時(shí)同一圈的鋼絲繩張力是常數(shù),滾筒所承受的徑向力是均勻分布的載荷。鋼絲繩環(huán)繞滾筒僅一層時(shí)的受力示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 滾筒單元受力示意圖Fig.1 Force diagram of the roller unit

(1)

鋼絲繩對(duì)筒壁的徑向均勻分布的壓力:

(2)

式中:F表示鋼絲繩承受的拉力,kN;S表示鋼絲繩繩槽寬度,通常情況下是鋼絲繩直徑的1.1倍,mm;D0表示滾筒直徑,取為580 mm。

最大負(fù)載拉力Fjm=76 kN,則Pr1=10.82 MPa。

多層繞繩前提下,下層鋼絲繩將承受其上層壓迫及滾筒筒壁的徑向彎曲形變導(dǎo)致張力縮小,進(jìn)而導(dǎo)致筒壁上承受的壓力無(wú)法依附繞繩層數(shù)的升高而線性擴(kuò)大。設(shè)置多層環(huán)繞系數(shù)An,則鋼絲繩對(duì)筒壁的徑向均勻分布?jí)毫?

Prn=AnPr1.

(3)

若環(huán)繞層數(shù)n=11,則A11=3.2,進(jìn)而Pr11=34.62 MPa。

滾筒在徑向力Prn擾動(dòng)下其內(nèi)壁出現(xiàn)的最大切應(yīng)力:

σmax=PrnD0/2δ.

(4)

式中:δ表示滾筒的壁厚,δ=40 mm。

251.02 MPa .

已知滾筒材料ZG35CrMo,其材料屈服強(qiáng)度及安全系數(shù)分別是δs=390 MPa及1.5,則滾筒許用應(yīng)力:

251.02 N/mm2=σmax.

(5)

滾筒最大徑向位移:

(6)

式中:E1表示滾筒的彈性模量,E1=2.22×105MPa；a及b分別表示滾筒內(nèi)外壁半徑,a=250 mm,b=290 mm；μ表示材料泊松比,μ=0.30。

1.2沒(méi)有繞到滾筒上的鋼絲繩的拉力致使的彎曲及扭轉(zhuǎn)

鋼絲繩于某一壓力前提下繞至滾筒,對(duì)滾筒的力:① 已繞至滾筒的對(duì)其的擠壓力；② 沒(méi)有繞至滾筒的對(duì)其的彎曲及扭轉(zhuǎn)作用力[4]。滾筒能夠看做是空心圓柱體,其直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于厚度,同時(shí)擁有相對(duì)很高的截面慣性矩,所以沒(méi)有繞至滾筒的鋼絲繩對(duì)其筒壁的剪應(yīng)力及彎曲應(yīng)力都非常小,能夠不予考慮。

1.3滾筒側(cè)壁受鋼絲繩的軸向力

鋼絲繩于環(huán)繞層間過(guò)渡時(shí),對(duì)側(cè)板造成軸向推力而致使其出現(xiàn)彎曲產(chǎn)生應(yīng)力,其大小和鋼絲繩的張力、環(huán)繞層數(shù)及其和筒壁之間的摩擦因數(shù)相關(guān)[5]。致使的軸向力:

F2=1.145Fne-0.009n.

(7)

式中：F表示鋼絲繩于滾筒環(huán)繞n層時(shí)的拉力,kN。

經(jīng)過(guò)添加自動(dòng)排繩設(shè)備以使得其能夠均勻排布,同時(shí)換層時(shí)能夠平穩(wěn)完成,所以在很大程度上鋼絲繩對(duì)側(cè)壁產(chǎn)生的應(yīng)力很小,能夠不予考慮。

2 滾筒有限元分析

滾筒是運(yùn)輸絞車的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu),在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中其受力狀況非常繁雜,只運(yùn)用傳統(tǒng)的理論運(yùn)算分析很難獲得相對(duì)精確的結(jié)果。因此運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析[6],分析其在實(shí)際工作狀況下的受力狀況,明確其應(yīng)力分布狀況。

滾筒材料參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 滾筒材料參數(shù)Table 1 Material parameters of the roller

其網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

滾筒承受的力僅僅考慮已繞至滾筒的鋼絲繩對(duì)其造成均勻分布的徑向力及重力作用,對(duì)滾筒外壁的載荷Pr11=34.62 MPa。添設(shè)重力加速度時(shí)其實(shí)際添設(shè)的是慣性力,方向和重力方向相反,g=9 800 mm/s2。滾筒在很大程度上是全部由軸承完成支撐的,和軸承相互配合的地方變形相對(duì)非常小,所以能夠把滾筒和軸承的接觸面位置當(dāng)做是固定約束,即每個(gè)方向上都沒(méi)有出現(xiàn)位移。滾筒幾何形狀、約束及受力都是對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此在滾筒的對(duì)稱面上添加對(duì)稱約束。

