结构变化对多绳摩擦式提升机主导轮应力的影响

周广林,　储文君

(黑龙江科技学院 机械工程学院, 哈尔滨 150027)



结构变化对多绳摩擦式提升机主导轮应力的影响

周广林,储文君

(黑龙江科技学院 机械工程学院, 哈尔滨 150027)

为了解决JKM型多绳摩擦式提升机主导轮开裂开焊问题，获得更合理的主导轮结构，应用Pro/E和有限元分析软件对JKM-3.25/4型多绳摩擦式提升机主导轮进行了有限元分析，对主导轮原结构和加焊筋板后结构进行应力分布测试，给出支轮与卷筒间径向夹角对主导轮影响的应力曲线，对结构改造前后动态参数进行验证。结果表明：主导轮内两轮毂间的槽钢及筋板对主导轮的整体应力状态影响不大，但对焊缝处的应力产生影响。当支轮与筒壳间的径向夹角大于5°时，会恶化主导轮的整体受力情况；当夹角取5°时，支轮与卷筒间焊缝的应力及应力波动幅度最小，能够改善主导轮工作应力状况，利于提高主导轮的使用寿命。

多绳摩擦式; 提升机; 主导轮; 有限元分析

0　引　言

矿井提升设备是矿井的“咽喉”机械,担负着矿井中有用矿石和矸石的提升以及人员、材料、设备的运送任务,是矿山生产中最重要的环节之一。摩擦式提升机对于大型矿井而言,应用越来越广泛。主导轮是多绳摩擦式提升机最重要的承力部件,虽然提升机主要承力部件的应力水平较低,但使用寿命均要求在十几到几十年,摩擦式提升机实际工作中长期处在交变应力的作用下,容易发生开焊和开裂等现象,影响矿井的安全生产[1-2]。由于摩擦式提升机主导轮结构对称而载荷非对称,所以现在还没有像缠绕式提升机那样的应力解析计算方法,应力分布极为复杂。笔者以某矿业集团多个矿使用的JKM-3.25/4型多绳摩擦式提升机主导轮为例,应用有限元分析软件,研究结构变化对主导轮的应力分布和刚度的影响,以期找出在不影响整机性能的情况下,能够改善局部受力较高状况的较理想结构。

1　主导轮有限元分析模型

1.1摩擦式提升机主导轮上的外载荷

摩擦式提升是靠钢丝绳和摩擦衬垫间的摩擦力,克服搭在主导轮上的钢丝绳的张力差而传递作用力,从而实现提升作用,如图1所示。主导轮上的摩擦衬垫将切向力(摩擦力)和径向力(正压力)传递给卷筒,且张力分布符合式(1)的欧拉公式:

Ff=S1-S2=S2(eμφ-1),

(1)

式中:Ff——钢丝绳与摩擦衬垫之间的摩擦力,N;

S1——钢丝绳在与主导轮相遇点张力,N;

S2——钢丝绳在与主导轮奔离点张力,N;

μ——钢丝绳与摩擦衬垫之间的摩擦系数,取0.25;

φ——钢丝绳在主导轮上的围包角,取195π/180。

当摩擦力为最大静张力差180 kN时,按此工况计算每条衬垫环面的径向力P(θ)和切向力Ff(θ):

(2)

(3)

式中:D——主导轮名义直径,取3.25 m;

t——衬垫宽度,取0.08 m。

图1　载荷分布Fig. 1　Load distribution

1.2主导轮几何模型及有限元模型

1.2.1主导轮结构的变化

某矿业集团JKM-3.25/4型多绳摩擦式提升机使用一段时间后,主导轮内槽钢与轮毂之间的筋板发生开焊现象,影响矿井的安全生产。使用单位采用在裂焊处进行修补的方法,效果不佳。如图2所示,笔者应用应力均化原理[3],在原筋板两侧对称加焊两块和原筋板规格相同的筋板,如图2b,期望减低焊缝处的应力,用以研究结构改变对整体结构应力和原筋板焊缝处的应力影响。

图2　主导轮结构Fig. 2　Leading wheel structure

有些卷筒与支轮接触处发生开焊、开裂现象,说明此处应力较大,或有应力集中现象。从受力角度出发,改变支轮与卷筒间的角度,由垂直改变为与径向成α角度,如图3所示,用以研究支轮角度变化对焊缝处应力的影响。

图3　支轮与径向夹角Fig. 3　Support wheel with radial angle

1.2.2几何模型的建立

主导轮是一个大型复杂焊接体,在进行整体分析时,由于各部件之间采用焊接结构,将整个主导轮视为一个整体几何结构,建立几何模型[4-6]。为了得到较理想的有限元网格,应用三维绘图Pro/E软件建立主导轮几何模型,并对其适当简化。考虑摩擦衬垫对主导轮的影响,将建立的主导轮几何模型导入有限元软件,直接在有限元ANSYS软件中建立衬垫的几何模型。

