煤矿架空乘人装置改向滑轮受力分析及优化

杨涛

（山西乡宁焦煤集团 毛则渠煤炭有限公司，山西 乡宁 042100）

1 概 况

煤矿架空乘人装置承担煤矿井下斜巷和平巷运输任务的关键设备，主要以电动机带动减速机上的摩擦轮形成驱动装置，以敷设在空中无极钢丝绳牵引，钢丝绳依靠系统尾部的张紧装置实现张紧，整个过程沿途利用各个托绳轮进行支撑，实现架空乘人运输工作。架空乘人装置在实际运行过程中，改向滑轮是进行轨道方向调整的重要部件，对设备整体的运行稳定性非常关键，但改向滑轮非常容易磨损，威胁煤矿井下生产安全。本文以毛则渠煤矿当前应用的RJY35 型架空乘人装置为研究对象，对其改向滑轮的受力情况进行分析，探究优化方案。

毛则渠煤矿102 巷道应用RJY35 型架空乘人装置进行运输，102 巷道分4 段，具体情况见表1。

表1 102 巷道原始参数Table 1 102 original parameters of roadway

为确保在巷道不同区段间可以安全高效连续运输，在RJY35 型架空乘人装置运行过程中，应用改向滑轮进行工作方向和运输方向的调整。但在毛则渠煤矿日常设备检修工作统计中发现，RJY35 型架空乘人装置改向滑轮磨损频繁，需要经常进行维修和更换，影响煤矿的开采效率，对生产安全也是不利因素。因此决定对该改向滑轮进行优化。

2 改向滑轮受力分析与讨论

2.1 有限元分析模型的建立

在此次研究中，力学分析的首要步骤是建立毛则渠煤矿RJY35 型架空乘人装置改向滑轮有限元分析模型。毛则渠煤矿所用的改向滑轮材料为16Mn，屈服强度为345 MPa，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.30，建模时对小圆角、倒角、轴颈和沟槽等部位进行简化处理。在模型简化完成后，应用ABAQUS 软件，采用求解精度更具优势的二次减缩积分C3D20R 单元模型进行网格划分，共计得到13 284 个单元，划分网格后的改向滑轮有限元分析模型如图1 所示。

图1 划分网格后的改向滑轮有限元分析模型Fig.1 Finite element analysis model of reversing pulley after meshing

根据毛则渠煤矿102 巷道改向滑轮的实际运行情况，在改向滑轮轴的中间位置建立参考点，将参考点与改向滑轮轴相配合的面建立Coupling 耦合约束，然后在参考点上施加相应的边界条件，控制其6 个方向的自由度。

2.2 仿真分析主要参数的确定

结合架空乘人系统改向滑轮的实际运行特征可知，改向滑轮主要通过加大驱动轮围包角的方式来提升驱动轮的工作能力。对此，进行改向滑轮的受力分析，如图2 所示。

图2 改向滑轮承载钢丝绳静张力时的受力分析Fig.2 Stress analysis of redirection pulley bearing static tension of steel wire rope

根据图2 中的受力分析，设钢丝绳与改向滑轮之间存在静压力p，且改向滑轮自身半径为R，则钢丝绳在水平方向处于平衡时，其可通过如下方程表示：

对该方程做进一步化简后可得：

式中：F 为钢丝绳的张力，根据实际情况，取27.962 kN；θ0为钢丝绳与改向滑轮的包角，220°；R 为改向滑轮半径，225 mm；B 为改向滑轮的宽度，18 mm。代入上述已知数据后，求得静压力p 的值为4.834 MPa。

在确定静压力数据后，以此作为载荷数值进行分析。同时在仿真分析过程中，考虑改向滑轮自重和惯性的影响，只考虑钢丝绳正压力对改向滑轮的作用。在钢丝绳与改向滑轮的接触面上施加一个在圆周方向上按照均匀规律变化的载荷。

2.3 改向滑轮应力仿真分析

在确定仿真分析载荷数值及分布后，首先进行改向滑轮的应力分析，基于ABAQUS 有限元分析软件中的standard 求解器自动进行，求解得到的应力分布情况如图3 所示。

