張振國

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

引言

礦用提升機(jī)作為煤礦開采中的重要提升設(shè)備，主要完成對煤礦及其他設(shè)備在礦井中的吊裝作業(yè)[1]。但由于井下環(huán)境的惡劣性，加上提升機(jī)作業(yè)時經(jīng)常會有煤石或煤顆粒掉入提升機(jī)設(shè)備中，提升機(jī)經(jīng)常也處于超負(fù)荷提升作業(yè)，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行時出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形、局部開裂、鋼絲繩及天輪磨損嚴(yán)重、電機(jī)超負(fù)荷燒壞等現(xiàn)象，提升機(jī)一旦出現(xiàn)故障，將使得整個礦井的提升作業(yè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)癱瘓現(xiàn)象，對煤礦的開采量構(gòu)成嚴(yán)重影響。天輪作為提升機(jī)中的關(guān)鍵部件，保證其結(jié)構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及作業(yè)安全性至關(guān)重要[2]。為此，重點(diǎn)分析了JKMD5.7 型提升機(jī)及天輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對現(xiàn)有天輪的結(jié)構(gòu)性能分析，通過天輪的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，驗證了改進(jìn)后天輪具有更高的結(jié)構(gòu)性能，改進(jìn)效果明顯。

1 提升機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

礦用提升機(jī)作為煤礦中的關(guān)鍵設(shè)備，不同礦井將根據(jù)實際提升需求，選擇不同噸位的提升機(jī)設(shè)備。以JKMD5.7 型提升機(jī)為例，其結(jié)構(gòu)組成主要包括操縱系統(tǒng)、天輪系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、車槽裝置等，煤礦及貨物的上下提升運(yùn)輸則主要在驅(qū)動電機(jī)的作用下，鋼絲繩與天輪系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動作業(yè)完成，其作業(yè)原理為利用了動滑輪、定滑輪原理來完成提升作業(yè)[3]。

其中，天輪是天輪系統(tǒng)的中重要部件，其結(jié)構(gòu)包括輪緣、鋼板、輪輻、輪轂等零件，各零件之間通過焊接方式進(jìn)行連接，多個天輪進(jìn)行固定組合形成了天輪組件，與尾繩、主導(dǎo)向輪、平衡錘等部件構(gòu)成了天輪系統(tǒng)[4]。天輪在運(yùn)行過程中，由于鋼絲繩會嵌入到天輪車槽內(nèi)，鋼絲繩除了會在與天輪接觸區(qū)域形成較大摩擦力之外，還會天輪的左上側(cè)、右上側(cè)及頂部等區(qū)域承受著較大的向下拉力，最終使得天輪出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形、局部開裂等失效現(xiàn)象，若匹配設(shè)計不合理，極容易使整個天輪系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)癱瘓[5]。為此，有必要結(jié)合天輪的實際工況特點(diǎn)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能研究，以此提高天輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保障提升機(jī)的高效作業(yè)。

2 天輪結(jié)構(gòu)分析模型建立

2.1 天輪三維模型建立

為進(jìn)一步掌握J(rèn)KMD5.7 型提升機(jī)中天輪在不同工況下的結(jié)構(gòu)性能，采用了Solidworks 軟件，對其進(jìn)行了三維模型建立。根據(jù)天輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)主要包括輪緣、鋼板、輪輻、輪轂等零件組成，故在軟件中建立了包括此些零件的的天輪結(jié)構(gòu)。為保證在分析過程中天輪結(jié)構(gòu)的分析準(zhǔn)確性及速度，對天輪中的圓角、倒角、過渡圓弧等特征進(jìn)行了模型簡化[6]，按照1∶1 模型比例，完成了天輪的三維模型建立，多個天輪零件組成的天輪組件如圖1 所示。

圖1 天輪組件三維模型圖

2.2 天輪仿真模型建立

將建立的天輪三維模型導(dǎo)入至ABAQUS 軟件中，對其進(jìn)行仿真模型建立。由于天輪的實際使用材料為Q235 材料，故在軟件中將其材料設(shè)計為Q235材料。利用軟件中的智能網(wǎng)格劃分功能，采用SOLID186 實體單元類型，對模型進(jìn)行了四面體網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為361 307 個，網(wǎng)格大小設(shè)計為10 mm，網(wǎng)格劃分的天輪模型如圖2 所示。另外，將天輪輪轂中與天輪軸接觸的區(qū)域設(shè)置為了剛性接觸，并將天輪中心進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)約束，并進(jìn)行邊界固定。由此，完成了天輪的仿真分析模型的建立。此建模過程適用于當(dāng)前現(xiàn)有天輪和優(yōu)化改進(jìn)后新型天輪的模型建立，相關(guān)參數(shù)均為一致。

