矿井提升机主轴的应力应变分析

李华伟，晋民杰，高 杰，刘华伟，裴 培

（太原科技大学机械电子工程学院，太原 030024）

矿井提升设备是矿山较复杂而庞大的机电设备，它不仅承担着矿石和废石的提运，同时还承担着升降人员，下放材料、工具和设备。矿山提升设备在工作中一旦发生故障，不仅影响到矿井的生产，而且涉及到人员的生命安全，因此，矿井提升设备的安全性是极为重要的［1-2］。我国在《煤矿安全规程》中对提升设备作了极为严格的要求［3-5］。矿井提升设备是周期动作式输送设备，需要频繁地起动和停车，工作条件苛刻，其机械电气设备设计必须可靠，而主轴是提升机承载的主要部件，提升机的主要工作构件如卷筒、轴承、离合器以及联轴器等均安装在主轴上，电动机通过主轴驱动卷筒。

本文主要对双卷筒缠绕式提升机主轴进行有限元分析，找出主轴在六种典型工况（六种典型工况如表1）作用下的变形趋势和应力分布规律，从而能够快速、准确地对主轴的强度、刚度等进行校核，还可以直观地看到主轴上的应力集中位置，也能够方便的查看主轴上任意位置的应力应变值，同时为主轴合理科学的受力提供精确的数据依据，也为提升机设计改进、寿命计算等奠定了理论基础。

1 模型建立

1.1 模型的简化

表1 提升机典型工况图Tab.1 Working conditions of hoist

由于ANSYS带有的自建模功能非常有限，只能处理一些相对简单的模型，而且操作起来并不十分便利，所以本文采用Solidwork软件对主轴进行三维建模。将Solidwork模型文件另存为x_t或IGES文件，间接地将solidwork模型文件导入ANSYS中，本文采用x_t格式，因为采用IGES格式可能会导致模型信息的丢失，所以最好避免使用IGES格式进行转换。

主轴上卷筒直径D=3.5 m，卷筒宽度1.7 m，钢丝绳最大静张力170 kN，最大静张力差115 kN，缠绕层数3层。双筒缠绕式提升机主轴上装有主轴承、主轴、两个卷筒、四个轮毂、调绳装置等主要部件，由于只对主轴进行受力分析，所以在进行有限元建模计算时需要进行必要的简化，如图1所示。

图1 主轴三维实体模型Fig.1 Three-dimensional solid model of main shaft

1.2 单元类型和划分网格

该主轴的材料是45#碳素结构钢，材料的弹性模量E=207 GPa，密度是 =7850 g/m3，泊松比 μ =0.3.

图2 Solid45单元形式Fig.2 The element shape of Solid45

采用MPC184单元，在构件中心部位建立两个节点。

采用Solid45单元用于构造三维实体结构对主轴进行网格划分，单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着x、y、z方向平移的自由度。单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力［6］。

1.3 施加载荷及边界条件

因为主轴使用的轴承是调心轴承，所以主轴与轴承的接触位置只约束径向位移。主轴与齿轮联轴器相联接的位置可以约束此处键槽的工作面，约束为全约束。

1.3.2 作用在主轴上的正常载荷

（1）作用于主轴上各零件的自重（也包括主轴的自重）。它的特点:作用点不变，方向始终垂直向下，大小也不变。

（2）缠绕在卷筒上的钢丝绳的重量，通过卷筒支轮轮毂中心线作用在主轴上。它的特点:作用点不变，方向始终垂直向下，大小在整个缠绕提升过程中是变化的。

（3）由缠绕在卷筒上钢丝绳拉力引起的弯矩和扭矩，经支轮轮毂传递给主轴。也就是钢丝绳的张力，方向沿钢丝绳轴心线，大小是在提升过程中发生变化的。在提升或者下放过程中，钢丝绳沿卷筒表面移动，它的张力通过轮辐、轮毂传到轴上，由于它在卷筒表面的位置不同，故在同一轮毂作用点上在六种工况下轴所受的力亦随之不同［7］。

1.3.3 扭矩的施加

M——轴所受到的扭矩；

2.1.3 疾病的进展：帕金森病的不可预测性和不能阻止或减缓疾病进展的特性，可能给患者带来内心的不确定性和心理压力[13]。患者出现对疾病信念的改变，经常抱怨不被理解甚至被误解，总感觉他人在关注自身的异常之处[14]。随着病程延长，病情进行性加重，逐渐丧失劳动力，使得患者被迫放弃自己的日常工作和社交生活，加重社会隔离。