1.2.3有限元分析模型的建立

主导轮材料为16Mn,摩擦衬垫采用PVC塑料,因主导轮与摩擦衬垫两个几何模型材料不同,所以需分配不同的单元类型。主导轮结构较复杂,采用带中间节点的六面体单元185,主导轮材料弹性模量取2×105MPa,泊松比0.3;摩擦衬垫结构简单,采用节约资源的Solid Brick 8 node 45单元,弹性模量2.4×103MPa,泊松比0.3。选用智能网格划分,等级为7级。主导轮与主轴间使用过盈配合,无相对运动,故在轮毂与主轴接触面一端采用轴向和周向全部约束,另一端采用轴向全部约束。因需施加服从欧拉分布的径向力和切向力,所以在衬垫表面应用表面效应单元,力的大小由式(1)～(3)确定,ANSYS中的欧拉载荷施加时,采用APDL语言编程,程序如下:

get,enmax,elem,,num,max

get,enmin,elem,,num,min

do,i,enmin,enmax

SET,ye,centrx(i)

SET,p,(180000*EXP(0.25*ye))/(4*3.25*0.08*EXP(0.25*0.851))

SET,t,0.25*(180000*EXP(0.25*ye))/(4*3.25*0.08*EXP(0.25*0.851))

esel,s,i

sfe,all,1,pres,p

sfe,all,2,pres,t

esel,s,i+1

end do

2　不同载荷分布的强度分析

为了使施加的载荷更加符合实际情况,考虑载荷对主导轮的影响。采用两种方式施加载荷,一种方式忽略摩擦力对主导轮的影响,载荷为均布形式,直接施加面载荷;另一种方式考虑摩擦力对主导轮的影响,载荷为欧拉分布形式,按此方式施加载荷时,结合表面效应单元与APDL语言,不同载荷作用下主导轮应力、应变云图如图4所示。由图4可知,载荷均布时应力、应变双侧均较大,而载荷成欧拉分布时应力、应变一侧较大,且沿主导轮圆周向另一侧逐渐减小。

由表1可知,当载荷发生变化时,载荷均布时主导轮上的最大应力为19.50 MPa,载荷欧拉分布时主导轮上的最大应力为6.20 MPa,减小了68.2%。主导轮上的最大应力点的位置也发生了变化,由槽钢与筋板焊缝处转移到了支环上。

表1　主导轮上的最大应力Table 1　Maximum stress on driven wheel

分析可知当用均布载荷替代实际的欧拉载荷分布时,主导轮上的最大应力比实际的欧拉载荷分布大很多,这主要是由于两种载荷作用时,其最大应力均为钢丝绳上的最大静张力,沿主导轮圆周方向均布要比欧拉分布大,所以当忽略摩擦力时,不能准确地反映实际的受力情况,因为主导轮上最大应力点的位置和应力分布均发生了明显的变化,会影响主导轮分析的准确性。

3　改变主导轮结构的强度分析

3.1槽钢与轮毂间筋板对主导轮的影响

3.1.1结构变化前后筋板与槽钢间焊缝处应力

由文献[7]可知,加焊筋板不会影响主导轮整体的受力情况,但是主导轮结构的变化会影响到结构改变处局部受力情况。为了研究结构改变前后对开焊处的应力影响,取距离载荷上方最近的筋板为研究对象,给出结构变化前后原筋板与槽钢之间焊缝处等效应力分布,如图5所示。

图5　原筋板与槽钢间焊缝处等效应力曲线

Fig. 5Equivalent stress curve between raw ribs and steel welding seam

由图5可知,筋板与槽钢间焊缝处最大应力值由4.23 MPa减小到3.99 MPa,减少了5.6%,加焊筋板后原焊缝处的等效应力下降,阻止了应力扩张。以上分析表明,加焊筋板能够在不影响整体受力的情况下对局部受力情况稍有改善,但由于应力水平较低,对焊缝处支轮的应力水平影响不大。

3.1.2将原结构去掉筋板后对主导轮应力的影响

为了更近一步研究筋板对主导轮强度的影响,在其他参数不变的情况下,将有限元模型中去掉原结构中的筋板对主导轮进行有限元分析。从分析结果可知:无筋板时主导轮应力最大值为18.18 MPa,位置仍在支轮上人孔边缘处,此结果表明主导轮内的筋板对主导轮的整体受力情况影响不大。

为了分析筋板对主导轮主要承力部件——卷筒的应力影响,取卷筒沿主轴方向中间剖面(卷筒径向变形及应力最大的剖面[7])为研究对象,等效应力分布如图6所示。

图6　卷筒中间剖面等效应力曲线分布

Fig. 6Distribution of equivalent stress curve of reel intermediate section

图6中卷筒圆周起始点选钢丝绳与主导轮轮壳作用的进入点,无筋板时卷筒上最大应力为9.212 MPa,原结构中卷筒上最大应力为9.213 MPa,且等效应力大小和曲线分布规律几乎相同,这表明主导轮内的筋板对主导轮主要承力部件卷筒的应力几乎没有影响。

