煤矿运输绞车的机械结构有限元分析

杜少华

(潞安集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿,山西 长治 046299)

煤矿运输绞车的机械结构有限元分析

杜少华

(潞安集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿,山西 长治 046299)

煤矿辅助运输系统是煤矿机电系统和采掘系统的重要组成部分。运输绞车作为辅助运输系统不可或缺的设备,对于煤矿井下辅助运输有着不可或缺的重要作用。滚筒是运输绞车的关键承载结构,在实际运转过程中其受力状况非常繁杂,只运用传统的理论运算分析很难获得相对精确的结果。针对目前煤矿的辅助运输系统存在的问题,对矿用运输绞车的关键机械结构滚筒部分进行了有限元分析,同时完成了对其的力学分析,通过有限元分析,验证了力学分析计算的正确性,同时说明机械结构强度及刚度都能够达到要求,这为以后的进一步研究奠定了科学基础,对后续的发展具有重要意义。

运输绞车;滚筒;有限元分析

矿用绞车作为轨道运输的牵引装置是煤矿不可或缺的辅助运输装置。在矿山采掘及运输情况下,物料运输、综采设备移动及其他设备的牵引都需绞车来完成,其非常普遍的运用在矿井的各个角落[1-3]。其工作性能的好坏在很大程度上直接影响到矿井的生产效率及安全,如果出现故障将致使非常严重的后果。目前我国矿井的辅助运输系统非常落后,矿用绞车作为煤矿辅助运输得主要设备,滚筒的安全性、实用性以及力学性能直接影响矿用绞车的运行的安全与效率。本文通过力学分析和有限元分析对矿用JYB 型运输绞车的关键机械结构——滚筒进行力学性能分析和安全性评估。

1 滚筒结构力学分析

1.1滚筒筒壁受钢丝绳的径向力

钢丝绳环绕滚筒致使对其筒壁形成相对均匀的径向挤压力,把环绕的绳圈看做绳环,同时同一圈的钢丝绳张力是常数,滚筒所承受的径向力是均匀分布的载荷。钢丝绳环绕滚筒仅一层时的受力示意图见图1。

图1 滚筒单元受力示意图Fig.1 Force diagram of the roller unit

(1)

钢丝绳对筒壁的径向均匀分布的压力:

(2)

式中:F表示钢丝绳承受的拉力,kN;S表示钢丝绳绳槽宽度,通常情况下是钢丝绳直径的1.1倍,mm;D0表示滚筒直径,取为580 mm。

最大负载拉力Fjm=76 kN,则Pr1=10.82 MPa。

多层绕绳前提下,下层钢丝绳将承受其上层压迫及滚筒筒壁的径向弯曲形变导致张力缩小,进而导致筒壁上承受的压力无法依附绕绳层数的升高而线性扩大。设置多层环绕系数An,则钢丝绳对筒壁的径向均匀分布压力:

Prn=AnPr1.

(3)

若环绕层数n=11,则A11=3.2,进而Pr11=34.62 MPa。

滚筒在径向力Prn扰动下其内壁出现的最大切应力:

σmax=PrnD0/2δ.

(4)

式中:δ表示滚筒的壁厚,δ=40 mm。

251.02 MPa .

已知滚筒材料ZG35CrMo,其材料屈服强度及安全系数分别是δs=390 MPa及1.5,则滚筒许用应力:

251.02 N/mm2=σmax.

(5)

滚筒最大径向位移:

(6)

式中:E1表示滚筒的弹性模量,E1=2.22×105MPa；a及b分别表示滚筒内外壁半径,a=250 mm,b=290 mm；μ表示材料泊松比,μ=0.30。

1.2没有绕到滚筒上的钢丝绳的拉力致使的弯曲及扭转

钢丝绳于某一压力前提下绕至滚筒,对滚筒的力:① 已绕至滚筒的对其的挤压力；② 没有绕至滚筒的对其的弯曲及扭转作用力[4]。滚筒能够看做是空心圆柱体,其直径远远高于厚度,同时拥有相对很高的截面惯性矩,所以没有绕至滚筒的钢丝绳对其筒壁的剪应力及弯曲应力都非常小,能够不予考虑。

1.3滚筒侧壁受钢丝绳的轴向力

钢丝绳于环绕层间过渡时,对侧板造成轴向推力而致使其出现弯曲产生应力,其大小和钢丝绳的张力、环绕层数及其和筒壁之间的摩擦因数相关[5]。致使的轴向力:

F2=1.145Fne-0.009n.

