绞车轮毂有限元分析及优化设计

摘 要：文章以JTP-1.6型绞车为例，针对该绞车成本过高这一问题，对绞车轮毂进行分析，通过ANSYS有限元分析软件建立了矿井绞车轮毂的有限元模型，分析轮毂在最大受力情况下的应力集中情况以及变形位移情况，通过这些计算分析，为轮毂的优化设计提供了一些具有参考价值的建议，为现场安全生产提供了有力的技术依据。

关键词：轮毂；有限元；ANSYS；优化设计

1 创建轮毂结构及力学模型

根据工程提供的图纸创建轮毂的力学模型

考虑到轮毂几何模型比较复杂，划分单元网格时采用自由划分，用四面体单元。划分后的模型如图1所示。

图1网格划分后的轮毂有限元模型 图2 轮毂受载变形结果

2 施加约束和载荷

轮毂上受到的力主要有：

（1）滚筒对轮毂的作用力

提升机轮毂在工作中受到滚筒的作用，一是未缠到滚筒的钢丝绳拉力使轮毂受压和受扭，二是已缠上滚筒的钢丝绳重量和滚筒重量产生的压力，因此，在计算轮毂强度时，考虑缠满三层的工况。

（2）主轴的支撑力和扭转力

滚动轴承对主轴起到支撑作用，同时又可以起到约束作用，防止轮毂的松动，起到定位的的作用。主轴对轮毂的力是复杂的并且随工况的变化而随时变化。主要是传递的扭转力距。对划分网格后的有限元分析模型，对轮毂内表面处采用全约束，对切向键与轮毂接触处施加均布载荷，螺栓孔单方向施加均布载荷。

3 分析求解及结果处理

JTP-1.6绞车轮毂材料为45号钢。表1 轮毂材料属性参数表

表1轮毂材料属性参数表

对建立好的轮毂有限元模型，执行求解（solve）命令，即可完成对求解计算。

进入ANSYS软件的后处理器POST1，对求解结果进行查看及分析。在后处理模块中，可以方便快捷地查看轮毂在受载情况下沿坐标系X、Y、Z轴的变形结果、应力分布云图。

图2所示为轮毂的变形结果。可以清楚地看到，在受载情况下，在轮毂的中间部位变形最大。在给定的载荷情况下，最大位移达到0.001mm，可见轮毂的刚度满足要求。

图3所示为轮毂提升状态下的等效应力云图。在图中，在右轮毂与主轴相接的部位应力最大。在给定的载荷情况下，最大应力达到0.271Mpa。

图4所示为轮毂受制动转矩载荷时的等效应力云图。在图中，在主轴与轮毂相接的部位应力仍为最大。在给定的载荷情况下，最大应力达到0.284Mpa。在制动状态下，滚筒侧板上受有制动力拒，所以轮毂键槽处出现应力。

轮毂的设计满足矿用绞车的安全使用要求，螺栓外缘可能出现变形过大现象，轮毂的变化很小，可以减小轮毂的直径以降低成本。应力集中出现在支撑板与轮毂交接部位。

4 轮毂的优化设计

经过理论计算和ANSYS分析后轮毂的变形和最大应力集中情况都远远满足矿用绞车的安全使用要求，所以对轮毂的轴径减小10mm的情况下再次对轮毂进行有限元分析。

表2 轮毂优化前后参数对比

由表2可以得出：经过优化，在不影响轮毂的安全使用要求的前提下，轮毂的尺寸变小，重量减轻，成本降低，达到预期的设计目的。另外，由于ANSYS软件提供了命令流文本的数据输入方法，在对已有轮毂的变形设计或系列化设计中，仅需要对命令流中某些尺寸参数改变，便方便进行新的校核，并且还可以在命令流文本中添加已有设计经验，形成设计模块。使用有限元软件分析轮毂可以大大减少计算量，提高工作效率。

参考文献

[1]濮良贵，纪名刚. 机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006，5.

[2]潘英.矿山提升机械设计[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001，1.

[3]胡仁喜.ANSYS机械设计[M].北京：机械工业出版社，2005，1.

[4]何风梅.缠绕式提升机卷筒强度的有限元优化设计[D].辽宁工程技术大学，2002，12.