图3 改向滑轮应力分布云图Fig.3 Stress distribution cloud diagram of reversing pulley

根据图3 可知，在改向滑轮模拟运行过程中，滑轮与轴相接处出现较高应力值，最大应力值约为259.74 MPa。虽然该数值低于材料的许用应力（结合实际情况，按照安全系数1.1 计算，材料的许用应力约为313 MPa），但二者已经较为接近，且应力集中问题相对较为突出，与驱动轴之间的磨损问题显著，因此如何降低滑轮与驱动轴之间的接触应力及集中度，是降低其磨损率的关键。

2.4 改向滑轮位移仿真分析

在应力分析的基础上，进一步分析改向滑轮的位移，应用ABAQUS 有限元分析软件中的standard求解器自动进行分析，最终得到位移分布情况如图4 所示。

图4 改向滑轮位移分布云图Fig.4 Displacement distribution cloud diagram of reversing pulley

根据图4 可知，改向滑轮与钢丝绳相连接的位置存在位移，造成这种现象的原因主要源自改向滑轮自身的设计，主要包括以下3 点：①改变运输方向需要改向滑轮引导钢丝绳在不同的路径上移动，需要一定的位移量确保钢丝绳有足够的长度来完成路径的变化，以便将乘人装置从一个方向转向另一个方向；②钢丝绳在滑轮系统中始终保持一定的张紧度，确保在运输过程中不会出现松弛或过度紧绷的情况，一定的位移量可以提供足够的张紧度，使钢丝绳处于适当的张力状态；③运输过程中，钢丝绳周围的滑轮会发生弯曲，为了避免过度弯曲导致绳索的过早磨损或损坏，需要一定的位移量来确保足够的弯曲半径。

从位移量数据来看，其整体位移值处于较小水平，约为0.001 7 mm，显著低于位移量的允许上限值0.1 mm，在许可范围内。

3 改向滑轮优化与实际测试

通过上文的仿真分析结果可知，在此次分析的改向滑轮模型中，主要存在的问题是滑轮与轴相接处的应力值较高，且应力集中问题较为明显，因此基于以上两方面问题制定优化方案。在查阅相关文献和类似案例后，确定采用以下两方面的措施：其一，针对滑轮与轴相接处的接触应力较高的问题，对接触部位材料进行替换，选择韧性较高的材料降低接触应力；其二，针对应力值较为集中的问题，在接触部位添加缓冲材料，吸收和消散部分冲击载荷，降低应力集中程度。

将上述解决方案具体化，即确定替换材料的韧性和弯曲性能，以及确定缓冲材料的材质及其合理厚度。为同时解决上述两方面的优化问题，决定采用多目标优化算法进行优化设计工作。为兼顾效率和准确性，此次多变量遗传算法在编写代码时，控制编码长度为20，迭代运算次数则进行100 次，算法中“个体”的交叉和遗传概率分别为0.7 和0.035，以此运行多变量遗传算法进行求解。最终确定优化结果，针对材料优化问题，采用Q450 钢替换16Mn 材料；应用高分子有机材料作为缓冲，缓冲材料厚度为1.5 mm。

应用有限元分析方法重新分析优化后的改向滑轮的应力与应变情况。分析结果显示，在改向滑轮进行优化设计后，最大应力值由初始的239.74 MPa下降至103.72 MPa，且应力集中于滑轮与轴相接处的问题得到有效改善。

4 结语

针对毛则渠煤矿102 巷道RJY35 型架空乘人装置中的改向滑轮磨损较快、更换频繁的问题，通过仿真分析方法，对其进行受力分析，研究其在运行过程中的应力及位移分布，表明主要存在的问题是滑轮与轴相接处的应力值较高，且应力集中问题较为明显，并确定了优化方向。以多目标遗传算法为工具，对改向滑轮进行优化改进，将改向滑轮材质更换为Q450 钢，在接触部位添加高分子有机材料作为缓冲，厚度为1.5 mm。将优化后的改向滑轮应用在毛则渠煤矿102 巷道RJY35 型架空乘人装置中，从现场反馈来看，应用效果良好，改向滑轮磨损程度和速度都有所降低，减少了更换维修频率，提高了生产效率。