JKM4.5×6型提升机摩擦衬垫动态响应分析_杨前友.pdf

Total No 280December 2022冶金设备METALLURGICAL EQUIPMENT总第 280 期2022 年 12 月第 6 期JKM4.5 6 型提升机摩擦衬垫动态响应分析杨前友1王洋溢1苏如领1陈小艳2蒋麒麟3但斌斌3(1:武钢资源集团程潮矿业有限公司湖北鄂州，436000;2:湖北科技职业学院电信工程学院湖北武汉 430070;3:武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室湖北武汉 430081)摘要以 JKM4.5 6 型提升机摩擦衬垫为研究对象，运用数值模拟技术，对摩擦衬垫进行实际工况下的有限元分析，考虑绳槽深度与绳槽围包角对摩擦衬垫接触应力与变形影响，优化摩擦衬垫结构尺寸。研究结果表明:通过比较同一深槽直径下，不同绳槽深度和围包角模型的有限元计算结果，确定了在使用直径为 44mm 钢丝绳的工况下，绳槽尺寸最优解为绳槽直径为 46.6mm、绳槽深度为 22mm、绳槽围包角为130;由标准绳槽模型和新型绳槽模型的应力变化曲线发现，应力波动范围从 2.7 4.1MPa 减小至 1.24 1.86MPa，波动值相差约 54.7%，应力减小约 30.14%。最大变形量从 0.15mm 减小至 0.11mm，相差约 32.37%。关键词摩擦衬垫数值模拟动态响应中图法分类号TF321 1文献标识码ADoi:10.3969/j.issn.1001 1269.2022.06.020Dynamic Response Analysis of JKM4.5 6 Elevator Friction LinerYang Qianyou1Wang Yangyi1Su Ruling1Chen Xiaoyan2Jiang Qilin3Dan Binbin3(1:WISCO Resources Group Chengchao Mining Co，Ltd，E zhou 436000;2:Hubei Vocational College of Science and Technology TelecommunicationEngineering College，Wuhan 430070;3:Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081)ABSTRACTWith JKM4.5 6 hoist friction liner as the research object，using numerical simulationtechnology，the finite element analysis of the friction pad，considering the rope depth of the groove and the envelopeAngle of the friction pad contact stress and deformation，optimize the structural size of the friction pad Theresearch results show that:by comparing the finite element calculation results of different rope groove depth andenvelope angle models under the same deep groove diameter，the optimal solution of 44mm is that the diameter of46.6mm，the depth of 22mm and the envelope Angle of rope groove is 130;From the stress change curve of thestandard rope trough model and the new rope trough model，the stress fluctuation range decreases from 2.7 4.1MPa to 1.24 1.86MPa，the fluctuation value varies by about 54.7%，and the stress decreases by about30.14%The maximum deformation amount decreased from 0.15mm to 0.11mm and varied by about 32.37%KEYWORDSFriction padNumerical simulationDynamic response88作者简介:杨前友，男，1970 年生，高级工程师，主要研究方向为机械工程结构力学分析及有限元仿真，邮箱:361288909 qqcom1前言随着现代矿场开采技术发展和能源紧缺，矿产资源开采逐步从浅层过度到深层开采。伴随矿井深度增加，迎来的是提升环境恶劣程度成倍提高，深井开采无论是在建井、提升作业还是日常维护之中都会面临巨大挑战。矿井提升机是矿山生产的“咽喉”设备，提升机一旦发生安全故障，将对矿场作业人员安全和经济效应带来巨大打击。对于矿井摩擦提升机，主要依靠滚筒上摩擦衬垫与钢丝绳之间由正压力产生摩擦力进行动力传输，由此可见，钢丝绳与衬垫接触时工作状态的“好坏”是衡量矿井提升机安全性能关键因素。关于提升机摩擦衬垫，许多学者进行了研究。万理想1 等人研究了不同硬度衬垫的摩擦系数相对于压力和滑动速度变化，以及衬底硬度对摩擦系数影响。封士彩2 理论上描述了钢丝绳和钢衬的主要磨耗机制，分析了影响钢丝绳和钢衬磨损因素。李同清3 根据钢丝绳接触理论分析了钢丝绳单股绳、双股绳和三股绳接触特性，研究了在滑动过程中应力场和位移场变化规律性，以及绳槽表面应力在滑移过程中变化规律。