煤礦運輸絞車的機械結構有限元分析

杜少華

(潞安集團慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦,山西 長治 046299)

煤礦運輸絞車的機械結構有限元分析

杜少華

(潞安集團慈林山煤業(yè)有限公司夏店煤礦,山西 長治 046299)

煤礦輔助運輸系統(tǒng)是煤礦機電系統(tǒng)和采掘系統(tǒng)的重要組成部分。運輸絞車作為輔助運輸系統(tǒng)不可或缺的設備,對于煤礦井下輔助運輸有著不可或缺的重要作用。滾筒是運輸絞車的關鍵承載結構,在實際運轉(zhuǎn)過程中其受力狀況非常繁雜,只運用傳統(tǒng)的理論運算分析很難獲得相對精確的結果。針對目前煤礦的輔助運輸系統(tǒng)存在的問題,對礦用運輸絞車的關鍵機械結構滾筒部分進行了有限元分析,同時完成了對其的力學分析,通過有限元分析,驗證了力學分析計算的正確性,同時說明機械結構強度及剛度都能夠達到要求,這為以后的進一步研究奠定了科學基礎,對后續(xù)的發(fā)展具有重要意義。

運輸絞車;滾筒;有限元分析

礦用絞車作為軌道運輸?shù)臓恳b置是煤礦不可或缺的輔助運輸裝置。在礦山采掘及運輸情況下,物料運輸、綜采設備移動及其他設備的牽引都需絞車來完成,其非常普遍的運用在礦井的各個角落[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)故障將致使非常嚴重的后果。目前我國礦井的輔助運輸系統(tǒng)非常落后,礦用絞車作為煤礦輔助運輸?shù)弥饕O備,滾筒的安全性、實用性以及力學性能直接影響礦用絞車的運行的安全與效率。本文通過力學分析和有限元分析對礦用JYB 型運輸絞車的關鍵機械結構——滾筒進行力學性能分析和安全性評估。

1 滾筒結構力學分析

1.1滾筒筒壁受鋼絲繩的徑向力

鋼絲繩環(huán)繞滾筒致使對其筒壁形成相對均勻的徑向擠壓力,把環(huán)繞的繩圈看做繩環(huán),同時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)繞滾筒僅一層時的受力示意圖見圖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致張力縮小,進而導致筒壁上承受的壓力無法依附繞繩層數(shù)的升高而線性擴大。設置多層環(huán)繞系數(shù)An,則鋼絲繩對筒壁的徑向均勻分布壓力:

Prn=AnPr1.

(3)

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

滾筒在徑向力Prn擾動下其內(nèi)壁出現(xiàn)的最大切應力:

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,其材料屈服強度及安全系數(shù)分別是δs=390 MPa及1.5,則滾筒許用應力:

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,對滾筒的力:① 已繞至滾筒的對其的擠壓力；② 沒有繞至滾筒的對其的彎曲及扭轉(zhuǎn)作用力[4]。滾筒能夠看做是空心圓柱體,其直徑遠遠高于厚度,同時擁有相對很高的截面慣性矩,所以沒有繞至滾筒的鋼絲繩對其筒壁的剪應力及彎曲應力都非常小,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)繞層間過渡時,對側(cè)板造成軸向推力而致使其出現(xiàn)彎曲產(chǎn)生應力,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[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層時的拉力,kN。

經(jīng)過添加自動排繩設備以使得其能夠均勻排布,同時換層時能夠平穩(wěn)完成,所以在很大程度上鋼絲繩對側(cè)壁產(chǎn)生的應力很小,能夠不予考慮。

2 滾筒有限元分析

滾筒是運輸絞車的關鍵承載結構,在實際運轉(zhuǎn)過程中其受力狀況非常繁雜,只運用傳統(tǒng)的理論運算分析很難獲得相對精確的結果。因此運用ANSYS軟件對滾筒結構進行有限元分析[6],分析其在實際工作狀況下的受力狀況,明確其應力分布狀況。