T——钢丝绳的最大静张力；

D——施加扭矩处的轴径；

G——卷筒及缠绕上的钢丝绳重量；

a——提升的加速度。

由于提升机主轴上的卷筒及缠绕的钢丝绳重量较大，计算时应将惯量计算入内。

转矩一般有三种施加的方法:

（1）将矩转换成一对一对的力偶，直接施加在对应的节点上面。

（2）在构件中心部位建立一个节点，定义为MASS21单元，然后跟其他受力节点藕荷，形成刚性区域，就是用CERIG命令，然后直接加转矩到主节点，即中心节点上面。

（3）使用MPC184单元，在构件中心部位建立一个节点，跟其他受力节点分别形成多根刚性梁，从而形成刚性面.最后也是直接加载荷到中心节点上面，通过刚性梁来传递载荷。

后两种情况都是形成刚性区域，但是CERIG命令是要在小变形或者小旋转才能用，只支持静力，线性分析。

而第三种方法适用多种情况，不仅支持大应变，还支持非线性情况，如图3所示。

图3 节点藕荷形成刚性区域示意图Fig.3 Schematic diagram of the node pale pinkish purple form a rigid region

图4 Ⅰ工况主轴应变分布图Fig.4 ⅠStrain distribution contour of main shaft

图5 Ⅰ工况主轴应力分布图Fig.5 ⅠStress distribution contour of main shaft

图6 Ⅱ工况主轴应变分布图Fig.6 ⅡStrain distribution contour of main shaft

图7 Ⅱ工况主轴应力分布图Fig.7 ⅡStress distribution contour of main shaft

图8 Ⅲ工况主轴应变分布图Fig.8 Ⅲ Strain distribution contour of main shaft

图9 Ⅲ工况主轴应力分布图Fig.9 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

图10 Ⅲ工况主轴应力分布图Fig.10 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

图11 Ⅲ工况主轴应力分布图Fig.11 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

图12 Ⅲ工况主轴应力分布图Fig.12 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

图13 Ⅲ工况主轴应力分布图Fig.13 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

2 计算结果与分析

各工况主轴应力分布图如图4-图15所示。

通过对双卷筒缠绕式提升机主轴在钢丝绳缠绕时的六种工况（固定卷筒提升开始、固定卷筒缠满一层、固定卷筒提升终了、游动卷筒提升开始、游动卷筒缠满一层、游动卷筒提升终了）进行静力学分析，得到六种工况下的最大等效应力和最大位移。从图4至图15可以看出最大等效应力应出现在游动卷筒提升开始时，主轴的最大位移则出现在固定卷筒提升开始时。

图14 Ⅲ工况主轴应力分布图Fig.14 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

图15 Ⅲ工况主轴应力分布图Fig.15 Ⅲ Stress distribution contour of main shaft

3 结束语

（1）采用在构件中心部位建立一个节点，定义为MPC184单元，然后跟其他受力节点耦合，形成刚性区域，然后直接加转矩到主节点，即中心节点上面。

（2）分析计算了六种工况下主轴的变形趋势、应力应变分布规律和相互间的差异。

（3）对容易出现应力集中的位置可采取增加圆角和倒角，以减小应力集中。

（4）用ANSYS有限元分析软件能够快速、准确地对矿井提升机主轴进行校核，为主轴的改进设计提供了依据。

［1］洪晓华.矿井运输提升［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［2］李仪钰.矿山机械［M］.北京:冶金工业出版社，1979.

［3］彭兆行.矿山提升机械设计［M］.北京:机械工业出版社，1989.

［4］晋民杰.缠绕式提升机的支轮应力分析［J］.太原重型机械学院学报，1998，19（4）:10-15.

［5］晋民杰，熊艳华，王顺坤.双筒缠绕式提升机卷筒应力分析研究［J］.太原科技大学学报，2009，30（3）:236-238.

［6］唐国政.大型有限元程序的原理、结构与使用［M］.成都:西南交通大学出版社，2004.

［7］孔自安，闫建玲.2JK型提升机主轴受力分析研究［J］.矿山机械，1999，4（1）:39-41.