(7)

式中：F表示钢丝绳于滚筒环绕n层时的拉力,kN。

经过添加自动排绳设备以使得其能够均匀排布,同时换层时能够平稳完成,所以在很大程度上钢丝绳对侧壁产生的应力很小,能够不予考虑。

2 滚筒有限元分析

滚筒是运输绞车的关键承载结构,在实际运转过程中其受力状况非常繁杂,只运用传统的理论运算分析很难获得相对精确的结果。因此运用ANSYS软件对滚筒结构进行有限元分析[6],分析其在实际工作状况下的受力状况,明确其应力分布状况。

滚筒材料参数，见表1。

表1 滚筒材料参数Table 1 Material parameters of the roller

其网格划分见图2。

滚筒承受的力仅仅考虑已绕至滚筒的钢丝绳对其造成均匀分布的径向力及重力作用,对滚筒外壁的载荷Pr11=34.62 MPa。添设重力加速度时其实际添设的是惯性力,方向和重力方向相反,g=9 800 mm/s2。滚筒在很大程度上是全部由轴承完成支撑的,和轴承相互配合的地方变形相对非常小,所以能够把滚筒和轴承的接触面位置当做是固定约束,即每个方向上都没有出现位移。滚筒几何形状、约束及受力都是对称结构,因此在滚筒的对称面上添加对称约束。

3 有限元结果分析

有限元分析得到的滚筒的综合位移云图及等效应力云图分别见图3及图4。

图4 滚筒综合位移云图Fig. 4 Cloud map of comprehensive displacement of the roller

根据图3及图4能够获知,运输绞车在工作历程中,于最大载荷情况下出现相对非常小幅度的形变,其左侧板的位置变形相对来说非常小,愈是逼近滚筒两侧其出现的形变情况也就愈是严重,其中最大位置形变是0.0625 mm。滚筒的平均等效应力愈是逼近滚筒右边四分之一位置其数值愈高,然而极大值发生在轴承对滚筒的支撑台阶位置是256.01 MPa,拥有应力集中的现象,其数值大小相对低于许用应力260 MPa。所以其强度符合要求。

运用ANSYS获得滚筒内外壁沿轴线方向的应力及位移改变曲线见图5、图6、图7及图8。

图5 滚筒外壁沿轴线方向的应力改变Fig.5 Stress variation of the outer wall of the roller along the axis direction

图6 滚筒外壁沿轴线方向的位移改变Fig.6 Displacement variation of the outer wall of the roller along the axis direction

图7 滚筒内壁沿轴线方向的应力改变Fig.7 Stress variation of the inner wall of the roller along the axis direction

图8 滚筒内壁沿轴线方向的位移改变Fig.8 Displacement variation of the inner wall of the roller along the axis direction

根据图5至图8能够获知,在滚筒的右边四分之一位置平均等效应力及形变均到达了极大值,滚筒的等效应力极大值是256.01 MPa,其数值大小相对来说非常逼近许用应力260 MPa,进而表明了应力分析结果的准确性。滚筒于结构上来说在很大程

度上并不是一个标准的空心厚壁筒,会受到其侧边壁厚改变的扰动;在曲线的左右两侧发生应力突变源自受到滚筒内部台阶的扰动影响。滚筒内壁的形变相对于其外壁来说数值比较高,内外壁形变极大值分别是6.25×10-2mm及6.0×10-2mm,这个形变数值和理论运算得到的数值相差0.06 mm,相对来说非常相近,这表明了形变分析结果的准确性。

4 结论

对矿用运输绞车关键结构-滚筒的力学性能进行研究分析,运用ANSYS软件对其进行了有限元分析,对滚筒应力应变状况进行了重点分析,其结果验证了力学分析计算的正确性,同时说明机械结构强度及刚度都能够达到要求,这为以后的进一步研究奠定了科学基础。

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FiniteElementAnalysisonMechanicalStructureofHaulageWinchinMines

DUShaohua

(XiadianMine,CilingshanMiningCo.,Ltd.,Lu’anGroup,Changzhi046299,China)

Auxiliary transport system is an important part of the electromechanical system and mining system in mines.Haulage winch is indispensable in the auxiliary transport system.As a key bearing structure, the force status of the roller is complicated in the actual operation.Traditional theoretical analysis is difficult to obtain the precise results.To solve the problems in the current auxiliary transport system,finite element analysis was conducted on the roller of the winch.The finite element analysis verified the mechanical analysis,which means that the strength and rigidity of the mechanical structure have met the requirement.The study has laid a scientific basis for the further research,which is also important for the future development.

haulage winch; roller; finite element analysis

1672-5050(2017)04-0033-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.010

2017-06-28

杜少华(1986-),男,山西壶关人,大学本科,工程师,从事煤矿机电方面的研究。

TD421.8

A

(编辑:杨 鹏)