礦用提升絞車滾筒強度分析與優(yōu)化設(shè)計

張 波

（山西汾西礦業(yè)集團曙光煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

礦用提升絞車作為煤礦生產(chǎn)作業(yè)正常開展的重要組成裝置，承擔著煤炭企業(yè)井上和井下運輸作業(yè)礦工和相關(guān)工具的任務(wù)，是井上井下人員物資交換的樞紐，因此其工作的安全性和可靠性至關(guān)重要[1-3]。滾筒作為礦用提升絞車的重要組成部件之一，是絞繩自動收放功能得以實現(xiàn)的關(guān)鍵，必須引起高度重視[4]。滾筒使用過程中常見的故障是疲勞損壞，因此其必須具有足夠的強度，才能保證使用過程中安全可靠[5-6]。針對某煤炭企業(yè)正在服役的提升絞車滾筒經(jīng)常出現(xiàn)絞繩混絞的問題，開展?jié)L筒結(jié)構(gòu)強度的分析，并提出針對性的改進措施，對于提升絞車整體的工作安全性和可靠性具有重要的意義。

1 提升絞車概述

纏繞式提升絞車是目前煤炭生產(chǎn)領(lǐng)域使用最多的一種，涉及單繩纏繞式和多繩纏繞式兩種。單繩纏繞式在工作過程中具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、操作簡便等優(yōu)勢，應(yīng)用時間較早，根據(jù)結(jié)構(gòu)和配置的滾筒數(shù)量的不同，涉及可分離滾筒式、單滾筒式和雙滾筒式三種機型。在深井和終端較大的位置，需要增加滾筒直徑，以保證足夠的承載能力，但同時也增加了整機的尺寸和質(zhì)量，降低了其工作的便捷性和工作效率，與此同時，尺寸增加過大也會給煤炭企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟投入。某煤炭企業(yè)使用的是單繩纏繞式圓筒形滾筒機型，應(yīng)用過程中工作穩(wěn)定，效率較高，但是，隨著煤炭井下深度和產(chǎn)量要求的提高，對關(guān)鍵部件的要求越來越高，尤其是絞車滾筒至關(guān)重要。

2 有限元仿真分析

2.1 三維模型建立

依據(jù)服役中提升絞車的隨機圖紙和現(xiàn)場測繪結(jié)果，運用SolidWorks 三維建模軟件，完成了絞車滾筒三維模型的建立。為了避免三維模型導入ANSYS 有限元仿真軟件出錯，提高計算效率，簡化了滾筒的倒角、圓角、螺栓孔等特征。

2.2 材料屬性

提升絞車滾筒的材料牌號為45 號鋼，其力學性能參數(shù)如下：屈服強度數(shù)值為335 MPa，抗拉強度數(shù)值為600 MPa，密度數(shù)值為7 850 kg/m3，泊松比數(shù)值為0.31，彈性模量數(shù)值為210 GPa。

2.3 網(wǎng)格劃分

絞車滾筒結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，選擇單元格形式為具有很好保持性的三角形。利用ANSYS Workbench15.0 自帶網(wǎng)格劃分工具，選擇默認的Solid187 單元進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格模型如圖1 所示，節(jié)點個數(shù)為6 790，單元數(shù)為26 542。

圖1 網(wǎng)格模型

2.4 載荷與約束

提升絞車滾筒仿真前處理時涉及的邊界條件僅有兩端的軸承約束。所受的載荷包括纏繞鋼絲繩給筒殼的正壓力和沿筒殼表面的切向摩擦力，因此，載荷施加時需要限制滾筒的轉(zhuǎn)動。服役中的提升絞車滾筒軸承為調(diào)心滾子軸承，需要運用位移方式進行約束，將徑向自由度設(shè)置為free。

2.5 仿真分析結(jié)果

完成提升絞車滾筒仿真分析前處理之后啟動ANSYS 仿真軟件自帶求解器進行仿真計算，結(jié)束之后提取滾筒的應(yīng)力云圖和變形量云圖，分別如下頁圖2 和圖3 所示。

