調度絞車滾筒的設計與有限元分析

周穎

摘要：礦用調度絞車主要用于礦井井下及地面裝載調度編組礦車、中間巷道中拖運礦車及其他輔助搬運工作，還運用在斜巷提升、井口裝罐及作翻機動力。本文對調度絞車中的滾筒進行設計，并進行了有限元分析。

關鍵詞：調度絞車；滾筒；有限元

1 滾筒各個參數的確定

根據公式 確定滾筒的直徑，式中 為鋼絲繩直徑，取 ，則 ，取 ，根據滾筒的直徑 和鋼絲繩的直徑12.5mm，取纏繞層數為14層，計算各層鋼絲繩的周長如表1：

要實現300m的容繩量，則需要的圈數為：300/13.243=22.65圈，圈數取整為24圈，則容繩量為24×13.243=317.8m>300m，故能滿足容繩量的要求。此時，滾筒鋼絲繩的深度為14×12.5=175mm，滾筒大徑要在最外層鋼絲繩上放寬一個裕度。裕度值為：4×12.5=50mm，則滾筒外徑

滾筒寬度： 。滾筒厚度 ，取

2 滾筒體的有限元分析

2.1滾筒體的靜態分析

1）材料的選擇

材料選擇：根據滾筒當前的工作條件和加工成本的考慮，滾筒體材料采用Q235-A，彈性模量為2.06e5MPa，泊松比為 =0.30，許用應力為65MPa。

2）網格的劃分

網格的劃分對于有限元模型的分析至關重要，網格劃分的數目和形狀直接影響計算的速度和分析結果的精度。滾筒形狀規則，厚度均勻，可采用SolidWorks的實體單元進行網格的劃分。劃分結果見圖1：

3）滾筒的約束

傳動滾筒與端蓋裝配體共有六個方向的自由度，分別是裝配體三個方向的移動和3個方向的轉動。本文位移約束選擇“固定鉸鏈”，附加在滾筒體兩端端蓋的軸承孔的內表面，只保留滾筒體繞軸線轉動的自由度[34]。

4）力的加載

繩子均勻繞在滾筒上，可以把繩子的拉力載荷等效為滾筒體圓周面上的均布載荷。施加的面載荷計算如下：

5）有限元的分析結果如圖3所示

滾筒的強度、剛度校核

（1）強度校核

帶入數值得到 =0.157mm，由滾筒位移分布云圖知，滾筒最大位移 為0.00148mm。所以 < ，完全符合剛度要求。

2.2 滾筒體的模態分析

模態分析主要是分析滾筒動態特性的一種方法[35]。此處主要是確定滾筒的固有振動特性，即固有頻率和模態振型。通過模態分析可知滾筒在此頻段內在震源的作用下產生的實際振動響應。

1）滾筒網格劃分及位移約束

參照前面的靜態分析，仍采用SoildWorks單元實體網格進行劃分。滾筒體兩端端蓋的軸承孔的內表面進行約束。

2）模態分析結果

通過有限元法的分析得到固有頻率和振型，我們主要對前五階進行分析。

根據以上分析結果可以得到每一階的固有頻率和振型，根據公式 =60f，可以得到每一階的臨界轉速。其結果見表2。

從表中分析可知前五階的臨界轉速都達了兩萬轉以上，引起滾筒體共振的最低臨轉速為22012 r/min。本設計中，滾筒的最大轉速根據繩速計算可得到。繩速的最大值為1.2m /s，滾筒直徑220mm，

根據公式 V=πdn /1000 （2-3）

計算可知本設計中滾筒體的最高轉速為102r/min，遠遠低于引起共振的最低臨界轉速。故在運行過程中，滾筒體不會發生共振。

3 結論

對調度絞車的滾筒進行了設計，用三維建模solidworks建立了實體模型，校核了滾筒的強度和剛度，并運用solidworks軟件中的similation模塊對滾筒進行靜態和模態分析，確定了滾筒體的剛度和強度滿足要求，并且在運行過程中，滾筒體不會發生共振，為調度絞車的設計提供了參考。