作者简介：李涛涛（1983-），男，河南焦作人，教师，助理讲师，2008年毕业于河南理工大学机械设计制造及其自动化专业，大学本科学历，现在河南工业和信息化职业学院从事煤矿机械方面的教学与研究工作。endprint

摘 要：文章以JTP-1.6型绞车为例，针对该绞车成本过高这一问题，对绞车轮毂进行分析，通过ANSYS有限元分析软件建立了矿井绞车轮毂的有限元模型，分析轮毂在最大受力情况下的应力集中情况以及变形位移情况，通过这些计算分析，为轮毂的优化设计提供了一些具有参考价值的建议，为现场安全生产提供了有力的技术依据。

关键词：轮毂；有限元；ANSYS；优化设计

1 创建轮毂结构及力学模型

根据工程提供的图纸创建轮毂的力学模型

考虑到轮毂几何模型比较复杂，划分单元网格时采用自由划分，用四面体单元。划分后的模型如图1所示。

图1网格划分后的轮毂有限元模型 图2 轮毂受载变形结果

2 施加约束和载荷

轮毂上受到的力主要有：

（1）滚筒对轮毂的作用力

提升机轮毂在工作中受到滚筒的作用，一是未缠到滚筒的钢丝绳拉力使轮毂受压和受扭，二是已缠上滚筒的钢丝绳重量和滚筒重量产生的压力，因此，在计算轮毂强度时，考虑缠满三层的工况。

（2）主轴的支撑力和扭转力

滚动轴承对主轴起到支撑作用，同时又可以起到约束作用，防止轮毂的松动，起到定位的的作用。主轴对轮毂的力是复杂的并且随工况的变化而随时变化。主要是传递的扭转力距。对划分网格后的有限元分析模型，对轮毂内表面处采用全约束，对切向键与轮毂接触处施加均布载荷，螺栓孔单方向施加均布载荷。

3 分析求解及结果处理

JTP-1.6绞车轮毂材料为45号钢。表1 轮毂材料属性参数表

表1轮毂材料属性参数表

对建立好的轮毂有限元模型，执行求解（solve）命令，即可完成对求解计算。

进入ANSYS软件的后处理器POST1，对求解结果进行查看及分析。在后处理模块中，可以方便快捷地查看轮毂在受载情况下沿坐标系X、Y、Z轴的变形结果、应力分布云图。

图2所示为轮毂的变形结果。可以清楚地看到，在受载情况下，在轮毂的中间部位变形最大。在给定的载荷情况下，最大位移达到0.001mm，可见轮毂的刚度满足要求。

图3所示为轮毂提升状态下的等效应力云图。在图中，在右轮毂与主轴相接的部位应力最大。在给定的载荷情况下，最大应力达到0.271Mpa。

图4所示为轮毂受制动转矩载荷时的等效应力云图。在图中，在主轴与轮毂相接的部位应力仍为最大。在给定的载荷情况下，最大应力达到0.284Mpa。在制动状态下，滚筒侧板上受有制动力拒，所以轮毂键槽处出现应力。

轮毂的设计满足矿用绞车的安全使用要求，螺栓外缘可能出现变形过大现象，轮毂的变化很小，可以减小轮毂的直径以降低成本。应力集中出现在支撑板与轮毂交接部位。

4 轮毂的优化设计

经过理论计算和ANSYS分析后轮毂的变形和最大应力集中情况都远远满足矿用绞车的安全使用要求，所以对轮毂的轴径减小10mm的情况下再次对轮毂进行有限元分析。

表2 轮毂优化前后参数对比

由表2可以得出：经过优化，在不影响轮毂的安全使用要求的前提下，轮毂的尺寸变小，重量减轻，成本降低，达到预期的设计目的。另外，由于ANSYS软件提供了命令流文本的数据输入方法，在对已有轮毂的变形设计或系列化设计中，仅需要对命令流中某些尺寸参数改变，便方便进行新的校核，并且还可以在命令流文本中添加已有设计经验，形成设计模块。使用有限元软件分析轮毂可以大大减少计算量，提高工作效率。

参考文献

[1]濮良贵，纪名刚. 机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006，5.

[2]潘英.矿山提升机械设计[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001，1.

[3]胡仁喜.ANSYS机械设计[M].北京：机械工业出版社，2005，1.

[4]何风梅.缠绕式提升机卷筒强度的有限元优化设计[D].辽宁工程技术大学，2002，12.