圖2 滾筒應(yīng)力（MPa）云圖

圖3 滾筒變形量（mm）云圖

由圖2 和圖3 仿真計算結(jié)果可以看出，提升絞車滾筒工作過程中承受的最大應(yīng)力數(shù)值為173.31 MPa，出現(xiàn)在滾筒結(jié)構(gòu)的中間位置，相較于滾筒的材料牌號45 號鋼的力學性能參數(shù)，即屈服強度數(shù)值355 MPa，選擇安全系數(shù)1.5 的情況下，計算得出滾筒所能承受的極限應(yīng)力數(shù)值為237 MPa，滾筒所受的最大應(yīng)力數(shù)值已經(jīng)達到了極限應(yīng)力數(shù)值的74%。提升絞車滾筒工作過程中所受的最大變形量數(shù)值為1.302 9 mm，同樣發(fā)生在滾筒結(jié)構(gòu)的中間位置。

綜上，滾筒的強度和剛度可以滿足提升絞車使用要求，中間位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象是絞車出現(xiàn)絞繩混絞的主要原因。與此同時，該提升絞車制造于20 世紀，生產(chǎn)于蘇聯(lián)，隨著產(chǎn)煤量的不斷提升，繼續(xù)工作存在較大的安全隱患，極易出現(xiàn)強度降低、變形或裂紋等問題，為了提高滾筒結(jié)構(gòu)的工作可靠性，有必要對其進行改進。

3 改進設(shè)計

3.1 滾筒直徑

提升絞車滾筒改進設(shè)計的原則包括以下幾個方面：第一是絞繩纏繞滾筒時不能出現(xiàn)明顯的彎曲應(yīng)力，影響鋼絲繩的疲勞壽命；第二是考慮滾筒的改進成本，提升絞車應(yīng)用于煤礦中，屬于大型特種設(shè)備，制造時鋼材消耗較大，其制造成本也相對較高；第三是根據(jù)現(xiàn)實實踐情況論證，鋼絲繩在繞過滾筒式的大概應(yīng)力數(shù)值，預(yù)測鋼絲繩的疲勞壽命等；第四是依據(jù)經(jīng)驗進行設(shè)計，常用滾筒與鋼絲繩二者的直徑比完成滾筒直徑的設(shè)計工作。

基于上述分析結(jié)果和《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，D/d≥80，d 為鋼絲繩直徑，數(shù)值為37.5 mm，計算得出滾筒直徑D 數(shù)值為3 000 mm 為宜。

3.2 滾筒寬度

提升絞車滾筒設(shè)計過程中，滾筒寬度設(shè)計通常采用以下公式：

式中：B 為滾筒的寬度，m；H 為絞車的提升高度，m；h 為每半年一次鋼絲繩實驗所預(yù)備好的鋼絲繩長度，一般為30～40 m；π 為圓周率；d 為鋼絲繩的直徑，m；ε 為鋼絲繩在滾筒上纏繞的間隙，一般情況取0.002～0.003 m。

4 改進效果驗證

為了驗證提升絞車滾筒直徑與寬度改進設(shè)計的合理性和可行性，對改進之后的滾筒建立三維模型，然后以相同的方法完成滾筒模型的材料設(shè)置、網(wǎng)格劃分、載荷和約束施加等工作。完成前處理之后啟動ANSYS 仿真計算軟件自帶求解器，進行仿真計算，提取滾筒應(yīng)力分布云圖和變形量分布云圖，分別如圖4和圖5 所示。

圖4 滾筒應(yīng)力（MPa）云圖

圖5 滾筒變形量（mm）云圖

由圖4 和圖5 仿真計算結(jié)果可以看出，改進之后的提升絞車滾筒工作時所受的最大應(yīng)力數(shù)值為138.65 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在滾筒的中間位置，相較于改進之前降低了34.66 MPa。相較于滾筒的材料45號鋼，其屈服強度數(shù)值為355 MPa，選擇安全系數(shù)1.5的情況下，計算得出滾筒所能承受的極限應(yīng)力數(shù)值為237 MPa，可以得出滾筒的結(jié)構(gòu)強度滿足要求。滾筒工作過程中的最大變形量數(shù)值為1.045 3 mm，相較于改進之前降低了0.26 mm，出現(xiàn)在滾筒結(jié)構(gòu)的中間位置，變形量很小，可滿足提升絞車使用要求。綜上，滾筒結(jié)構(gòu)的改進取得了較好的效果。

煤炭企業(yè)應(yīng)用改進滾筒之后，半年時間內(nèi)未出現(xiàn)提升絞車滾筒鋼絲混絞的問題，可見，滾筒改進效果顯著，取得了很好的應(yīng)用效果。