矿井提升机的动态响应及结构优化分析

孟忠良, 陈美丽



矿井提升机的动态响应及结构优化分析

孟忠良*1, 陈美丽2

(1. 枣庄学院 机电工程学院, 山东 枣庄, 277160; 2. 上海振华重工(集团)股份有限公司, 上海, 200125)

根据有限元方法运用有限元分析软件Nastran建立单绳单筒缠绕式矿井提升机模型, 并以轴承底座、主轴和左、右两个支轮作为优化对象进行动态响应分析. 在保证零件的强度和刚度要求下, 每个零件的质量均有所降低, 为该零件的轻量化设计提供了参考依据.

矿井提升机; 动态响应; 轴承底座; 结构优化

矿井提升机在工作时, 提升容器在井筒中做上下往返的周期性运动, 所以矿井提升机也会频繁地启动、换向、停止, 在此过程中, 有必要对矿井提升机中与卷筒相连接的钢丝绳的瞬态响应情况进行分析[1—3], 因为与提升钢丝绳直接相连的提升容器提升的可能是重物, 也有可能是操作人员, 因此一定要避免出现意外, 提前预测出意外出现时可能发生的情况. 在UGNX中进行动态响应分析的步骤如图1所示.

图1 瞬态响应流程图

矿井提升机在工作时的提升速度和力学情况如图2所示, 从图2可以看出矿井提升机的工作周期中有6个阶段的运行时间, 分别是0初加速度阶段、1主加速阶段、2等速阶段、3主减速阶段、4爬行阶段和5抱闸停车阶段.

针对矿井提升机在受迫运动的作用下结构自身位移、应力、速度、加速度和频率等物理量的响应情况, 在动力学数学模型的基础上, 结合动态响应的理论知识, 采用瞬态频率响应功能[4—5], 运用UG Nastran解算器, 并考虑各种阻尼效应的作用, 完成对单元结点相对于指定输入节点处强迫运动的频率响应的评估, 并可绘出传递性曲线、瞬态激励响应曲线及单元动应力变化曲线.

图2 提升速度图和力图

1 矿井提升机的动态响应分析

在UGNX高级仿真中提供了2种阻尼因子: 粘性阻尼和迟滞阻尼, 可以通过对这两个参数的编辑, 模拟实际情况中的阻尼情况. 接着为了减少后续计算的计算规模, 可以将对后续动态响应贡献不大的模态抑制住, 不参与后续响应的计算. 如本例中只有第3、6阶模态在方向对动态响应的贡献大, 其他的各阶影响很小, 所以可将其他阶的模态抑制住. 接下来就可以评估系统的传递性了, 即评估系统中1个或多个节点或单元相对于指定输入节点处强迫运动的频率响应情况.

图3 矿井提升机上3个节点的瞬态激励响应曲线

因为在分析时就已经假设缠绕在卷筒上的钢丝绳不会出现打滑的情况, 所以卷筒上的变化都会直接反映到钢丝绳上. 为了分析的简便, 本文就直接从卷筒上选取了3个节点作为分析对象. 此3个节点位置分别为: ①卷筒上连接钢丝绳的区域; ②卷筒筒壳上的最大应变位置出现的区域; ③卷筒的中点位置. 在选取时要注意此3个节点是在同一条水平线选取的. 又因为卷筒为一个轴对称零件, 同时也是左右对称零件, 所以此3个节点最能反映卷筒的情况, 比较具有代表性. 图3即为上述3个节点的瞬态激励响应曲线, 在考虑各种阻尼作用的情况下, 当主轴输入一个加速度时, 各节点对此激励的不同响应情况. 从图5中可以明显看出, 第1个节点的响应曲线即红色的曲线较剧烈, 幅值最大, 紧接着第2个节点和第3个节点的幅值依次降低. 从图中还可以看出此3个节点的主振幅差别较大, 慢慢地振荡变化, 逐渐趋于一致. 即表示当主轴上有一个激励时, 钢丝绳缠绕处的响应最大, 中间最小, 响应时第一阶响应值最大, 然后逐渐变小, 直至消失, 钢丝绳也会跟随着一起变化, 直至稳定. 反之, 当矿井提升机工作时, 若钢丝绳正好缠绕在卷筒的中部, 则此时卷筒中部的响应最大, 两侧的响应较小.

2 矿井提升机结构优化设计

需要对卷筒、主轴、轴承底座以及左、右两个支轮等零件做优化分析, 用计算机进行有限元优化优化设计的一般流程如图4所示.

图4 结构优化设计的一般流程示意图

3 轴承底座的结构优化设计

轴承底座与轴承上盖进行配合, 工作时, 轴承底座与基础梁用长螺栓连接在一起, 起到对矿井提升机的固定作用, 内部装载轴承与轴的配合,, 传递运动与载荷. 对轴承底座进行优化主要是在满足刚度、强度要求的前提下, 通过改变某些设计参数, 使得轴承底座模型的某一阶固有频率最大, 以达到避开共振的目的(图5).

