提升機(jī)主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

發(fā)布時(shí)間：

2024-07-05

來源：

井下提升機(jī)作為一種廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)持續(xù)、高效開展的必要保障，同時(shí)也肩負(fù)著井下煤炭上運(yùn)和地面人員、物資下運(yùn)的重任，是礦井的關(guān)鍵咽喉。因此，確保其運(yùn)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(jī)主軸的滿載應(yīng)力分布進(jìn)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(yùn)行的同時(shí)進(jìn)一步提升其運(yùn)行效益[1]

1提升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有限元法應(yīng)用優(yōu)勢分析

主軸作為提升機(jī)的關(guān)鍵零部件，對提升機(jī)自身性能的發(fā)揮有著積極意義，但由于在動(dòng)態(tài)下的主軸受力形態(tài)和載荷分布狀況難以通過實(shí)際測量進(jìn)行分析，導(dǎo)致其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)無法得到真正全面、有效的評(píng)估。鑒于這一問題，急需一種有效的手段對提升機(jī)受載情況下的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行快速解析。現(xiàn)階段，針對提升機(jī)主軸結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式便是結(jié)算算法，這種方式只能通過數(shù)學(xué)公式對主軸應(yīng)力進(jìn)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(shí)現(xiàn)對整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度檢驗(yàn)[2]。相交于此，借助計(jì)算機(jī)的ANSYS數(shù)值模擬軟件則可以通過模型的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)對主軸結(jié)構(gòu)上各部位各參數(shù)精準(zhǔn)、直觀的觀測分析，并對整個(gè)主軸設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，真正確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳效果。

2纏繞式提升機(jī)主軸結(jié)構(gòu)分析

纏繞式單軸提升機(jī)是廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)提升中的一種機(jī)型，以2JK型提升機(jī)為例，其具有載重性能好、可靠穩(wěn)定性強(qiáng)、制造工藝簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]，下圖1所示即為常見的提升機(jī)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(jìn)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(jī)主軸結(jié)構(gòu)示意圖

3提升機(jī)主軸有限元分析

對提升機(jī)主軸進(jìn)行有限元模型構(gòu)建時(shí)，為便于解算，應(yīng)簡化、消去主軸的倒角與圓角，在優(yōu)化解算時(shí)，選四面體單元，在對單元長度進(jìn)行嚴(yán)格把控的同時(shí)采用自由劃分的形式對網(wǎng)格進(jìn)行劃分[4〕。通過借助專用服務(wù)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(jī)運(yùn)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(yùn)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(shè)減速裝置以傳導(dǎo)拖動(dòng)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(jì)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(yīng)力云圖的分析可知；主軸各軸肩位置均存在顯著的應(yīng)力集聚現(xiàn)象，其中應(yīng)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(jī)主軸變形云圖

圖4提升機(jī)主軸應(yīng)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(jī)主軸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于自身所承受載荷，且所得數(shù)據(jù)為主軸極限工況運(yùn)行時(shí)，綜合考量材質(zhì)的疲勞度，主軸可允許額最大載荷強(qiáng)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(jìn)行分析，本文應(yīng)當(dāng)結(jié)合對所得數(shù)據(jù)進(jìn)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(dāng)目標(biāo)函數(shù)，以主軸強(qiáng)度與剛度充當(dāng)制約條件，以軸徑和輪轂直徑充當(dāng)自變量，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行管理，優(yōu)化后數(shù)學(xué)模型如下所示：

借助ANSYS軟件進(jìn)行模擬時(shí)，能夠?qū)?shù)的靈敏度進(jìn)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(shí)，開展優(yōu)化時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用零階法開展優(yōu)化，也就是說同時(shí)對多個(gè)點(diǎn)開展逐點(diǎn)的驗(yàn)算，并從中選取五個(gè)備選點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，所得優(yōu)化結(jié)果如下表 1所示。通過對備選點(diǎn)的分析能夠得知，各個(gè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均符合相關(guān)要求。在此基礎(chǔ)上，還可以各個(gè)點(diǎn)為參照，進(jìn)一步對主軸的徑向尺寸進(jìn)行優(yōu)化，并對其其他情況下的材料性能進(jìn)行分析[7]。

表1參數(shù)優(yōu)化結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

備選點(diǎn)	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(jī)作為礦井生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)暮诵脑O(shè)備，其運(yùn)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(jī)的關(guān)鍵核心，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)貼合生產(chǎn)實(shí)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(yīng)當(dāng)充分借助現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過對不同模擬軟件的有效運(yùn)用，針對提升機(jī)主軸結(jié)構(gòu)開展有限元分析研究，在不影響實(shí)際生產(chǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)對主軸結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步科學(xué)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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