3 有限元結(jié)果分析

有限元分析得到的滾筒的綜合位移云圖及等效應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖3及圖4。

圖4 滾筒綜合位移云圖Fig. 4 Cloud map of comprehensive displacement of the roller

根據(jù)圖3及圖4能夠獲知,運(yùn)輸絞車在工作歷程中,于最大載荷情況下出現(xiàn)相對(duì)非常小幅度的形變,其左側(cè)板的位置變形相對(duì)來(lái)說(shuō)非常小,愈是逼近滾筒兩側(cè)其出現(xiàn)的形變情況也就愈是嚴(yán)重,其中最大位置形變是0.0625 mm。滾筒的平均等效應(yīng)力愈是逼近滾筒右邊四分之一位置其數(shù)值愈高,然而極大值發(fā)生在軸承對(duì)滾筒的支撐臺(tái)階位置是256.01 MPa,擁有應(yīng)力集中的現(xiàn)象,其數(shù)值大小相對(duì)低于許用應(yīng)力260 MPa。所以其強(qiáng)度符合要求。

運(yùn)用ANSYS獲得滾筒內(nèi)外壁沿軸線方向的應(yīng)力及位移改變曲線見(jiàn)圖5、圖6、圖7及圖8。

圖5 滾筒外壁沿軸線方向的應(yīng)力改變Fig.5 Stress variation of the outer wall of the roller along the axis direction

圖6 滾筒外壁沿軸線方向的位移改變Fig.6 Displacement variation of the outer wall of the roller along the axis direction

圖7 滾筒內(nèi)壁沿軸線方向的應(yīng)力改變Fig.7 Stress variation of the inner wall of the roller along the axis direction

圖8 滾筒內(nèi)壁沿軸線方向的位移改變Fig.8 Displacement variation of the inner wall of the roller along the axis direction

根據(jù)圖5至圖8能夠獲知,在滾筒的右邊四分之一位置平均等效應(yīng)力及形變均到達(dá)了極大值,滾筒的等效應(yīng)力極大值是256.01 MPa,其數(shù)值大小相對(duì)來(lái)說(shuō)非常逼近許用應(yīng)力260 MPa,進(jìn)而表明了應(yīng)力分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。滾筒于結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)在很大程

度上并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的空心厚壁筒,會(huì)受到其側(cè)邊壁厚改變的擾動(dòng);在曲線的左右兩側(cè)發(fā)生應(yīng)力突變?cè)醋允艿綕L筒內(nèi)部臺(tái)階的擾動(dòng)影響。滾筒內(nèi)壁的形變相對(duì)于其外壁來(lái)說(shuō)數(shù)值比較高,內(nèi)外壁形變極大值分別是6.25×10-2mm及6.0×10-2mm,這個(gè)形變數(shù)值和理論運(yùn)算得到的數(shù)值相差0.06 mm,相對(duì)來(lái)說(shuō)非常相近,這表明了形變分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

對(duì)礦用運(yùn)輸絞車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)-滾筒的力學(xué)性能進(jìn)行研究分析,運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行了有限元分析,對(duì)滾筒應(yīng)力應(yīng)變狀況進(jìn)行了重點(diǎn)分析,其結(jié)果驗(yàn)證了力學(xué)分析計(jì)算的正確性,同時(shí)說(shuō)明機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度都能夠達(dá)到要求,這為以后的進(jìn)一步研究奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

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FiniteElementAnalysisonMechanicalStructureofHaulageWinchinMines

DUShaohua

(XiadianMine,CilingshanMiningCo.,Ltd.,Lu’anGroup,Changzhi046299,China)

Auxiliary transport system is an important part of the electromechanical system and mining system in mines.Haulage winch is indispensable in the auxiliary transport system.As a key bearing structure, the force status of the roller is complicated in the actual operation.Traditional theoretical analysis is difficult to obtain the precise results.To solve the problems in the current auxiliary transport system,finite element analysis was conducted on the roller of the winch.The finite element analysis verified the mechanical analysis,which means that the strength and rigidity of the mechanical structure have met the requirement.The study has laid a scientific basis for the further research,which is also important for the future development.

haulage winch; roller; finite element analysis

1672-5050(2017)04-0033-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.010

2017-06-28

杜少華(1986-),男,山西壺關(guān)人,大學(xué)本科,工程師,從事煤礦機(jī)電方面的研究。

TD421.8

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(編輯:楊 鵬)