作者简介：李涛涛（1983-），男，河南焦作人，教师，助理讲师，2008年毕业于河南理工大学机械设计制造及其自动化专业，大学本科学历，现在河南工业和信息化职业学院从事煤矿机械方面的教学与研究工作。endprint

摘 要：文章以JTP-1.6型绞车为例，针对该绞车成本过高这一问题，对绞车轮毂进行分析，通过ANSYS有限元分析软件建立了矿井绞车轮毂的有限元模型，分析轮毂在最大受力情况下的应力集中情况以及变形位移情况，通过这些计算分析，为轮毂的优化设计提供了一些具有参考价值的建议，为现场安全生产提供了有力的技术依据。

关键词：轮毂；有限元；ANSYS；优化设计

1 创建轮毂结构及力学模型

根据工程提供的图纸创建轮毂的力学模型

考虑到轮毂几何模型比较复杂，划分单元网格时采用自由划分，用四面体单元。划分后的模型如图1所示。

图1网格划分后的轮毂有限元模型 图2 轮毂受载变形结果

2 施加约束和载荷

轮毂上受到的力主要有：

（1）滚筒对轮毂的作用力

提升机轮毂在工作中受到滚筒的作用，一是未缠到滚筒的钢丝绳拉力使轮毂受压和受扭，二是已缠上滚筒的钢丝绳重量和滚筒重量产生的压力，因此，在计算轮毂强度时，考虑缠满三层的工况。

（2）主轴的支撑力和扭转力

滚动轴承对主轴起到支撑作用，同时又可以起到约束作用，防止轮毂的松动，起到定位的的作用。主轴对轮毂的力是复杂的并且随工况的变化而随时变化。主要是传递的扭转力距。对划分网格后的有限元分析模型，对轮毂内表面处采用全约束，对切向键与轮毂接触处施加均布载荷，螺栓孔单方向施加均布载荷。

3 分析求解及结果处理

JTP-1.6绞车轮毂材料为45号钢。表1 轮毂材料属性参数表

表1轮毂材料属性参数表

对建立好的轮毂有限元模型，执行求解（solve）命令，即可完成对求解计算。

进入ANSYS软件的后处理器POST1，对求解结果进行查看及分析。在后处理模块中，可以方便快捷地查看轮毂在受载情况下沿坐标系X、Y、Z轴的变形结果、应力分布云图。

图2所示为轮毂的变形结果。可以清楚地看到，在受载情况下，在轮毂的中间部位变形最大。在给定的载荷情况下，最大位移达到0.001mm，可见轮毂的刚度满足要求。

图3所示为轮毂提升状态下的等效应力云图。在图中，在右轮毂与主轴相接的部位应力最大。在给定的载荷情况下，最大应力达到0.271Mpa。

图4所示为轮毂受制动转矩载荷时的等效应力云图。在图中，在主轴与轮毂相接的部位应力仍为最大。在给定的载荷情况下，最大应力达到0.284Mpa。在制动状态下，滚筒侧板上受有制动力拒，所以轮毂键槽处出现应力。

轮毂的设计满足矿用绞车的安全使用要求，螺栓外缘可能出现变形过大现象，轮毂的变化很小，可以减小轮毂的直径以降低成本。应力集中出现在支撑板与轮毂交接部位。

4 轮毂的优化设计

经过理论计算和ANSYS分析后轮毂的变形和最大应力集中情况都远远满足矿用绞车的安全使用要求，所以对轮毂的轴径减小10mm的情况下再次对轮毂进行有限元分析。

表2 轮毂优化前后参数对比

由表2可以得出：经过优化，在不影响轮毂的安全使用要求的前提下，轮毂的尺寸变小，重量减轻，成本降低，达到预期的设计目的。另外，由于ANSYS软件提供了命令流文本的数据输入方法，在对已有轮毂的变形设计或系列化设计中，仅需要对命令流中某些尺寸参数改变，便方便进行新的校核，并且还可以在命令流文本中添加已有设计经验，形成设计模块。使用有限元软件分析轮毂可以大大减少计算量，提高工作效率。

参考文献

[1]濮良贵，纪名刚. 机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006，5.

[2]潘英.矿山提升机械设计[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001，1.

[3]胡仁喜.ANSYS机械设计[M].北京：机械工业出版社，2005，1.

[4]何风梅.缠绕式提升机卷筒强度的有限元优化设计[D].辽宁工程技术大学，2002，12.

作者简介：李涛涛（1983-），男，河南焦作人，教师，助理讲师，2008年毕业于河南理工大学机械设计制造及其自动化专业，大学本科学历，现在河南工业和信息化职业学院从事煤矿机械方面的教学与研究工作。endprint