煤礦換繩系統中橫梁的優化分析

杜建平

（山西離柳焦煤集團有限公司， 山西 孝義 032302）

引言

近些年來，隨著采礦技術的不斷發展，立井多繩摩擦提升系統的數量不斷增加，特別是隨著多繩摩擦提升機在千米深井上的應用，由于其提升系統井筒裝備大、繩徑粗、鋼絲繩質量大，導致換繩安全風險不斷增大[1]。橫梁作為換繩系統中一個重要的部件，承載著換繩設備及鋼絲繩等部件的主要載荷。在換繩過程中，橫梁是否可靠承載，是換繩系統安全運行及煤礦安全生產的關鍵。

1 步進式換繩系統橫梁工作工況

步進式自動換繩設備機械結構系統結構如圖1所示。機架上緊固兩個放繩油缸和定橫梁，然后將滑塊固定在放繩油缸的活塞上，通過動橫梁將兩個滑塊連接起來，形成一套完整的機械系統。滑塊可沿著裝在機架上的導軌自由滑動，定、動橫梁上分別裝有一卡繩器，并安裝在控制油缸兩端。

本文結合孔莊煤礦副立井提升機參數，主要針對換繩系統動橫梁的受力環境進行分析。表1為孔莊煤礦副立井提升機鋼絲繩參數表，配套使用四根44ZBB6X36WS+FC型鋼絲繩。

根據表1中數據可知，孔莊煤礦提升機井筒中每根鋼絲繩質量為7560.9 kg。為了使動橫梁支撐安全可靠，設計橫梁承重為井筒內鋼絲繩質量的1.5倍作為安全裕量，換繩設備附件質量為200 kg，因此，橫梁設計承重要求為11.54 t。

圖1 步進式換繩設備系統結構圖

表1 孔莊煤礦副立井提升機鋼絲繩參數表

2 換繩設備橫梁靜力學分析

換繩設備動橫梁由放繩油缸滑塊支撐，通過螺栓與滑塊緊密連接，橫梁承載著鋼絲繩及卡繩器的質量，受力模型可簡化為簡支梁形式。卡繩器固定好鋼絲繩后，動橫梁隨著滑塊做上下運動，鋼絲繩的重力對橫梁橫截面產生傾覆力矩引起橫梁的扭轉變形。由于卡繩器相對尺寸較小，力臂較短，對橫梁產生的傾覆力矩較小，因此忽略不計。由此建立力學模型如圖2所示。

圖2 橫梁受力簡圖

圖2 中：L為橫梁長度，值為3600 mm；C為橫梁中點；A、B為橫梁連接點；F為所受的拉力及自身重力，Fa、Fb為兩端滑塊對橫梁的拉力。

根據前述可知，G=mg=11.54×103×10=115.4 kN，所以有 F=G=115.4 kN，Fa=Fb=G/2=57.7 kN[2]。

在AC段時，橫梁所受的彎矩為：M（x）=Fax，（0＜x＜L/2），AC 段受力圖見圖 3。

根據上述數據，帶入公式得M（x）=57700x，（0＜x＜L/2）。

同理在 CB 段，所受的彎矩為：M（x）=57700x，（0＜x＜L/2），BC 段受力圖見圖 4。

根據上述計算，求得彎矩圖，如圖5所示。

圖3 AC段受力圖

圖4 BC段受力圖

圖5 橫梁所受彎矩圖

根據上述計算及分析可以看出，橫梁在C點受到彎矩最大，且為Mmax=103860 N·m。橫梁材料為方鋼，邊長a為200 mm，查資料得方鋼的抗彎截面系數，W=a3/6=1333.3×10-6。

最大彎曲應力σmax=Mmax/W=77.9 MPa。

根據材料力學中強度相關公式可知，若滿足強度條件則有

其中[σ]為許用應力，橫梁材料為 Q235，所以 σ=235 MPa，取 抗 彎 系 數 K=2，許 用 應 力 [σ]=σ/K=117.5 MPa。有 σmax=77.9 MPa≤[σ]=117.5 MPa，故橫梁滿足條件。

3 換繩系統橫梁優化分析

由上節分析結果可知，動橫梁采用邊長為200mm的Q235鋼梁時，可以滿足換繩系統靜載荷要求。橫梁如此設計雖可滿足強度要求，但在工程實踐過程中會造成裝載、運輸及使用時的極大不便。因此，需對橫梁的結構形式進行優化設計，使其在滿足使用需求的情況下，提高其比剛度和比強度。

3.1 橫梁模型建立及網格劃分

橫梁的靜態特性與它的結構形式、所選材料及橫截面形狀有直接關系，根據前述換繩系統中橫梁所承受靜載荷的受力分析及彎矩分析，采用桁架式橫梁。通過設計不同種桁架式橫梁結構的實現形式、仿真橫梁比剛度和比強度等參數，選出較為適合的橫梁架構。結合常見的橫梁設計方法，建立了兩種橫梁方案模型，如圖6所示，6-1為井字結構，6-2為X結構。

圖6 橫梁結構示意圖

通過UG10.0建立三維模型，為方便有限元仿真，將橫梁進行理想化處理，去除橫梁焊接倒角及螺釘孔等特征，然后通過UG仿真模塊NX Nastran進行靜力學仿真。材料設置為Q235；材料屬性密度為7.85 g/cm3；彈性模量，E 為 200～210 GPa；泊松比，ν為 0.25～0.33；抗拉強度，σb為 370～500 MPa；屈服強度為235；單元采用四節點四面體單元。

3.2 橫梁約束與載荷

動橫梁與滑塊之間通過螺栓連接，將約束動橫梁兩端對應滑塊固定螺栓位置的六個自由度作為邊界條件，由彎矩圖的受力分析可以看出橫梁中心處受集中載荷，因此在模型的中心位置施加鋼絲繩的重力載荷，由于其作用于卡繩器，所以轉化為橫梁中心壓強載荷，施加橫梁自身重力。載荷與約束施加情況，如圖7所示。

圖7 載荷與約束情況

3.3 求解結果與分析

通過NX Nastran求解器進行有限元仿真求解，得到兩種橫梁結構總形變量、三個方向最大形變量及應力云圖。兩種橫梁結構形變云圖如圖8所示。

兩種橫梁結構應力云圖如圖9所示。

圖8 形變云圖

圖9 應力云圖

從分析結果表2可以看出：兩種橫梁都發生了不同程度的彎曲變形，其中X形橫梁的總位移、單方向位移及應力均較小，具有較好的靜態特性。X形的質量較重，但是比剛度更好。

表2 兩種橫梁的質量及靜力變形量

4 結論

1）橫梁作為換繩裝置中重要的部件，關系到換繩系統運行穩定及換繩操作的安全性，必須經過系統校核其剛度、強度，并留有一定的安全余量；

2）在橫梁外部尺寸、材料及壁厚等因素相同的條件下，優選出X形橫梁為比剛度較好、比強度較高的結構形式，為橫梁的結構設計提供一定的理論依據。

[1]張延軍.基于能量轉換的防沖擊首繩快速更換關鍵技術研究[D].太原：太原理工大學，2014.

[2]涂繼鵬.基于ANSYS的煙框提升機框架力學特性仿真[J].貴州大學學報（自然科學版），2017（2）：32-34.