矿井提升机在工作时的模态为0～50 Hz, 而矿井提升机的固有频率主要集中在20～60 Hz和180～210 Hz这个范围内, 恰好会发生共振, 因此需要采取抑制共振的减振、消振措施.

图5 轴承底座三维图

在对轴承底座进行优化时, 优化的目标是整个模型的重量最小; 约束条件是在不改变模型网格划分要求、边界约束条件的前提下, 参考计算出的模态分析结果后确定的, 要求保证模型刚度安全裕度前提下, 模型的模态上下限分别为180 Hz、50 Hz. 设计变量为轴承底座下部的尺寸, 优化时定义轴承底座下部轴方向尺寸范围为: 300～350 mm.

图6 轴承底座迭代尺寸变化曲线

在优化时, 需要对模型设置材料参数: 45号钢. 因为此轴承底座在分析时主要以模态作为目标, 所以先采用103解算模块, 计算出轴承底座的固有模态, 以此确定优化约束条件的基准值; 优化时, 设计变量可以采用经验来预判, 也可以借助软件提供的全局灵敏度功能更加精确地判断各个设计变量对设计目标的敏感程度.

图7 轴承底座优化分析表格

优化设计过程是一个不断迭化的计算过程, 最终收敛于某个确定解, 每迭代一次模型会自动更新, 其中的迭代参数可以根据需要进行修改. 在保证迭代精度和可靠收敛的前提下, 本实例设置迭代次数为10次, 这样也有利于计算的时间(图6和图7).

4 矿井提升机上其他零件的结构优化设计

按照同样的步骤对主轴、支轮进行优化设计, 分别对应的迭代尺寸变化曲线及优化分析表格如图8、图9及图10、图11所示. 主轴设计目标: 质量最小; 约束条件: 频率; 约束变量: 尺寸一初始值240, 上限245, 下限230; 尺寸二初始值175, 上限180, 下限160.

图8 主轴迭代尺寸变化曲线

图9 主轴优化分析表格

右支轮设计目标: 质量最小; 约束条件: 频率上限80 Hz; 设计变量: 尺寸初始值132, 上限180, 下限125.

图10 右支轮迭代尺寸变化曲线

图11 右支轮优化分析表格

左支轮的结构与右支轮相同, 所以就不用再做分析.

5 结论

通过响应分析可以针对特殊节点或特殊区域作单独分析, 预测矿井提升机在运转过程中出现意外情况时, 卷筒在外部情况忽然变化时可能发生的情况, 运用此方法还可进一步预测钢丝绳或者与钢丝绳相连的提升容器可能出现的情况, 对意外的预防很有帮助. 以轴承底座、主轴以及左、右两个支轮等零件作为优化对象, 以重量最小作为优化目标, 参照响应分析的结果, 以模态、位移、应力响应的极限值作为约束条件, 以模型中某个特征尺寸或者草图尺寸作为设计变量, 对各个零件进行了优化. 经过优化分析, 每个零件的质量均有所降低, 但是仍能保证零件的强度和刚度要求, 这为该零件的轻量化设计提供了部分依据. 此种方法为企业的产品改型提供新的改进、校核和验证的参考依据.

[1] 陈美丽, 梅益, 刘乔英. 矿井提升机卷筒结构有限元静力及疲劳强度分析研究[J]. 煤矿机械, 2012(03): 95—97.

[2] 唐国祥, 武文辉, 王有益. 矿井提升机故障处理和技术改造[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006: 25—46.

[3] 臧文周. 矿井提升机[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1993: 40—55

[4] 姚卫星. 结构疲劳寿命分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003: 101—112.

[5] 煤矿安全编委会. 煤矿安全规程实施手册[M]. 北京: 当代中国音像出版社, 2005: 93—115.

The dynamic response of the mine hoist and structure optimization analysis

MENG Zhong-liang, CHEN Mei-li

(1. School of Mechanical Engineering, Zaozhuang University School of Mechanical Engineering, Zaozhuang 277160, China; 2. Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd, Shanghai 200125, China)

With finite element method (FEM), a single rope-single tank intertwined type of mine hoist model is created on the basis of the software Nastran, and then a dynamic response analysis is conducted on the proposed model. On the premise of ensuring the strength and the stiffness, the bearing base, main shaft and the left and right sub-wheels are taken as the optimized objects. The numerical result demonstrates that the mass of each component is reduced respectively, which provides a practice guidance for the light weight design and development of the proposed model.

mine hoist; dynamic response; bearing base; structural optimization

10.3969/j.issn.1672-6146.2013.04.011

TD 534

1672-6146(2013)04-0047-04

email: meng198512@126.com.

2013-10-22

(责任编校:刘刚毅)