提升機主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

發(fā)布時間：

2024-07-05

來源：

井下提升機作為一種廣泛應用于煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵運輸設備，是實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)持續(xù)、高效開展的必要保障，同時也肩負著井下煤炭上運和地面人員、物資下運的重任，是礦井的關(guān)鍵咽喉。因此，確保其運行的穩(wěn)定對礦山生產(chǎn)有著積極意義。在此，結(jié)合以往相關(guān)研究理論，借助ANSYS致值模擬軟件，對提升機主軸的滿載應力分布進行分析，并以此為依據(jù)開展主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保其在正常運行的同時進一步提升其運行效益[1]

1提升機結(jié)構(gòu)設計中有限元法應用優(yōu)勢分析

主軸作為提升機的關(guān)鍵零部件，對提升機自身性能的發(fā)揮有著積極意義，但由于在動態(tài)下的主軸受力形態(tài)和載荷分布狀況難以通過實際測量進行分析，導致其設計結(jié)構(gòu)無法得到真正全面、有效的評估。鑒于這一問題，急需一種有效的手段對提升機受載情況下的應力分布規(guī)律進行快速解析。現(xiàn)階段，針對提升機主軸結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設計方式便是結(jié)算算法，這種方式只能通過數(shù)學公式對主軸應力進行大致估算，在獲得其局部參數(shù)的情況下借由安全系數(shù)的放大實現(xiàn)對整個結(jié)構(gòu)的強度和剛度檢驗[2]。相交于此，借助計算機的ANSYS數(shù)值模擬軟件則可以通過模型的構(gòu)建實現(xiàn)對主軸結(jié)構(gòu)上各部位各參數(shù)精準、直觀的觀測分析，并對整個主軸設計的細節(jié)進行優(yōu)化，真正確保結(jié)構(gòu)設計的最佳效果。

2纏繞式提升機主軸結(jié)構(gòu)分析

纏繞式單軸提升機是廣泛應用于煤礦生產(chǎn)提升中的一種機型，以2JK型提升機為例，其具有載重性能好、可靠穩(wěn)定性強、制造工藝簡便等諸多優(yōu)點[3]，下圖1所示即為常見的提升機主軸結(jié)構(gòu)示意圖。其中，離合器選用齒輪離合裝置，通過液壓進行調(diào)控；卷筒選用焊接結(jié)構(gòu)，直徑3 500 mm，主軸跨度5 0 mm；所用鋼絲繩直徑43 mm,可承受最大張力為170 kN0

1一離合器；2一非固定卷筒；3一主軸；4一固定卷筒；

5一支輪；6一軸承

圖1提升機主軸結(jié)構(gòu)示意圖

3提升機主軸有限元分析

對提升機主軸進行有限元模型構(gòu)建時，為便于解算，應簡化、消去主軸的倒角與圓角，在優(yōu)化解算時，選四面體單元，在對單元長度進行嚴格把控的同時采用自由劃分的形式對網(wǎng)格進行劃分[4〕。通過借助專用服務終端，確保解散速度和精度的有效性。

3 · 1約束力施加分析

針對提升機運行狀態(tài)，忽略出繩搭配的四種情況，選取出繩角度為0。，左卷筒下出繩和右卷筒上出繩的一種情形作為研究對象，其運行示意圖如下圖2所示（圖中數(shù)字代表各輪轂連接處）。以這種模型作為研究對象施加約束力，在主軸輪轂處施加 330 KNm的力矩，并在切向鍵位置增設減速裝置以傳導拖動力矩。從而確保卷筒自身重量和外界載荷向輪轂各連接處的有效傳遞[5]。

圖2模型出繩工況分析

3 ·2計算結(jié)果分析

通過對圖3中主軸變形云圖的分析可知：主軸左側(cè)軸承區(qū)域變形值最小，軸跨度中部變形值最大，最大變形值為L35而通過對圖4應力云圖的分析可知；主軸各軸肩位置均存在顯著的應力集聚現(xiàn)象，其中應力最大值為36MPa，出現(xiàn)在左端面的軸承約束位置。

圖3提升機主軸變形云圖

圖4提升機主軸應力云圖

4主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析

通過上文分析得知，提升機主軸強度遠遠高于自身所承受載荷，且所得數(shù)據(jù)為主軸極限工況運行時，綜合考量材質(zhì)的疲勞度，主軸可允許額最大載荷強度適宜為140 MPao不過鑒于所針對情況具有單一性，未能對卡死、沖擊等特殊情況下的主軸受力進行分析，本文應當結(jié)合對所得數(shù)據(jù)進行適度的優(yōu)化改良。在考慮卷筒主軸結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的前提下，將主軸徑向及同受力相關(guān)的尺寸作為優(yōu)化變量。選取主軸體積充當目標函數(shù)，以主軸強度與剛度充當制約條件，以軸徑和輪轂直徑充當自變量，并對相關(guān)參數(shù)進行管理，優(yōu)化后數(shù)學模型如下所示：

借助ANSYS軟件進行模擬時，能夠?qū)?shù)的靈敏度進行調(diào)整，有助于分析不同極值對不同參數(shù)的靈敏度[6]。同時，開展優(yōu)化時，應當選用零階法開展優(yōu)化，也就是說同時對多個點開展逐點的驗算，并從中選取五個備選點進行優(yōu)化，所得優(yōu)化結(jié)果如下表 1所示。通過對備選點的分析能夠得知，各個點結(jié)構(gòu)設計均符合相關(guān)要求。在此基礎上，還可以各個點為參照，進一步對主軸的徑向尺寸進行優(yōu)化，并對其其他情況下的材料性能進行分析[7]。

表1參數(shù)優(yōu)化結(jié)果統(tǒng)計表

備選點	dl/mm	dJmm	體積/mm3	值/灬	/MPa
	30L25	46L25	8．67E+08	L51	·05
	32L25	467．5	9· l IE+08	L56	53．18
	36L25	470．625	9．76E+08	L47	50．63
	326．25	492．5	9．89E+08		53．52
	316·25	498．75	9．95 +08	L25	57．36

5結(jié)語

提升機作為礦井生產(chǎn)運輸?shù)暮诵脑O備，其運行的效果對生產(chǎn)作業(yè)有著直接影響，而主軸作為提升機的關(guān)鍵核心，其結(jié)構(gòu)設計貼合生產(chǎn)實際需求，是確保生產(chǎn)有效、持續(xù)開展的必要前提。礦井技術(shù)人員應當充分借助現(xiàn)代化的計算機技術(shù)，通過對不同模擬軟件的有效運用，針對提升機主軸結(jié)構(gòu)開展有限元分析研究，在不影響實際生產(chǎn)的情況下實現(xiàn)對主軸結(jié)構(gòu)的進一步科學優(yōu)化，為礦井生產(chǎn)的高效開展奠定物質(zhì)保障。

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