圖2 現(xiàn)有天輪網(wǎng)格劃分圖

3 天輪優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能對比分析

3.1 優(yōu)化前天輪結(jié)構(gòu)變形分析

經(jīng)過分析，得到了天輪結(jié)構(gòu)的變形圖，如圖3 所示。由圖可知，天輪整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為明顯的扭曲現(xiàn)象，已從圓形發(fā)生扭曲變形，局部區(qū)域發(fā)生了較為明顯的結(jié)構(gòu)變形，最大變形量為0.527 mm，發(fā)生在天輪的左上側(cè)、右上側(cè)及對應(yīng)輪輻上，天輪的頂端變形量也相對較大，在天輪底部及其他區(qū)域變形量則相對較小。分析其原因為：天輪左右上側(cè)由于作用時直接與鋼絲繩進(jìn)行接觸，是整個結(jié)構(gòu)的主要承力點(diǎn)，而頂端也承受著一定的鋼絲繩拉力，致使天輪出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)變形。由此可知，天輪的左右上側(cè)及頂端是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，一旦此區(qū)域出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)變形，將可能使得整個天輪組件發(fā)生結(jié)構(gòu)扭曲癱瘓，無法進(jìn)行正常作業(yè)，故需對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計。

圖3 現(xiàn)有天輪結(jié)構(gòu)變形圖

3.2 天輪的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計

根據(jù)對天輪的結(jié)構(gòu)變形量分析，考慮從結(jié)構(gòu)齒及輪輻數(shù)量等方面對天輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。首先確定了天輪輪輻數(shù)量為偶數(shù)，在現(xiàn)有天輪輪輻數(shù)量基礎(chǔ)上，減少2 根輪輻，并將輪輻的厚度增加2 mm，在輪緣與輪輻接觸位置增加一圈環(huán)形筋板，在保證天輪整體結(jié)構(gòu)重量基礎(chǔ)上增加整個天輪圓形的支撐剛度，優(yōu)化升級后的天輪結(jié)構(gòu)如圖4 所示。按照現(xiàn)有天輪的仿真模型建立方法，通過設(shè)計相同的約束條件，完成對改進(jìn)后天輪的仿真模型建立。

圖4 新型天輪結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 優(yōu)化后天輪結(jié)構(gòu)變形分析

經(jīng)過仿真分析，得出了新型天輪的結(jié)構(gòu)變形圖，如圖5 所示。圖為天輪結(jié)構(gòu)變形放大2 倍的效果圖，可知改進(jìn)后的天輪整體結(jié)構(gòu)變形量有所降低，最大變形位移仍處在天輪的左右上側(cè)區(qū)域，天輪頂板的變形量也有所減小，最大變形量為0.455 mm。此規(guī)律與現(xiàn)有天輪的變形規(guī)律基本相同，與現(xiàn)有天輪結(jié)構(gòu)變形量相比有所降低，鋼絲繩在與天輪相接觸區(qū)域?qū)⒕哂懈叩淖鳂I(yè)安全性。由此，說明改進(jìn)后的新型天輪具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，更能滿足提升機(jī)現(xiàn)場作業(yè)需求。

圖5 新型天輪結(jié)構(gòu)變形圖

4 結(jié)論

1）優(yōu)化前天輪的左上側(cè)、右上側(cè)及對應(yīng)輪輻等區(qū)域發(fā)生了較大程度的結(jié)構(gòu)變形，是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位；

2）通過減少輪輻數(shù)量、增加輪輻厚度、在輪緣與輪輻接觸位置增加一圈環(huán)形筋板等措施，完成了新型天輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計；

3）改進(jìn)后的新型天輪具有更小的結(jié)構(gòu)變形量，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，在與鋼絲繩接觸作業(yè)時具有更高的安全性。