滾筒材料參數(shù)，見表1。

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

其網(wǎng)格劃分見圖2。

滾筒承受的力僅僅考慮已繞至滾筒的鋼絲繩對其造成均勻分布的徑向力及重力作用,對滾筒外壁的載荷Pr11=34.62 MPa。添設重力加速度時其實際添設的是慣性力,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非常小,所以能夠把滾筒和軸承的接觸面位置當做是固定約束,即每個方向上都沒有出現(xiàn)位移。滾筒幾何形狀、約束及受力都是對稱結構,因此在滾筒的對稱面上添加對稱約束。

3 有限元結果分析

有限元分析得到的滾筒的綜合位移云圖及等效應力云圖分別見圖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,運輸絞車在工作歷程中,于最大載荷情況下出現(xiàn)相對非常小幅度的形變,其左側(cè)板的位置變形相對來說非常小,愈是逼近滾筒兩側(cè)其出現(xiàn)的形變情況也就愈是嚴重,其中最大位置形變是0.0625 mm。滾筒的平均等效應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)生在軸承對滾筒的支撐臺階位置是256.01 MPa,擁有應力集中的現(xiàn)象,其數(shù)值大小相對低于許用應力260 MPa。所以其強度符合要求。

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

圖5 滾筒外壁沿軸線方向的應力改變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力及形變均到達了極大值,滾筒的等效應力極大值是256.01 MPa,其數(shù)值大小相對來說非常逼近許用應力260 MPa,進而表明了應力分析結果的準確性。滾筒于結構上來說在很大程

度上并不是一個標準的空心厚壁筒,會受到其側(cè)邊壁厚改變的擾動;在曲線的左右兩側(cè)發(fā)生應力突變源自受到滾筒內(nèi)部臺階的擾動影響。滾筒內(nèi)壁的形變相對于其外壁來說數(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,這個形變數(shù)值和理論運算得到的數(shù)值相差0.06 mm,相對來說非常相近,這表明了形變分析結果的準確性。

4 結論

對礦用運輸絞車關鍵結構-滾筒的力學性能進行研究分析,運用ANSYS軟件對其進行了有限元分析,對滾筒應力應變狀況進行了重點分析,其結果驗證了力學分析計算的正確性,同時說明機械結構強度及剛度都能夠達到要求,這為以后的進一步研究奠定了科學基礎。

[1] 黃健.我國煤礦輔助運輸?shù)奶攸c與發(fā)展方向[J].山西焦煤科技,2006,(12):25-26.

HUANG Jian.The Features and Development Direction of Subsidirary Transportation in the Coal Mine in our Country[J].Shanxi Coking Coal Science & Technology,2006,(12):25-26.

[2] 徐懷剛. 基于遠程控制的礦用液壓運輸絞車的設計與研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學,2014.

XU Huaigang.Design and Research on Mining Hydraulic Transport Winch Based on Long-range Control[D].Xuzhou:China University of Mining & Technology,2014.

[3] 袁世鵬.礦用氣動絞車的設計與研究[D].徐州:中國礦業(yè)大學,2015.

YUAN Shipeng.Design and Research on Mining Pneumatic Winch[D].Xuzhou:China University of Mining & Technology,2015.

[4] 付永濤. 礦用井下裝載機變速器的三維建模及有限元分析[D].西安建筑科技大學,2014.

FU Yongtao.Three-dimensional Modeling and Finite Element Analysis of Transmission on LHDs[D].Xi’an:Xi’an University of Architecture and Technology,2014.

[5] 葉南海,李光耀,金秋談,等. 礦用大功率提升絞車無級調(diào)速器設計研究[J]. 湖南大學學報(自然科學版),2007,(09):21-25.

YE Nanhai,LI Guangyao,JIN Qiutan,etal.A Design Research on Automatic Shift of High-Power Upgrade Winch in Mine[J].Journal of Hunan University(Natural Sciences),2007,(09):21-25.

[6] 白好杰,唐大放,董程林,等.礦井提升絞車卷筒的有限元分析[J].礦山機械,2011,39(06):59-62.

BAI Haojie,TANG Dafang,DONG Chenglin,etal.Finite element analysis of drum of mine winch[J].Ming & Processing Equipment,2011,39(06):59-62.

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,山西壺關人,大學本科,工程師,從事煤礦機電方面的研究。

TD421.8

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(編輯:楊 鵬)