基于I－DEAS 的提升机主轴装置及卷筒有限元分析计算

王 宇，周立波，林永龙

(1.吉林电子信息职业技术学院，吉林 吉林 132021;2.一汽吉林汽车有限公司，吉林 吉林 132013)

0 前言

矿井提升机是采矿行业的重要设备，作为地表与井下联系的纽带，其任务是升降人员、运送物料等。矿井提升机运行的安全可靠性与技术性能情况，对矿山生产会造成很大的影响。

主轴装置是矿井提升机的主要部件，其结构与所受载荷情况较为复杂。设计过程中准确而快速地确定工作时的实际受力状态和一些重要的设计参数，以便对其进行正确、全面评估。

传统以手工计算为主对主轴装置设计计算的方法，不但费时、费力，而且结果也不够准确，很难满足设计要求。随着计算机软、硬件的不断升级，运用有限元法对提升机主轴装置进行设计计算也得到了空前的发展。文中以某型提升机主轴装置为例，利用I－DEAS 软件分别对其主轴与卷筒建立计算模型，进行有限元分析计算，并通过提升机载荷测试说明计算模型的合理性与分析结果的可靠性，为保证整体提升系统的安全可靠运转提供理论依据。

1 主轴的有限元分析计算

1.1 建立计算模型

主轴是提升机的主要承载部件，齿轮联轴器、卷筒等部件都安装其上。主轴在传递动力的同时把所有负载作用于地基，如果主轴出现问题，那么整个提升系统运行的安全性就会受到影响，因此，对提升机主轴进行设计计算十分有必要。

在I－DEAS 软件中对提升机主轴进行实体建模，在不失实际结构力学特性的基础上忽略对分析计算影响较小的如小孔等局部细节特征，根据图纸建立起提升机主轴的实体模型，经过网格划分，为分析计算做好准备，图1为主轴的实体模型图与网格图。

图1 主轴实体模型图与网格图Fig.1 Entity model and grid diagram of principal axis

1.2 载荷分析

以空载情况、正常情况与极限状态三种工况对主轴进行分析计算，空载时主轴不承受扭转作用，而在卷筒两边的挡板和主轴互相接触的地方存在有对主轴外表面作用的正压力。其他两种情况，除了正压力外，主轴还承受由电动机运转引起的扭矩。

对模型具体施加载荷时，为了达到与主轴真实受力效果一致，采取把旋转力加载于主轴右端外表面，并对圆盘端面施加约束而形成等效扭矩力等一系列操作，进而对主轴所受载荷进行等效处理。

1.3 约束情况

为了真实地反映实际情况，在主轴圆盘端面施加沿轴向移动约束以及限制沿轴旋转自由度，同时限制沿径向移动自由度于轴承支撑主轴处施加。

1.4 计算结果及分析

在I－DEAS 软件模型求解模块中对主轴进行有限元分析计算，计算结果见表1，图2～图4为主轴极限工况的结果图示。

通过计算结果可看出:①电动机与主轴连接的一端受扭转力的作用而产生很大的位移;②应力集中在主轴与卷筒连接圆盘根部极易形成，为使应力集中有所减少，在根部应适量增大倒角或采取加厚处理。

表1 主轴分析计算结果Tab.1 Analyzed and calculated results principal axis

2 卷筒的有限元分析计算

2.1 建立计算模型

卷筒的重量和体积都很大，也是提升机的重要部件，担负着动力传递与提升的任务，因此必须具备足够的强度，卷筒的有限元分析计算对于提升机的设计成本和制造工艺都具有很重要的意义。

在忽略对分析计算结果影响不大的细节特征基础上建立了卷筒的实体模型，由于卷筒壳较薄，划分实体网格单元很小，从而单元数量巨大，导致计算难以进行，所以建立模型时把卷筒简化为薄壳形式，图5为卷筒的实体模型及网格图。

图5 卷筒实体模型图与网格图Fig.5 Entity model and grid diagram of drum

2.2 载荷分析

同样按三种工况分析计算卷筒载荷。空载时卷筒不受扭转作用，其外表面承受绳作用的正压力。其他两种情况，除了正压力外，卷筒还受有扭转力。

施加载荷时，采取把旋转力加载于卷筒外壳、并对主轴与卷筒连接的圆盘端面施加约束而形成等效扭矩力，完成把卷筒表面的力均布在外壳180°范围内等一系列操作，对卷筒所受载荷等效处理。

2.3 约束情况

根据实际情况，在卷筒圆盘端面施加沿轴向移动约束以及限制沿轴旋转自由度，同时限制沿径向移动自由度在主轴与左右挡板接触处施加。

2.4 计算结果及分析

在I－DEAS 软件模型求解模块中对卷筒进行有限元分析计算，计算结果见表2，图6～图8为卷筒极限工况的结果图示。

表2 卷筒分析计算结果Tab.2 Analyzed and calculated results of drum

通过分析计算结果可看出:①卷筒外壳作为薄壳处理，应力最大处位于主轴与左挡板接触的上下表面，为使应力集中有所减小，在实际设计时应加厚此处;②实际工作时，绳对卷筒外壳的作用力并非均布，有些位置会大于均布受力而使这些地方的应力大于计算结果。

图8 卷筒极限工况应变能图Fig.8 Strain diagram of drum in limiting operating state

3 计算结果与测试值对比分析

为了验证主轴装置及卷筒的分析计算结果，在生产厂家进行了提升机载荷测试，分别在左右挡板与主轴接触段、主轴同电机连接端、卷筒外壳左上部、卷筒左端下部各取测试点1 测试其变形结果，现场测试结果与分析计算结果对比见表3。

表3 测试结果与计算结果对比Tab.3 Contrast between testing results and calculated results

通过表3 可看出，载荷测试结果与分析计算结果基本一致，说明建立的计算模型比较合理、边界条件处理恰当、分析结果详实可靠，完全符合提升机的实际工作情况。

4 结束语

采用有限元法对提升机主轴装置进行分析计算，能够直观、准确地得到主轴及卷筒各部分应力、应变等参数的分布情况，克服了传统计算方法的缺点，极大地提高了设计精度与效率，为矿井提升机的结构改进与使用提供了必要的理论依据。

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