矿井提升机卷筒装置受力分析及结构优化研究_李勇.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：卷筒装置是煤矿提升机中的重要承力结构件，运行稳定性会对提升机的运行可靠性产生重要影响。利用有限元方法对2 JK/A-5型提升机卷筒装置的受力情况进行分析，发现整体受力存在明显的不均匀性，特别是辐板结构圆孔周边出现了明显的应力集中现象，会加速结构件的疲劳损伤，降低运行稳定性和使用寿命。以圆孔直径及其位置为优化对象，以辐板结构的应力集中最大值为优化目标，利用Ansys软件进行优化改进。结果发现优化改进后的辐板结构最大应力降低了1 7.8%，有效延长了结构件的使用寿命，创造了良好的安全效益和经济效益。关键词：矿井提升机；卷筒装置；辐板；受力分析；结构优化中图分类号：TD5 3 4文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 1 7 7-0 3Force Analysis and Structure Optimization of Winding Drum Device in Mine HoistLi Yong(Yuxi Coal Mine Co.,Ltd.,Shanxi Lanhua Science and Technology Venture Co.，Ltd.,Qinshui,Shanxi 048214)Abstract:The winding drum device is an important load-bearing structural component in the coal mine hoist,whose operationstability will have an important impact on the operation reliability of the hoist.Aiming at the obvious inhomogeneity of the overallforce and the stress concentration around the circular hole of the spoke structure which will accelerate the fatigue damage ofstructural parts and reduce the operating stability and service life by analysis of the force of winding drum device in 2JK/A-5-typed hoist through finite element method,the author proposes the optimization on the diameter and position of the circular holewith Ansys software to realize the maximum stress concentration of the spoke structure,which can reduce the maximum stress by17.8%and effectively prolong the service life of the structural components with good safety and economic benefits.Key words:mine hoist;winding drum device;spoke structure;force analysis;structure optimization矿井提升机卷筒装置受力分析及结构优化研究李 勇（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西沁水0 4 8 2 1 4）煤矿开采过程中提升机是非常重要的机械装备，其作用是对煤矿资源及其他工具等进行运输1。随着煤矿开采朝着纵深方向发展以及煤矿开采效率的提升，对提升机的性能要求越来越高，提升机的运行性能会对煤矿安全以及生产效率等产生重要影响2。煤矿中使用的提升机承载较大、整体结构比较复杂，受技术水平限制，不同厂家在大型矿用提升机设计上仍然存在诸多缺陷3，如在对提升机卷筒装置等关键部位进行设计时，可能会出现设计不合理、不科学等问题，影响机械结构件的使用寿命4。本文以煤矿中使用的提升机卷筒装置为研究对象，利用有限元方法对其受力进行分析，然后对其结构进行优化改进，并应用到工程实践中，取得了良好的效果。1矿井提升机概述以煤矿中使用的2 J K/A-5型提升机为研究对象。结构层面上，提升机主要包括制动器、减速器、卷筒装置、主轴装置等，不同机械装置发挥对应的作用，再配合使用电气元件和控制系统共同实现提升机的各项功能5。矿井提升机的整体结构原理如图1所示，可以看出，主要包括卷筒装置、钢丝绳、井架天轮、物料容器等。钢丝绳数量为两根，分别缠绕在提升机卷筒两侧，钢丝绳另一侧均与物料容器连接，两根钢丝绳分别顺时针和逆时针缠绕。卷筒装置由电机和传动系统进行驱动，旋转过程中由于两根钢丝绳缠绕方向不同，因此在卷筒旋转时一个物料容器会处于上升状态，另一个则处于下降状态。在提升机的一个工作行程中，可以同时完成物料提升和物料下放的工作。图1矿井提升机的整体结构原理机电信息化技术1 7 7江西煤炭科技2023年第1期2卷筒装置受力模型建立及结果分析2.1受力模型建立根据矿用2 J K/A-5型提升机卷筒装置的实际结构尺寸，首先利用U G软件建立结构件的三维几何模型。需要说明的是，建立模型时可对一些细小结构进行省略处理，这样可以在保证计算结果精度的前提下提升模型计算速度6。将三维几何模型导入到A n s y s软件中，然后进行网格划分和材料属性设置。其中，材料为Q 3 4 5 A，查阅材料手册，将相关的力学和物理参数录入模型中即可。网格划分质量会对模型计算过程和结果产生重要的影响，A n s y s软件中提供了多种类型的网格单元，本模型中选用的是四面体网格类型，网格尺寸由软件根据整体尺寸自动确定。