LS42.5型滚轮罐耳的轻量化设计及强度分析

吴兆丽

【摘  要】滚轮罐耳是提升容器在刚性罐道运行时的导向装置，是提升容器的主要部件之一。因其自身重量过大，不仅造成资源的浪费，而且使安装工作难以进行，因此必须对LS42.5型滚轮罐耳进行轻量化改进设计，并进行了关键部件强度计算。

【关键词】滚轮罐耳;Abaqus;轻量化

前言

滚轮罐耳是用于限制矿用立井提升容器沿罐道上下运行时水平方向窜动的导向装置，广泛应用于国内外矿山立井运载提升系统中。由于其在提升容器运行过程承受较大的冲击载荷，因此在矿用设备中属于易损件，需要定期更换以保证工程的安全性。目前企业生产的滚轮罐耳多数体积大，质量较重，虽然保证了安全系数，但是过大的质量给安装更换工作造成了困难。本文对LS42.5型滚轮罐耳进行轻型化改进设计，最大限度的减轻重量，并且验证了其缓冲器的工作能力，确保其工作强度，并实现资源的最大化利用。

1 LS42.5型滚轮罐耳的轻量化设计

LS42.5型滚轮罐耳整体结构如图1所示，主要包括缓冲器、支架、轮毂、轮轴、胶轮等结构。

1.1轮毂的轻量化设计

LS42.5型滚轮罐耳的轮毂为实心的铸钢件，可以对其进行合理的结构与材料的改进来减轻其重量。首先确定胶轮厚度及轮毂直径，滚轮罐耳在运行过程中始终与罐道保持接触，两者接触应力计算公式为：

式中： 为接触半径，m; 为实际罐耳半径，m; 为罐耳与罐道之间的预紧力，N; 为接触应力，MPa; 为罐耳与罐道的实际接触长度，m;E为弹性模量， 为泊松比;下标s、u表示滚轮和罐道[1]。

由公式可以看出，通过增大罐耳厚度和半径，可以减少磨损，但是滚轮罐耳半径增大会造成立井井筒直径增大，提升机构的安全间隙减小，因此只能适当增加罐耳厚度，即罐耳与罐道的实际接触长度[2]。因此为减少罐耳与罐道之间的接触应力，提高其使用寿命，参考设计胶轮的厚度为50mm。同时在保证总轮径不变的前提下，减少胶轮厚度，从而相应增大了轮毂直径，确定其直径为375mm。

滚轮罐耳在实际工作过程中承受罐道冲击力的主要结构为缓冲器，轮毂只发挥了力的传递作用。原轮毂采用铸钢材料，重量为61.923kg，将其改进设计为镂空的铝合金结构，重量为30.609kg。镂空轮毂结构不仅维持原有的承重能力，还将重量减轻了50%，是滚轮罐耳轻量化设计的关键。

1.2 轴承改进

为应对井下的恶劣环境，改进轴承的密封形式，选择自旋转密封，有利于保证其工作的密闭性，从而提高轴承的使用寿命。

2 滚轮罐耳的整体刚度分析

邹舰认为在提升容器运行过程中，采用安装在提升容器上的安全罐耳承受个别较大水平力，滚轮罐耳承受多数较小的水平力，同时通过实测数据与理论计算，确定滚轮罐耳最大水平力按照Q/24计算符合实际工程要求，其中Q代表提升绳端载荷，包括提升容器自重、滚轮罐耳、首尾绳悬挂装置及载重[3]。

滚轮罐耳的缓冲作用主要来源于胶轮和弹簧缓冲器，它们通过摆臂相连，通过将滚轮罐耳支撑结构的中心点连线后，简化如图所示的连杆结构，其中ABC代表摆臂，CD代表缓冲器，两者与底座均为铰接。冲击力F通过胶轮作用于点B，此时沿DC杆产生了反作用力F1。因此分析杆ABC得出：

其中：L=271mm，L1=325mm。F=32000N，F1=26683N

由于压入的深度远小于胶轮厚度，胶轮与罐道之间的接触半径远大于胶轮厚度，因此只计算轴向的变形，总作用力与总变形量之间的关系[4]如下：

L42.5滚轮罐耳的胶轮的参数如表2所示：

将表格内参数代入公式，可得到胶轮的最大变形量为7.662 mm。

缓冲器刚度计算

LS42.5型滚轮罐耳的缓冲器是采用11片碟形弹簧对合方式组合而成的，用以承受提升装置运行过程中的轴向载荷。单片碟形弹簧规格参数如表3所示。

通过计算得出组合碟簧的刚度为10978.36 N/mm，碟形弹簧缓冲器的最大变形量为2.431mm。

在滚轮罐耳受到作用力时，摆臂发生旋转，缓冲器被压缩，整个连杆机构发生如图所示的变化。假设B点的水平位移为x，BA与B1A的夹角为q，C1A与B1A的夹角为b，为450，C1A和DA的夹角为a，DA与BA夹角为g。

以上公式中的参数含义及其数见表4。

根据以上数值可求得水平位移g=94.836，a=48.906，q=0.93，x=4.366mm。因此滚轮罐耳受水平力作用时，胶轮的变形量为7.662 mm，整体最大水平位移为12.028mm，其误差在可允许范围内，符合国家标准中的缓冲行程要求。

3 结论

通过对滚轮罐耳的胶轮、轮毂、轴承进行结构改进，达到轻量化设计目的，同时对胶轮及主要承重部件碟簧缓冲器进行变形量计算，验证其强度符合行业标准。

参考文献：

[1]杨建奎，李祝民. 滚动罐耳的受力分析及改进[J]. 矿山机械，2009（24）：72-73.

[2]杨天恩. 立井提升容器的水平振动研究及结构改进设计[D]. 安徽理工大学，2016.

[3]王喆. 立井提升导向装置关键问题研究[D]. 安徽理工大学，2018.

[4]戚晓楠，秦强，朱家诚. 基于ANSYS的滚轮罐耳刚度分析[J]. 煤矿机械，2015（06）：130-132.

[5]李毅华，朱安行，张新. 基于ANSYS的滾轮罐耳整体刚度研究[J]. 煤炭技术，2019，038（005）：162-165.