基于HyperWorks的矿井提升机卷筒人孔优化分析

胡捷，邹中妃，陈跃威，何雪，曹纪超

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)



基于HyperWorks的矿井提升机卷筒人孔优化分析

胡捷，邹中妃，陈跃威，何雪，曹纪超

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)

摘要：针对矿井提升机卷筒辐板人孔周边处易产生应力集中的现象，以HyperWorks为平台，分析其人孔形状、数目对卷筒整体应力及人孔周边应力的影响，并优化结构参数。分析结果表明，人孔形状及数目对卷筒整体应力、应变影响不大，对人孔周边应力影响较明显,优化后人孔周边最大应力为129.6 MPa，比原来减少40%。为解决因人孔周边应力集中而导致卷筒开裂的问题提供了可行方法。

关键词:矿井提升机卷筒人孔结构参数应力集中HyperWorks

0引言

提升机是矿井运输中的“咽喉设备”，是矿井系统中非常关键和重大的一部分，它的状况如何，直接关系到人员的安全和生产的正常进行[1]。而作为其中典型的单绳缠绕式矿井提升机是出现较早、在我国使用最多的一种类型，但在实际应用中仍存在一些问题，其中比较常见的是因应力集中而导致的卷筒辐板腰型人孔处开裂。工程实际中针对此故障一般采用将人孔周边重新磨光，并沿内孔周边焊上一圈加强板的方法，这种方法实用性较强，但无法从源头上解决问题，成本较高，也往往会加速疲劳破坏，造成二次开裂[2-3]。

1卷筒有限元分析

1.1三维建模及网格划分

本文针对国内某厂家生产的2JK-5型提升机固定卷筒进行优化分析，在三维建模软件SolidWorks中建立几何模型，如图1所示。在Hypermesh中导入其三维几何模型，抽取中面并做几何清理，完成其网格的划分，效果如图2。

图1　卷筒几何模型　　　　图2　网格划分效果

1.2设置材料以及属性

卷筒为薄壁焊接结构，卷筒材料属性：弹性模量E为205 GPa，泊松比为0.3，密度为6.81 g/cm3，屈服极限为334 MPa。各板数值如表1。

表1　各板厚度值

1.3约束和载荷施加

卷筒一端施加固定约束，另一端y、z向约束，可有一定径向位移。施加载荷时，假设钢丝绳缠满三层，钢丝绳对卷筒产生一个径向压缩力，将其转化为作用于筒壳上的均布载荷；挡绳板受到集中力均布在每个节点上[4]。

1.4结果

在HyperView中查看卷筒，辐板等效应力云图分别如图3、图4所示，可以看到辐板腰型人孔边缘存在应力集中现象，最大等效应力为216.303 MPa。

图3　卷筒等效应力图　　　图4　辐板等效应力图

2卷筒人孔优化分析

2.1腰型孔和圆孔的对比分析

针对腰型人孔边缘存在较大应力集中，容易产生疲劳失效而导致卷筒开裂的问题，进行优化分析。在约束和载荷的施加方式仍一样的情况下，改变人形孔形状为圆形，人孔数目不变，并对比多组不同人孔距中心距数据，提高分析可靠性[5]。得不同情况分析结果如图5-图10，其数据如表2。

图5　D=3 200(腰型孔)　　　图6　D=3 200(圆形孔)

图7　D=3 275(腰型孔原结构)　　图8　D=3 275(圆形孔)

图9　D=3 350(腰型孔)　　图10　D=3 350(圆形孔)

表2　关键位置等效应力及位移值

结果表明：人孔形状改变对整体的影响不大，但对人孔周边的最大应力值有较明显的改变，且圆形人孔效果比腰形圆孔好。

2.2圆形人孔距卷筒中心距对比分析

在分析中心距对卷筒等效应力的影响时，取等效应力分布效果更好的圆形人孔作为分析基准，通过改变圆形人孔到卷筒中心的距离，得到分析结果如图11-图12，具体数据如表3。

表3　关键位置等效应力及位移值

图11　D=3 100(圆形孔)　　图12　D=3 500(圆形孔)

结果表明，中心距的改变对卷筒整体等效应力影响不大，但对人孔边缘最大等效应力值影响较明显。

2.3圆孔数目对比分析

取圆形人孔到卷筒中心的中心距D=3 100 mm，对其人孔数目进行分析，设置人孔数目分别为2,4,6,8个，其他条件不变，得到等效应力分别如图13-16，具体数据如表4。

图13　2孔　　　　　　　　图14　4孔

图15　6孔　　　　　　　　图16　8孔

表4　关键位置等效应力及位移值

圆形人孔数目对整体应力情况影响不大，但能改善人孔周边最大等效应力值。人孔数目4孔效果最优，但6孔时人孔周边最大等效应力值与4孔时相差不大，而6孔更加节省材料，节约成本，故幅板上布置6孔较为合理。

3结论

本文通过HyperWorks对矿井提升机卷筒人孔进行优化分析，得出以下主要结论：

1)人孔形状、人孔到卷筒中心距以及人孔数目的改变对卷筒整体等效应力影响不大，但对人孔周边等效应力影响较大，同一中心距下圆形人孔边缘最大应力值低于腰型人孔；同一人孔形状下，人孔边缘最大等效应力随中心距的减少而减少，且值趋于均匀分布； 圆形人孔数目6孔较为合理。

2)优化后卷筒辐板人孔边缘最大等效应力值变为129.6 MPa，减少了40%，减轻了应力集中现象，为解决人孔开裂问题提供了有效的方法。

参考文献

[1]晋民杰，李自贵.矿井提升机械[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]李长军，朱春学，范占峰.缠绕式提升机筒壳崩裂的原因分析及对策[J].煤矿机械,2004,5(5):125-126.

[3]许燕，徐静，李玉刚，李淑奇.矿用螺旋式钻杆的疲劳应力分析[J].现代机械，2014(1)45-46.

[4]李毅. 单绳双筒缠绕式提升机有限元分析及机械结构优化设计[D].重庆大学，2009.

[5]季晔,贾现召,张步斌,霍玉玲.提升机主轴装置有限元数值模拟[J]. 煤矿机械，2015.28(7)：32-34.

Optimization and analysis of mine hoist drum manhole based on HyperWorks

HU Jie，ZOU Zhongfei，CHEN Yuewei，HE Xue，CAO Jichao

Abstract:Aiming at the problem that stress concentration appears in the surrounding of the manhole of hoist drum, based on HyperWorks platform, this paper analyzes the impact of the manhole’s shape and number on the overall stress of the drum and the stress in the surrounding of the manhole, and then optimizes the structure parameters. The analysis results show that the shape and number of manhole don’t have obvious influence on the overall stress and strain of the drum, while influence on the stress surrounding the manhole is apparent. After the optimization, the maximum stress surrounding the manhole is 129.6 MPa, 40% less than the original. The study provides a feasible method to solve the problem of drum cracking caused by stress concentration surrounding the manhole.

Keywords:mine hoist；drum manhole; structure parameters; stress concentration；HyperWorks

收稿日期：2015-08-24

作者简介：胡捷(1990-)，男，湖南娄底人，硕士研究生，专业：机械制造及自动化，方向：有限元分析。

中图分类号：TD4

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)01-0046-03