最终划分得到的网格单元数量为8 33 9 2个，节点数量为1 0 63 9 4个。2.2受力结果分析利用有限元程序对模型进行分析计算以后，可以利用后处理程序对分析结果进行提取分析。本研究中重点关注卷筒装置的受力情况，因此只对卷筒装置的应力分布云图进行提取。卷筒装置的应力分布云图如图2所示。其中，图2（a）所示的是整个卷筒装置的应力分布情况，从图中可以看出，卷筒装置不同部位的应力分布存在明显不均匀性，部分位置应力分布非常小，而部分位置应力分布又相对较大，其中应力最大为1 7 6.1M P a，出现应力最大的部位主要集中在卷筒筒壳表面。图2（b）所示的是辐板的应力分布云图，由图可知，辐板应力分布同样非常不均匀，但绝大部分位置的应力均相对较小，只有极少数部位应力相对较大，出现了明显的应力集中现象。应力集中位置主要分布在孔的边缘，最大应力为1 3 6.2M P a。（a）卷筒等效应力（b）辐板等效应力图2卷筒装置的等效应力卷筒装置和辐板的最大应力分别为1 7 6.1M P a和1 3 6.2M P a，而卷筒装置使用的材料为Q 3 4 5 A。查阅材料手册可知该型号金属材料的屈服强度为2 9 5M P a。根据相关理论可知卷筒的强度能够满足实际使用要求，因为结构件的最大应力没有超过屈服强度。但是在辐板圆孔周边部位出现了明显的应力集中现象，而卷筒装置工作时会不断旋转，意味着辐板圆孔部位的受力呈现出周期性的变化，且频率较高，圆孔周边部位会存在疲劳问题。经过长时间使用以后，圆孔周边部位容易出现疲劳损伤裂纹，加速辐板损伤，缩短辐板结构的使用寿命。3卷筒装置结构优化改进与应用研究3.1优化改进思路基于以上分析可以看出，卷筒装置的辐板结构存在疲劳损伤的风险，结构件的运行稳定性和可靠性会有所降低。因此可以对卷筒装置的辐板结构进行优化改进，以降低辐板在相同工况条件下的应力集中现象，提升其使用寿命。在分析实际情况的基础上，保持圆孔数量不变，最终确定了两个优化对象，分别为圆孔直径D和开孔位置L，辐板结构优化对象的如图3所示。同时以辐板结构的整体重量为约束条件，以浮板结构的最大应力为优化目标，利用有限元软件开展优化改进工作。主要思路是在合适的圆孔直径和开孔位置范围以内进行取值，利用有限元软件进行建模分析，将不同结构参数条件下的结果进行对比，最终确定最优结果。图3辐板结构优化对象3.2优化结果根据以上优化改进思路，对辐板结构进行改进，最终确定的圆孔直径和开孔位置数值分别为4 0 0m m和15 5 6m m。在该结构参数下，卷筒质量为2 50 4 2k g，辐板的应力分布云图与优化改进前基本类似，同样呈现出明显的不均匀性，圆孔周边部位出现了明显的应力集中现象，孔边缘位置1 7 8江西煤炭科技2023年第1期5结语根据屯兰矿1 8 4 0 3工作面地质条件，通过实测、C O M S O L软件模拟研究表明，穿层钻孔最佳直径为9 4mm，最佳抽采负压为1 5k P a，有效抽采半径为2.5m，设计底抽巷水平方向布置在1 8 4 0 3胶带顺槽、1 8 4 0 5回风顺槽中间，垂直方向距8#煤层底板1 0m，穿层钻孔终孔间距5m。现场应用阶段，采取水力冲孔增透技术，抽采钻孔单孔瓦斯浓度稳定，取得了良好抽采和消突效果。参考文献：1 郭晨曦.玉溪煤矿1 3 0 1工作面底抽巷瓦斯抽采技术研究J.邹城：煤矿现代化，2 0 2 2，3 1（3）：4 6-4 9.2 寇龙.水力冲孔在赵庄煤业底抽巷的应用研究J.山东煤炭科技，2 0 2 2，4 0（4）：1 4 6-1 4 7，1 5 4.3 王振军.车集煤矿底抽巷穿层钻孔有效抽采半径研究J.郑州：能源与环保，2 0 2 2，4 4（3）：6 7-7 3.4 冯涛.马兰矿1 8 5 0 2工作面瓦斯抽采技术应用J.江西煤炭科技，2 0 2 2（1）：1 6 9-1 7 0，1 7 3.作者简介：康润平（1 9 8 5），男，毕业于昆明理工大学采矿工程专业，工程师，现从事煤矿瓦斯治理技术管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0 6-0 5编辑：彭呈喜的最大等效应力为1 1 1.9 6M P a。优化改进前后卷筒装置的重量变化相对较小，但是辐板圆孔周边的最大应力由1 3 6.2M P a降低到了1 1 1.9 6M P a，降低幅度为1 7.8%。结构件最大应力的降低将大幅度减小其出现疲劳损伤的可能，在相同工况条件下其使用寿命更长，运行稳定性也更好。3.3应用效果为了验证矿井提升机卷筒装置结构优化改进方案的可靠性，将以上研究成果应用到工程实践中，对提升机卷筒辐板的结构进行了技术改进。目前改进后的矿井提升机卷筒装置在煤矿中的应用时间已经超过6个月，其间对卷筒装置的运行情况进行了观察测试。结果发现，卷筒装置整体运行良好，其间没有出现较大的故障问题，说明卷筒装置中辐板的结构优化改进方案是可行的。分析认为，此次针对辐板结构的优化改进，会使得辐板的使用寿命提升1 0%以上，为整个提升机的稳定可靠运行奠定了坚实的基础。不仅保障了提升机运行的安全性，还为企业创造了良好的经济效益。4结语以煤矿中使用的2 J K/A-5型提升机为研究对象，利用A n s y s有限元软件对卷筒装置的受力情况进行分析后，对辐板的结构进行优化改进，并应用到工程实践中。所得结论主要有：卷筒装置运行过程中的受力情况非常不均匀，特别是辐板结构圆孔周边位置出现了明显的应力集中现象，应力集中现象的出现会加速结构件的疲劳损伤，缩短其使用寿命；以辐板中的圆孔直径及其位置为优化对象，以应力集中最大值为优化目标，开展优化改进工作，使得辐板 结构的最大 应力降低 了1 7.8%；将优化方案部署到提升机工程实践中，结果发现效果良好，有效保障了设备的安全并提升了使用寿命。参考文献：1 尚存正.变频技术在煤矿提升机中的应用研究J.北京：矿业装备，2 0 2 2（2）：2 3 4-2 3 5.2 曹凌云.矿井主提升机常见故障及维修J.太原：能源与节能，2 0 2 2（