郭庄煤业JKMD3.25×4(Ⅲ)E型提升机摩擦轮结构的优化改造

吉囡囡

（山西潞安郭庄煤业有限公司，山西 长治 046100）

郭庄煤业主井为JKMD3.25×4(III)E型多绳摩擦落地式提升机，滚筒直径为3.25m，宽1.7m，在长期使用过程中频繁出现摩擦轮疲劳破断情况，严重影响了提升机的正常使用。为了提升摩擦轮结构的可靠性，提高提升机工作稳定性和安全性，本文首先对近年来的摩擦轮失效原因进行了分析，然后针对性地提出了楔形压块连接结构而且将支环改为一体式连接的结构优化方案，并利用ANSYS仿真分析软件对优化后的结构进行仿真分析，证明了优化方案的可靠性。根据优化后的摩擦轮在郭庄煤业的应用情况表明，优化后不仅降低了摩擦轮结构的整体重量，而且极大地提高了结构强度，增加了摩擦轮的使用寿命。目前该结构已在郭庄煤业的两个提升机系统上实现了应用。

1 郭庄煤业提升机摩擦轮失效分析

摩擦轮91.5%的失效均发生在摩擦轮的压块和滚筒配合的螺钉孔位置，原因主要在于摩擦轮滚筒上设置有大量的通孔。摩擦轮的压块通过螺栓连接固定在滚筒外侧，摩擦轮在长期使用过程中，连接位置频繁受到摩擦挤压作用，逐渐发生疲劳损坏，产生裂纹。同时由于需要加工大量的通孔，在加工过程中不可避免的会产生应力集中的作用，加速疲劳破坏。郭庄煤业提升机的摩擦轮结构如图1所示。

2 摩擦轮结构的优化方案

针对摩擦轮结构在使用过程中出现的疲劳损坏情况，应优先采用一体化结构设计，避免出现应力集中情况。本文提出了一种新型的楔形槽型配合结构，将摩擦衬垫和摩擦轮通过楔形槽进行连接，同时为了避免出现难拆卸的情况，将楔形槽的内侧角度设置为25°～45°的渐变结构，从而实现固定可靠性和更换便捷性的统一。为了避免采用压块螺栓连接带来的加工复杂、易产生应力集中的问题，本文提出将各个楔型槽先进行焊接，然后在槽内区域增加加强板结构，提高整体结构强度，最后将整体采用外支环方式和摩擦轮外表面相连。支撑结构如图2所示。

图1 提升机摩擦轮结构示意图

图2 楔形槽配合结构示意图

3 摩擦轮结构的仿真分析

利用三维建模软件建立提升机摩擦轮结构的三维模型，然后将其导入到ANSYS仿真分析软件中。根据摩擦轮实际材料情况，设置其屈服强度为345MPa，其工作时的弹性模量为200GPa。根据实际测量的摩擦轮工作时的受力情况，设置工作受力为35MPa，利用ANSYS对该工况下摩擦轮的应力和应变情况进行分析，结果如图3所示。

图3 摩擦轮结构仿真分析结果

由仿真分析结果可知，摩擦轮结构优化后，在工作过程中其最大应力约为36.55MPa，远低于材料的屈服强度极限，且应力集中的位置分布相对较为分散，特别是在承载区域，未出现明显的应力突变，表明结构合理，满足正常工作要求。在工作过程中摩擦轮的最大变形量约为0.37mm，变形区域主要集中在摩擦轮两侧位置，这主要是由于摩擦轮取消压块后采用了一体化的外支环连接方式，导致两侧结构相对较弱，但在实际工作中该区域内只是用于对钢丝绳进行挡护，实际受力较小，因此0.37mm的变形量满足结构使用需求。

4 摩擦轮结构的实际应用

对提升机摩擦轮结构进行优化后，目前已经在郭庄煤业主井处的提升机上进行了应用。由于采用了一体化的连接方式，取消了压块和连接螺栓等，使摩擦轮整体的结构重量比优化前降低了约9.3%。通过对应用以来该摩擦轮使用情况的监测，其工作过程中稳定性较好，未出现摩擦轮过度磨损、衬垫脱落等异常。目前已将对摩擦轮的全面检测周期由1个月调整到了3个月，节约了大量的人力，取得了较好的应用效果。郭庄煤业主井提升机结构如图4所示。

图4 郭庄煤业主井提升机结构示意图

5 结论

针对郭庄煤业主井JKMD3.25×4(III)E型多绳摩擦落地式提升机在长期使用过程中频繁出现摩擦轮疲劳破断情况，本文提出了一种一体式结构优化方案，利用楔形机构和一体化的外支环连接方式取代了原先采用螺栓连接的方式，利用仿真分析软件对优化后的应力和应变情况进行了分析，通过在郭庄煤业主斜井的实际应用表明：

（1）郭庄煤业提升机摩擦轮失效的原因主要在于摩擦轮滚筒上设置有大量的通孔，摩擦轮的压块以螺栓连接的方式固定在滚筒外侧，摩擦轮在长期使用过程中，连接位置频繁受到摩擦挤压作用，逐渐发生疲劳损坏，产生裂纹。

（2）摩擦轮结构优化后，在工作过程中其最大应力约为36.55MPa，远低于材料的屈服强度极限，且应力集中的位置分布相对较为分散，最大变形量约为0.37mm，变形区域主要集中在摩擦轮两侧位置，变形量满足结构使用需求。

（3）采用了一体化的连接方式，取消了压块和连接螺栓等，使摩擦轮整体的结构重量比优化前降低了约9.3%。