3.1.3主导轮结构变化的实验分析与实践改造

课题组曾对多台缠绕式提升机主轴装置的开裂问题应用应力均化原理进行了成功的处理[3],对于摩擦式提升机筋板开焊问题,依此经验,进行了图1b所示的改造,即在离原筋板一定的距离内两侧各加焊一块筋板,收到了很好的效果。有限元计算分析表明:主导轮内的筋板对主导轮主要承力部件卷筒及支轮的应力影响很小,筋板开焊的原因主要是焊接质量差,并非应力太大所致。课题组对第二台开焊的JKM-3.25/4型多绳摩擦式采取切除筋板的处理,并对处理前后该提升机的支轮与轮毂焊缝附近支轮应力最大点的应力进行了测试。改造前焊缝处支轮的应力为4.02 MPa,入孔边缘处的最大应力为17.85 MPa;改造后焊缝处支轮的应力为4.28 MPa,入孔边缘处的最大应力为17.60 MPa。

3.2支轮与卷筒间径向夹角对主导轮的影响

为了研究支轮与卷筒间径向夹角对主导轮应力的影响,在其他条件不变的情况下,改变支轮与卷筒间径向夹角分别取0°、2°、3°、4°、5°、6°、9°,进行主导轮支轮与卷筒焊接处的应力分析,不同支轮与卷筒间径向夹角的应力值见表2。

表2不同径向夹角时主导轮应力最大值

Table 2Stress maximum value of different radial angle of main wheels

由表2可知,支轮与卷筒间径向夹角在0°～5°范围内。随着角度的增大应力在减小,超过5°,主导轮的最大应力值会随着支轮与卷筒间径向夹角的增加而增大。当夹角大于6°时,主导轮上的应力值急剧增大,小于6°时,应力值变化不大。支轮与卷筒间径向夹角成5°时,会减弱钢丝绳进入点和脱离点应力波动的幅度,从而使疲劳对焊缝处的影响达到最小。从减小焊缝处应力的角度,设计新型摩擦式提升机时支轮与筒壳之间的径向夹角取5°会更合理。

4　结束语

JKM型多绳摩擦式提升机主导轮是重要的承力部件。文中应用Pro/E软件建立其几何模型,再导入有限元软件划分网格、施加载荷和边界条件,进行有限元计算和分析。通过实验与实践改造,研究了主导轮结构改变对其强度的影响。

(1)主导轮内槽钢与轮毂间加焊或去掉筋板对主导轮的整体受力情况影响不大,但对焊缝处的应力会产生影响,为解决筋板开焊问题,建议去掉筋板。

(2)设计新型摩擦提升机时，支轮与筒壳之间的径向夹角建议取5°。

该研究为多摩擦提升机的主导轮的合理设计和技术改造提供了理论支持。

[1]潘英. 矿山提升机械设计[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2000.

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[3]周广林, 张红华. 基于ANSYS的苏制2×5×2.3型提升机支轮结构改造[J]. 煤炭学报, 2008, 33(1): 99-102.

[4]邵立新, 夏素民, 孙江宏. Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007.

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[7]储文君. JKM-3.25/4型多绳摩擦式提升机主导轮有限元分析及优化设计[D]. 哈尔滨: 黑龙江科技学院, 2011.

(编辑徐岩)

Stress influence of leading wheel on structural change of multi-rope friction hoist

ZHOUGuangling,CHUWenjun

(College of Mechanical Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Targeted at opened welding and cracking on leading wheel of the JKM type multirope friction the elevator to develop more reasonable leading wheel structure，this paper introduces the simulation of stress of the leading wheel in JKM-3.25/4 type multirope friction hoist-led round by means of Pro/E and finite element analysis of the leading wheel. The paper discusses measurement and test of stress distribution for the leading wheel of the original structure and welding rib structure, the development of stress curve associated with the effect of the radial angle between support wheel and roll radial on leading wheel, and verification of parameters before and after the structural transformation of dynamic. The results show that the channel and rib between the two hub-led round, with little impact on the overall stress state of the dominant round, exert effect on the stress of the weld.When radial angle between the support wheel and the cylinder shell is greater-than 5°, there occurs the deterioration of the overall force of the dominant round, when the radial angle is 5°, there occurs the minimum fluctuations in support wheel and roll between the weld stress and stress, thus improving the status of the leading wheel working stress and thus service life of the leading wheel.

multi-rope friction; hoist; leading wheel; finite element analysis

1671-0118(2012)03-0282-05

2012-04-19

周广林(1961-),男,吉林省怀德人,教授,博士,研究方向:机械电子及基于声强测量的宽带声全信息技术,E-mail:guanglinzhou@163.com。

TD534.3

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