LS42.5型滾輪罐耳的輕量化設計及強度分析

吳兆麗

【摘 ?要】滾輪罐耳是提升容器在剛性罐道運行時的導向裝置，是提升容器的主要部件之一。因其自身重量過大，不僅造成資源的浪費，而且使安裝工作難以進行，因此必須對LS42.5型滾輪罐耳進行輕量化改進設計，并進行了關鍵部件強度計算。

【關鍵詞】滾輪罐耳;Abaqus;輕量化

前言

滾輪罐耳是用于限制礦用立井提升容器沿罐道上下運行時水平方向竄動的導向裝置，廣泛應用于國內(nèi)外礦山立井運載提升系統(tǒng)中。由于其在提升容器運行過程承受較大的沖擊載荷，因此在礦用設備中屬于易損件，需要定期更換以保證工程的安全性。目前企業(yè)生產(chǎn)的滾輪罐耳多數(shù)體積大，質(zhì)量較重，雖然保證了安全系數(shù)，但是過大的質(zhì)量給安裝更換工作造成了困難。本文對LS42.5型滾輪罐耳進行輕型化改進設計，最大限度的減輕重量，并且驗證了其緩沖器的工作能力，確保其工作強度，并實現(xiàn)資源的最大化利用。

1 LS42.5型滾輪罐耳的輕量化設計

LS42.5型滾輪罐耳整體結(jié)構如圖1所示，主要包括緩沖器、支架、輪轂、輪軸、膠輪等結(jié)構。

1.1輪轂的輕量化設計

LS42.5型滾輪罐耳的輪轂為實心的鑄鋼件，可以對其進行合理的結(jié)構與材料的改進來減輕其重量。首先確定膠輪厚度及輪轂直徑，滾輪罐耳在運行過程中始終與罐道保持接觸，兩者接觸應力計算公式為：

式中： 為接觸半徑，m; 為實際罐耳半徑，m; 為罐耳與罐道之間的預緊力，N; 為接觸應力，MPa; 為罐耳與罐道的實際接觸長度，m;E為彈性模量， 為泊松比;下標s、u表示滾輪和罐道[1]。

由公式可以看出，通過增大罐耳厚度和半徑，可以減少磨損，但是滾輪罐耳半徑增大會造成立井井筒直徑增大，提升機構的安全間隙減小，因此只能適當增加罐耳厚度，即罐耳與罐道的實際接觸長度[2]。因此為減少罐耳與罐道之間的接觸應力，提高其使用壽命，參考設計膠輪的厚度為50mm。同時在保證總輪徑不變的前提下，減少膠輪厚度，從而相應增大了輪轂直徑，確定其直徑為375mm。

滾輪罐耳在實際工作過程中承受罐道沖擊力的主要結(jié)構為緩沖器，輪轂只發(fā)揮了力的傳遞作用。原輪轂采用鑄鋼材料，重量為61.923kg，將其改進設計為鏤空的鋁合金結(jié)構，重量為30.609kg。鏤空輪轂結(jié)構不僅維持原有的承重能力，還將重量減輕了50%，是滾輪罐耳輕量化設計的關鍵。

1.2 軸承改進

為應對井下的惡劣環(huán)境，改進軸承的密封形式，選擇自旋轉(zhuǎn)密封，有利于保證其工作的密閉性，從而提高軸承的使用壽命。

2 滾輪罐耳的整體剛度分析

鄒艦認為在提升容器運行過程中，采用安裝在提升容器上的安全罐耳承受個別較大水平力，滾輪罐耳承受多數(shù)較小的水平力，同時通過實測數(shù)據(jù)與理論計算，確定滾輪罐耳最大水平力按照Q/24計算符合實際工程要求，其中Q代表提升繩端載荷，包括提升容器自重、滾輪罐耳、首尾繩懸掛裝置及載重[3]。

滾輪罐耳的緩沖作用主要來源于膠輪和彈簧緩沖器，它們通過擺臂相連，通過將滾輪罐耳支撐結(jié)構的中心點連線后，簡化如圖所示的連桿結(jié)構，其中ABC代表擺臂，CD代表緩沖器，兩者與底座均為鉸接。沖擊力F通過膠輪作用于點B，此時沿DC桿產(chǎn)生了反作用力F1。因此分析桿ABC得出：

其中：L=271mm，L1=325mm。F=32000N，F(xiàn)1=26683N

由于壓入的深度遠小于膠輪厚度，膠輪與罐道之間的接觸半徑遠大于膠輪厚度，因此只計算軸向的變形，總作用力與總變形量之間的關系[4]如下：

L42.5滾輪罐耳的膠輪的參數(shù)如表2所示：

將表格內(nèi)參數(shù)代入公式，可得到膠輪的最大變形量為7.662 mm。

緩沖器剛度計算

LS42.5型滾輪罐耳的緩沖器是采用11片碟形彈簧對合方式組合而成的，用以承受提升裝置運行過程中的軸向載荷。單片碟形彈簧規(guī)格參數(shù)如表3所示。

通過計算得出組合碟簧的剛度為10978.36 N/mm，碟形彈簧緩沖器的最大變形量為2.431mm。

在滾輪罐耳受到作用力時，擺臂發(fā)生旋轉(zhuǎn)，緩沖器被壓縮，整個連桿機構發(fā)生如圖所示的變化。假設B點的水平位移為x，BA與B1A的夾角為q，C1A與B1A的夾角為b，為450，C1A和DA的夾角為a，DA與BA夾角為g。

以上公式中的參數(shù)含義及其數(shù)見表4。

根據(jù)以上數(shù)值可求得水平位移g=94.836，a=48.906，q=0.93，x=4.366mm。因此滾輪罐耳受水平力作用時，膠輪的變形量為7.662 mm，整體最大水平位移為12.028mm，其誤差在可允許范圍內(nèi)，符合國家標準中的緩沖行程要求。

3 結(jié)論

通過對滾輪罐耳的膠輪、輪轂、軸承進行結(jié)構改進，達到輕量化設計目的，同時對膠輪及主要承重部件碟簧緩沖器進行變形量計算，驗證其強度符合行業(yè)標準。

參考文獻：

[1]楊建奎，李祝民. 滾動罐耳的受力分析及改進[J]. 礦山機械，2009（24）：72-73.

[2]楊天恩. 立井提升容器的水平振動研究及結(jié)構改進設計[D]. 安徽理工大學，2016.

[3]王喆. 立井提升導向裝置關鍵問題研究[D]. 安徽理工大學，2018.

[4]戚曉楠，秦強，朱家誠. 基于ANSYS的滾輪罐耳剛度分析[J]. 煤礦機械，2015（06）：130-132.

[5]李毅華，朱安行，張新. 基于ANSYS的滾輪罐耳整體剛度研究[J]. 煤炭技術，2019，038（005）：162-165.