调度绞车滚筒的设计与有限元分析

周颖

摘要：矿用调度绞车主要用于矿井井下及地面装载调度编组矿车、中间巷道中拖运矿车及其他辅助搬运工作，还运用在斜巷提升、井口装罐及作翻机动力。本文对调度绞车中的滚筒进行设计，并进行了有限元分析。

关键词：调度绞车；滚筒；有限元

1 滚筒各个参数的确定

根据公式 确定滚筒的直径，式中 为钢丝绳直径，取 ，则 ，取 ，根据滚筒的直径 和钢丝绳的直径12.5mm，取缠绕层数为14层，计算各层钢丝绳的周长如表1：

要实现300m的容绳量，则需要的圈数为：300/13.243=22.65圈，圈数取整为24圈，则容绳量为24×13.243=317.8m>300m，故能满足容绳量的要求。此时，滚筒钢丝绳的深度为14×12.5=175mm，滚筒大径要在最外层钢丝绳上放宽一个裕度。裕度值为：4×12.5=50mm，则滚筒外径

滚筒宽度： 。滚筒厚度 ，取

2 滚筒体的有限元分析

2.1滚筒体的静态分析

1）材料的选择

材料选择：根据滚筒当前的工作条件和加工成本的考虑，滚筒体材料采用Q235-A，弹性模量为2.06e5MPa，泊松比为 =0.30，许用应力为65MPa。

2）网格的划分

网格的划分对于有限元模型的分析至关重要，网格划分的数目和形状直接影响计算的速度和分析结果的精度。滚筒形状规则，厚度均匀，可采用SolidWorks的实体单元进行网格的划分。划分结果见图1：

3）滚筒的约束

传动滚筒与端盖装配体共有六个方向的自由度，分别是装配体三个方向的移动和3个方向的转动。本文位移约束选择“固定铰链”，附加在滚筒体两端端盖的轴承孔的内表面，只保留滚筒体绕轴线转动的自由度[34]。

4）力的加载

绳子均匀绕在滚筒上，可以把绳子的拉力载荷等效为滚筒体圆周面上的均布载荷。施加的面载荷计算如下：

5）有限元的分析结果如图3所示

滚筒的强度、刚度校核

（1）强度校核

带入数值得到 =0.157mm，由滚筒位移分布云图知，滚筒最大位移 为0.00148mm。所以 < ，完全符合刚度要求。

2.2 滚筒体的模态分析

模态分析主要是分析滚筒动态特性的一种方法[35]。此处主要是确定滚筒的固有振动特性，即固有频率和模态振型。通过模态分析可知滚筒在此频段内在震源的作用下产生的实际振动响应。

1）滚筒网格划分及位移约束

参照前面的静态分析，仍采用SoildWorks单元实体网格进行划分。滚筒体两端端盖的轴承孔的内表面进行约束。

2）模态分析结果

通过有限元法的分析得到固有频率和振型，我们主要对前五阶进行分析。

根据以上分析结果可以得到每一阶的固有频率和振型，根据公式 =60f，可以得到每一阶的临界转速。其结果见表2。

从表中分析可知前五阶的临界转速都达了两万转以上，引起滚筒体共振的最低临转速为22012 r/min。本设计中，滚筒的最大转速根据绳速计算可得到。绳速的最大值为1.2m /s，滚筒直径220mm，

根据公式 V=πdn /1000 （2-3）

计算可知本设计中滚筒体的最高转速为102r/min，远远低于引起共振的最低临界转速。故在运行过程中，滚筒体不会发生共振。

3 结论

对调度绞车的滚筒进行了设计，用三维建模solidworks建立了实体模型，校核了滚筒的强度和刚度，并运用solidworks软件中的similation模块对滚筒进行静态和模态分析，确定了滚筒体的刚度和强度满足要求，并且在运行过程中，滚筒体不会发生共振，为调度绞车的设计提供了参考。