Kuss4 采用有限元分析方法基于应力分析了摩擦接触问题，得到的结果与传动算法得到结果一致。Ma5 等人模拟提升机正常工况，针对衬垫与钢丝绳之间不同润滑状态，比较摩擦因数变化规律。Zhu6 等人利用扫描仪和 X 射线光谱仪分析了经常使用衬垫材料的磨损形态和化学结构，分析了在极端条件下衬垫磨损机理和失效形式，结合实验结果考察不同工况下磨损失效形式的变化规律7 13。本文对提升过程中钢丝绳与衬垫间接触形式进行研究，并对绳槽尺寸在滑动过程中对绳衬接触面应力场的影响进行仿真，为摩擦衬垫尺寸的设计提供理论支撑。2数学模型建立及求解提升机作业时，钢丝绳在绳槽中沿摩擦轮转动方向运动，由于钢丝绳时由多股绳采用螺旋捻制而成，受力时钢丝绳会被拉伸，因此钢丝绳既有径向的位移也有周向的旋转，如图 1 所示。钢丝绳在滑动过程中，衬垫受到钢丝绳的正压力作用，同时还有剪切力以及钢丝绳对衬垫两侧的作用力，因此，可以认为摩擦衬垫受到的摩擦接触应力是由多个力综合作用的效果。图 1摩擦接触示意图在构建绳衬接触的数学模型时，为简化计算和方便受力分析，将钢丝绳简化成圆柱状刚体，即钢丝绳与衬垫完全接触且直径不会发生变化。衬垫则简化为带有柱状凹槽的一个平面，故钢丝绳与衬垫之间的接触问题简化为如图 2 所示。设定钢丝绳的弹性参数为 E1、1，摩擦衬垫的弹性参数为 E2、2，载荷 P 为钢丝绳紧张力差形成的压力。当钢丝绳与衬垫之间发生相对滑动时，形成滑动摩擦，基于 Hertz 赫兹理论，摩擦衬垫中任意一点 A 的分布压力以及切向牵引力引起的应力示意图如图 2 所示。图 2绳衬接触简化图其中 A 点应力为:x=2zaap(s)(x s)2ds(x s)2+z222aaq(s)(x s)3ds(x s)2+z2z=2z3aap(s)(x s)2ds(x s)2+z222z2aaq(s)(x s)ds(x s)2+z2xz=2z2p(s)(x s)ds(x s)2+z222aaq(s)(x s)2ds(x s)2+z2(1)98杨前友等:JKM4.5 6 型提升机摩擦衬垫动态响应分析2022 年 12 月第 6 期p(s)q(s)分别表示衬垫与股绳滑动表面上的接触应力;s 为接触区域中随意一点到接触中心的距离;a 为钢丝绳与衬垫接触区域的半径，其表达式为:a2=4PRE*(2)式中:R绳股半径，mm;E*等效弹性模量，公式为:1E*=(1 21)E1+(1 22)E2(3)作用在衬垫内表面的接触压力函数为:p(s)=2pa2a2 s槡2(4)分布的剪切牵引力函数为:q(s)=p0aa2 s槡2(5)式中:P0接触压力在中心处的压力，n/mm2。3仿真模型首先对绳衬接触模型进行适当简化，为了便于接触应力计算，将钢丝绳每一股绳简化为圆柱进行计算，将整个钢丝绳简化为七股圆柱捻制而成，捻距为 311mm，直径为 44mm，将衬垫简化为长度为 100mm 带有绳槽的梯形，其绳槽基本尺寸为行业标准尺寸，如图 3(a)所示14。网格划分:对模型采用自动网格划分在 mesh中调节网格划分质量，对于衬垫绳槽区域和钢丝绳七股绳接触面的网格进行细化，采用实体单元得 33076 个网格节点、6285 个单元如图 3(b)所示。图 3接触模型及网格划分图材料参数:钢丝绳材料和衬垫材料 K25 别如表 1 所示。表 1材料参数表密度/g/cm3弹性模量/Pa泊松比K251.41.17e80.4钢丝绳7.82.06e110.3载荷及接触问题:对于钢丝绳股与股之间没有相对滑动，定义为绑定。对于钢丝绳于衬垫绳槽接触面之间有相对滑动且摩擦系数定义为0.3。对钢丝绳施加沿绳槽方向的转动副。在钢丝绳远离衬垫的一端施加 400KN 的力模拟钢丝绳最大静张力差，对钢丝绳定义转速，并将衬垫四周固定支撑15 17，如图 4 所示。图 4约束条件设置图4仿真计算结果分析41摩擦衬垫瞬态响应分析钢丝绳与衬垫接触的瞬态分析结果如图 5 所示，钢丝绳与绳槽之间的接触为不完全约束，绳槽边缘有应力集中和变形。通过分析可以得到摩擦衬垫的危险部位是绳槽的边缘部位应力达到了2.61MPa、变形量达到了 0.148mm，该部位循环承受钢丝绳移动带来的应力集中。当应力达到衬垫的破坏准则时，接触部位会发生摩擦衬垫的磨损，衬表面与钢丝绳绳股接触部位的材料会发生不同程度的剥落。图 5瞬态分析结果图42绳槽深度对衬垫接触应力影响分析绳槽深度是指:衬垫上表面到绳槽底面的距092022 年 12 月第 6 期总第 280 期冶金设备离如图 6 所示。目前矿场企业一般由经验公式确定绳槽深度，为保证提升安全，绳槽深度高于钢丝绳直径的三分之一。同时绳槽直径选择 1.06Dw=46.64mm，故构建了直径为 46.64mm、围包角120绳槽深度为 18mm、20mm、22mm、24mm 和26mm 的模型。图 6绳槽深度示意图对钢丝绳与衬垫之间的接触问题同上小节，划分网格、设置边界条件及约束对五种绳槽深度尺寸的模型在静力分析模块施加 400kN 的推力，设置比压 1MPa，摩擦衬垫固定，钢丝绳沿绳槽方向运动并对钢丝绳施加转动副，计算结果如图 7所示。通过比较绳槽深度为 18mm 到 24mm 衬垫模型的应力云图可以发现，钢丝绳与衬垫接触边缘有应力集中现象，最大应力分别为:4.51MPa、9.73MPa、3.16MPa、7.69MPa 和 8.52MPa，通过比较可以发现，绳槽深度为 22mm 的衬垫模型其应力分布状况较好。不同深度的衬垫模型在同一载荷条 件 下，变 形 量 分 别 为:0.26mm、0.71mm、0.18mm、0.76mm、0.81mm，通过分析可以发现，最大变形量产生的部位随钢丝绳与衬垫的接触区域有关，由于钢丝绳与衬垫的接触方式为螺旋接触，最大变形区域随钢丝绳的移动和转动不断改变。由折线图 8 可以发现，绳槽深度为 22mm 即钢丝绳直径的一半时，最大应力和最大变形