基于有限元法的矿井提升机主轴数值模拟

刘 凯，王 宇

(吉林电子信息职业技术学院，吉林 132021)

0 前言

矿井提升机是矿山生产中一种非常重要的设备，而主轴则是矿井提升机的主要组成部分，其不但承受着一些主要工作构件的重量，而且还承担着外部载荷，同时还起到传递转矩的作用。可见矿井提升机主轴的安全可靠程度以及使用寿命对整个矿山生产会造成很大的影响，因而对之进行结构设计与结构分析十分有必要。

传统的设计计算方法具有很大的盲目性与经验性，此种方法不但简单粗略，而且要保证结构的强度与刚度就要加大安全系数，因而主轴在真实工作时的状态没有被很好地模拟。而有限元法完全可以克服传统方法的缺陷，可使提升机主轴各个部位的变形及应力情况既形象又直观地表现出来，同时无论在运算速度、数据准确性等方面与传统方法相比都有了极大的提高。

因此，文中以ANSYS 软件为主要分析工具，针对以某型矿井提升机主轴进行强度与刚度的模拟校核，为该主轴的结构改进提供了理论依据。

1 建立计算模型

考虑到Pro/E 软件建模模块的功能远胜于ANSYS 软件的建模能力，于是首先根据厂家提供的图纸在Pro/E 软件中建立起提升机主轴的三维实体模型，如图1 所示。在此过程中，对容易造成单元畸变，且对计算结果影响不大的小孔进行了忽略处理。

图1 提升机主轴实体模型图Fig.1 Solid model of mine hoist mainshaft

由于Pro/E 软件与ANSYS 软件之间可通过接口模块进行既准确又快速的数据传输，在此把Pro/E 软件中建立的.prt 文件直接通过接口导入到ANSYS 软件中。

主轴选择何种单元类型会直接影响到能否合理划分网格，由于此提升机主轴所用材料为45号碳素结构钢，其材料弹性模量E=2.06e5 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.8e－6g/mm3，在此利用Solid45 单元对之进行网格划分，结果如图2 所示。

图2 提升机主轴网格划分图Fig.2 Meshing model of mine hoist mainshaft

2 边界条件的处理

2.1 载荷

此型号提升机主轴在正常工作条件下所受载荷情况如下:

(1)竖直力。主要包括主轴的自重、缠绕于卷筒上的钢丝绳作用于主轴上的力、安装于主轴上的卷筒以及其它零部件的自重作用于主轴的力;

(2)正负水平力。由于出绳仰角不能确定时按水平方向出绳考虑，因而此处将未缠绕到卷筒上的钢丝绳拉力视为水平力;

(3)顺逆时针扭矩。未缠绕到卷筒上的钢丝绳对主轴所产生的扭矩。

对图2 模型将上述3 种载荷全部加载后，得到如图3 所示的模型全加载图。

图3 提升机主轴全加载图Fig.3 Whole load diagram of mine hoist mainshaft

2.2 约束

为了模拟轴承及主轴定位的实际情况，在其左轴承(远离键槽端)处全约束，右轴承(靠近键槽端)处仅留轴向自由度，此外，两个键槽的受压面一个在X、Y 方向上约束，另一个仅Y 方向约束。

3 有限元分析计算结果

在此根据已知数据计算主轴在以下六种工况下的受载情况(取钢丝绳拉力为最大静张力):(1)游动卷筒提升开始;(2)游动卷筒缠满一层;(3)游动卷筒提升终了;(4)固定卷筒提升开始;(5)固定卷筒缠满一层;(6)固定卷筒提升终了。结果发现工况(1)、(6)情况下所受载荷值为最大，于是可以确定在此最大载荷情况下如提升机主轴可以满足强度及刚度要求，那么其余工况自然也会满足条件。

在ANSYS 软件中对提升机主轴计算模型加载与求解后，通过进入通用后处理器POST1 即可查看分析计算结果，图4为等效应变场分布图，从图上可看出，因中间两支轮处远离轴承，最大弯曲就发生于此，最大弯曲量为0.894 mm，而许用挠度f=主轴跨度/3000=1.3 mm，因而主轴满足刚度要求。

图4 主轴等效应变场分布图Fig.4 Mainshaft equivalent strain distribution

图5为等效应力场分布图，通过图5 可知主轴最大应力发生在键槽与轴肩的交界处，最大值为154.363 MPa，具体位置如图6 所示，因为此段为输入端，不但直径发生突变，而且要传输较大扭矩，因而最大应力才会落于此处，且小于材料的屈服强度355 MPa，由此可知主轴满足强度要求。又因其中一个键槽处较之另一键槽有较大的弯曲应力，所以只在一个键槽处有最大应力。

图5 主轴等效应力场分布图Fig.5 Mainshaft equivalent stress distribution

图6 提升机主轴最大应力位置图Fig.6 Position of maximum stress equivalent of mine hoist mainshaft

图7为主轴Y 方向(钢丝绳拉力方向)应力场分布，尽管主轴的等效应力具有很大的强度富余，但在水平方向(Y 向)的应力强度富余并不足，最大应力值为205.376 MPa，所以屈服强度低于45 号碳素结构钢的钢材不宜用作制造主轴的材料。

图7 主轴Y 方向应力场分布图Fig.7 Equivalent stress distribution of Y direction

4 结语

(1)通过对提升机主轴的计算模型进行数值模拟，其应力及变形云图与实际情况具有较好的一致性，充分说明了所建模型的正确合理性。

(2)由于在键槽与轴肩的交界处会发生最大应力，所以在对提升机主轴进行研制时应着重考虑满足此处的强度条件。

(3)基于有限元法的提升机主轴数值模拟，不仅可以对主轴的强度及刚度情况进行校核，同时也可为其结构改进提供依据。

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