礦用提升機天輪輪體結構分析與優化設計

楊正哲

（晉能控股煤業集團麻家梁煤業有限責任公司，山西 朔州 036000）

引言

隨著國家對煤礦資源的不斷開采，越來越多的煤礦設備被應用到煤礦開采中。礦用提升機則是煤礦開采中的重要提升設備。但由于煤礦開采環境的惡劣性，加上提升機經常處于超負荷提升作業，鋼絲繩與天輪系統之間的潤滑性也無法實時得到保障，人員在開采中未對提升機及天輪系統進行定時維護保養等，導致提升機作業時經常出現鋼絲繩局部斷裂、天輪磨損嚴重、電機發熱、軸承損壞等故障現象，提升機一旦出現故障，則需對其進行停機維修，這對煤礦的現場開采構成了嚴重損失[1]。其中，有效保證天輪的結構強度，不斷對其進行結構優化改進設計，提高其結構使用壽命，是保證提升機高效運行的關鍵。為此，以JKMD型礦用提升機為對象，開展天輪的結構性能研究。

1 天輪系統組成分析

礦用提升機作為煤礦生產中的關鍵設備，其結構類型相對較多，但內部結構基本相同。以JKMD型礦用提升機為對象，其結構主要由天輪系統、制動系統、操縱系統、車槽裝置等組成，其中，天輪系統包括了主導向輪、天輪、尾繩、平衡錘等，天輪系統是提升機實現貨物提升的關鍵系統，天輪系統中的天輪組件則是通過多個天輪的相互并聯進行連接，而天輪的結構主要由輪轂、輪輻、鋼板等組成[2]，天輪實物如圖1所示。天輪系統作業時，首先通過電動機帶動主導輪旋轉，鋼絲繩在主導輪的旋轉作用下，帶動另一端的提升載荷進行向上或向下運動，此時天輪則承受著來自鋼絲繩及提升載荷的較大重力和摩擦力作用，天輪長時間的運動，將會造成整體結構出現結構變形、磨損嚴重、中部軸孔損壞等故障失效現象[3]。天輪系統的露天作業環境，加上頻繁的啟停、制動等操作，加大了整套系統及天輪的損壞概率。同時，由于天輪系統存在高空作業，其系統中天輪及主導向輪的自身的結構重量將直接影響著整個天輪系統的作業效率及使用壽命[4]。因此，采用最經濟的有限元分析方法，對天輪的結構組成及重量進行性能分析和輕量化研究，提高天輪的總體性能，成為提高提升機作業效率的關鍵。

圖1 提升機中天輪實物圖

2 天輪模型建立

2.1 三維模型建立

為進一步掌握天輪的結構性能，結合JKMD型礦用提升機中天輪的結構特點，采Solidworks軟件，對天輪進行了三維模型建立。在建模過程中，按照1∶1的比例，在盡量保證三維模型與實物一致的前提下，對天輪中的輪緣、輪輻、輪轂、鋼板等部件進行了三維模型建立。為提高天輪分析結果的準確性，對各部件中的非關鍵倒角、圓角、圓孔等特征進行了模型簡化，僅保留了天輪中的關鍵特征[5]，天輪重量為7 462 kg。同時，不考慮天輪中焊接對整體結構的影響。由此，建立了天輪的三維模型圖，如下頁圖2所示。

2.2 仿真模型建立

圖2 天輪結構組成三維圖

將所建立的天輪三維模型保存為x_t格式后，導入至ABAQUS仿真軟件中，對其進行仿真模型建立。由于天輪在實際使用中主要采用的是ZG270-500的材料，故在軟件中將其模型材料設置為ZG270-500材料，其材料的彈性模量為202 GPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，屈服強度為340 MPa，與Q345的材料屈服強度基本相同。同時，根據天輪的結構尺寸，對其進行了四面體網格劃分，網格大小設置為10 mm，網格屬性為Solid實體單元類型，天輪的網格劃分圖如圖3所示。根據實際情況，在天輪上施加了1 500 kN的向下外界載荷，以此模擬天輪的實際工況。同時，在軟件中，對天輪中部軸承孔處進行了固定約束，各部件之間進行了Tie綁定約束。由此，完成了天輪的仿真模型建立。

圖3 天輪網格劃分圖

3 天輪結構性能分析

通過對天輪進行仿真分析，得到了天輪在外界載荷1 500 kN下的結構變形圖，如圖4所示。由圖可知，天輪整體結構發生了較大程度的位移變形，在天輪上升側和下降側與鋼絲繩接觸的輪緣表面的變形量最大，最大變形量達到了0.527 mm；同時，天輪在徑向和切向也出現了較大幅度的扭曲現象。分析其原因是由于鋼絲繩尾端受到了較大的外界載荷作用，且鋼絲繩運動時會產生無規律的晃動或搖擺，導致鋼絲繩與天輪接觸區域出現了較大的結構變形；同時，天輪輪輻由于受到徑向和切向的較大拉力，導致其在中部軸承孔處也出現了較大幅度的變形。此變形規律與天輪的實際受力情況基本吻合。天輪長時間在此狀態下作業，將極可能出現結構嚴重變形或斷裂的失效故障現象。因此，需對其進行結構優化改進設計。

4 天輪結構優化改進

圖4 天輪結構變形（mm）圖

結合前文分析，需對提升機中天輪進行結構優化改進設計。首先就是降低天輪的自身重量。經過查閱國內相關規范，參考國內外天輪的設計尺寸和特點，天輪的改進可從改變輪輻數量、輪輻寬度和厚度等方向進行結構優化改進[6]。因此，將天輪的輪輻由原來的16根減少14根，并將天輪的輪輻厚度增加5 mm，輪輻寬度增加10 mm，以此來對天輪結構進行改進優化。改進后的天輪重量由原來的7 462 kg，減輕至7 222 kg，減輕了240 kg左右，整體結構的減重效果明顯。改進后的新型天輪結構如圖5所示。

圖5 新型天輪三維結構圖

按照前文的有限元分析方法，通過施加相同參數，得到了改進后的新型天輪的結構變形圖，如圖6所示。由圖可知，天輪整體結構也發生較大幅度的結構變形，最大變形區域與原有結構基本相同，但結構的最大變形量為0.365 mm，比原有結構減少了0.162 mm，變形量明顯減小。由此說明，經過結構優化改進后的新型天輪不僅質量減輕了240 kg，結構變形程度也大幅度降低。由此，大大提高了其結構的強度和作業安全性，也減少了提升機的能源消耗，優化效果明顯，達到了預期效果。

圖6 新型天輪結構變形（mm）圖

5 結論

1）原有天輪在天輪上升側和下降側與鋼絲繩接觸的輪緣表面、中部軸承孔處的變形量相對較大，最大應力值也超過了其材料的屈服強度，存在一定的結構使用風險；

2）在對天輪的輪輻數量、寬度、厚度等進行結構改進后，得到的新型天輪整體結構質量減輕了240 kg，變形量也明顯降低，與原有結構相比，具有更輕的結構重量和更好的結構強度，有效提高了天輪的使用壽命及作業安全性，更好地滿足了提升機在現場的長時間作業需求。