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提升机主轴结构优化分析


井下提升机作为一种广泛应用于煤矿生产中的关键运输设备,是实现煤矿生产持续、高效开展的必要保障,同时也肩负着井下煤炭上运和地面人员、物资下运的重任,是矿井的关键咽喉。因此,确保其运行的稳定对矿山生产有着积极意义。在此,结合以往相关研究理论,借助ANSYS致值模拟软件,对提升机主轴的满载应力分布进行分析,并以此为依据开展主轴结构优化,确保其在正常运行的同时进一步提升其运行效益[1]

1提升机结构设计中有限元法应用优势分析

主轴作为提升机的关键零部件,对提升机自身性能的发挥有着积极意义,但由于在动态下的主轴受力形态和载荷分布状况难以通过实际测量进行分析,导致其设计结构无法得到真正全面、有效的评估。鉴于这一问题,急需一种有效的手段对提升机受载情况下的应力分布规律进行快速解析。现阶段,针对提升机主轴结构的传统设计方式便是结算算法,这种方式只能通过数学公式对主轴应力进行大致估算,在获得其局部参数的情况下借由安全系数的放大实现对整个结构的强度和刚度检验[2]。相交于此,借助计算机的ANSYS数值模拟软件则可以通过模型的构建实现对主轴结构上各部位各参数精准、直观的观测分析,并对整个主轴设计的细节进行优化,真正确保结构设计的最佳效果。

2缠绕式提升机主轴结构分析

缠绕式单轴提升机是广泛应用于煤矿生产提升中的一种机型,以2JK型提升机为例,其具有载重性能好、可靠稳定性强、制造工艺简便等诸多优点[3],下图1所示即为常见的提升机主轴结构示意图。其中,离合器选用齿轮离合装置,通过液压进行调控;卷筒选用焊接结构,直径3 500 mm,主轴跨度5 0 mm;所用钢丝绳直径43 mm,可承受最大张力为170 kN0

1一离合器;2一非固定卷筒;3一主轴;4一固定卷筒;

5一支轮;6一轴承

1提升机主轴结构示意图

3提升机主轴有限元分析

对提升机主轴进行有限元模型构建时,为便于解算,应简化、消去主轴的倒角与圆角,在优化解算时,选四面体单元,在对单元长度进行严格把控的同时采用自由划分的形式对网格进行划分[4〕。通过借助专用服务终端,确保解散速度和精度的有效性。

3 · 1约束力施加分析

     针对提升机运行状态,忽略出绳搭配的四种情况,选取出绳角度为0。,左卷筒下出绳和右卷筒上出绳的一种情形作为研究对象,其运行示意图如下图2所示(图中数字代表各轮毂连接处)。以这种模型作为研究对象施加约束力,在主轴轮毂处施加 330 KNm的力矩,并在切向键位置增设减速装置以传导拖动力矩。从而确保卷筒自身重量和外界载荷向轮毂各连接处的有效传递[5]。

2模型出绳工况分析

3 ·2计算结果分析

     通过对图3中主轴变形云图的分析可知:主轴左侧轴承区域变形值最小,轴跨度中部变形值最大,最大变形值为L35而通过对图4应力云图的分析可知;主轴各轴肩位置均存在显著的应力集聚现象,其中应力最大值为36MPa,出现在左端面的轴承约束位置。

 

3提升机主轴变形云图

4提升机主轴应力云图

 

4主轴结构优化结果分析

通过上文分析得知,提升机主轴强度远远高于自身所承受载荷,且所得数据为主轴极限工况运行时,综合考量材质的疲劳度,主轴可允许额最大载荷强度适宜为140 MPao不过鉴于所针对情况具有单一性,未能对卡死、冲击等特殊情况下的主轴受力进行分析,本文应当结合对所得数据进行适度的优化改良。在考虑卷筒主轴结构不发生变化的前提下,将主轴径向及同受力相关的尺寸作为优化变量。选取主轴体积充当目标函数,以主轴强度与刚度充当制约条件,以轴径和轮毂直径充当自变量,并对相关参数进行管理,优化后数学模型如下所示:

借助ANSYS软件进行模拟时,能够对参数的灵敏度进行调整,有助于分析不同极值对不同参数的灵敏度[6]。同时,开展优化时,应当选用零阶法开展优化,也就是说同时对多个点开展逐点的验算,并从中选取五个备选点进行优化,所得优化结果如下表 1所示。通过对备选点的分析能够得知,各个点结构设计均符合相关要求。在此基础上,还可以各个点为参照,进一步对主轴的径向尺寸进行优化,并对其其他情况下的材料性能进行分析[7]。

1参数优化结果统计表

备选点

dl/mm

dJmm

体积/mm3

/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结语

提升机作为矿井生产运输的核心设备,其运行的效果对生产作业有着直接影响,而主轴作为提升机的关键核心,其结构设计贴合生产实际需求,是确保生产有效、持续开展的必要前提。矿井技术人员应当充分借助现代化的计算机技术,通过对不同模拟软件的有效运用,针对提升机主轴结构开展有限元分析研究,在不影响实际生产的情况下实现对主轴结构的进一步科学优化,为矿井生产的高效开展奠定物质保障。

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