JKB-3.5×2.5型绞车的优化研究

2020-03-05逯哲宇

山东煤炭科技 2020年2期

逯哲宇

（同煤集团马脊梁矿，山西大同 037027）

绞车又称为卷扬机，是用卷筒缠绕钢丝绳或链条以提升或牵引重物的轻小型起重设备，凭借着其使用灵活、经济性好的优点，绞车广泛应用在煤矿矿井提升中[1]。马脊梁矿所用绞车为JKB-3.5×2.5型，于2010年5月开工安装，9月份正式投入运行，该提升机主要担负着马脊梁矿石炭系超重、超大设备的运输任务。在长期使用过程中卷筒存在易受力变形引起绞绳问题，给煤矿的物料和人员提升作业带来了极大的安全隐患。因此马脊梁矿组织了专业的技术团队，对引起卷筒变形的因素进行了分析，针对性地提出了卷筒结构优化方案，并利用仿真分析软件对优化结构进行了仿真分析，同时对优化后滚筒的实际应用情况进行了长期的监测。结果表明优化后彻底解决了由于卷筒受力变形而导致的绞绳问题，极大地提升了煤矿上物料提升作业的安全性和效率，具有极大的应用推广价值。

1 JKB-3.5×2.5型绞车绞绳原因分析

绞车的绞绳，是指绞车在工作过程中由于某种原因而导致的钢丝绳硬挤到一起[2]引起的局部堆积现象，其导致钢丝绳卷曲时的受力变形，影响钢丝绳的使用寿命。绞车绞绳如图1所示。

图1 绞车绞绳现象示意图

为了寻找绞车绞绳的原因，技改小组对马脊梁矿发生绞绳异常的多组绞车进行分析，发现各绞车的卷筒侧壁均出现了结构变形，造成了在转动时钢丝绳进入到卷筒时的入绳角度偏小，进而导致在卷绳时出现钢丝绳的侧移现象。因此需要对卷筒的结构进行优化，在不增加卷筒整体尺寸和重量的前提下提升卷筒的结构强度，提升工作时的可靠性。

2 卷筒结构的优化及受力分析

利用三维建模软件，建立绞车三维结构模型，然后利用接口软件将其导入到ANSYS仿真分析软件中去，在对其进行网格划分时在卷筒主轴位置设置为四面体网格划分方式[3]，对于主要承力的卷筒则选用六面体网格划分方式，确保在进行仿真分析时既能确保仿真分析的计算时间短又能确保仿真分析结果的准确性。在进行仿真分析计算时，选择在提升过程中的工况作为分析结果，根据实际监测到的马脊梁矿提升机在运行过程中的受力情况，设置作用在卷筒上的径向压力为4.12MPa，其工作时的扭矩为829.3N·m，提升拉力为3471.6N，侧向推力为122.7kN。

利用ANSYS仿真分析软件对受力情况下卷筒的受力和应变情况进行分析，结果如图2所示。

图2 优化前绞车卷筒受力仿真分析结果

由仿真分析结果可知，在优化前作用在绞车卷筒上的最大应力达到了160.54MPa，工作时的最大应力变形达到了0.69mm，因此在长期交变应力的作用下导致绞车卷筒右侧边产生了不可逆的应力变形，当钢丝绳在缠绕到右侧时卷入的入绳角度就会变小，进而造成了卷绳时的绞绳现象。而由于作用在卷筒上的应力较大，也导致了在长期运行过程中给卷筒的转轴造成压力，使转轴和卷筒间的磨损加剧，导致绞车卷筒部分出现机械故障，影响绞车系统的正常使用。

根据对绞车卷筒结构的受力分析，为了在不改变现有结构前提下增加卷筒的结构强度，项目组最终对采用高强度材料、增加边缘肋板、在卷筒上设置导向槽[4]的方案进行了对比分析，最后综合加工难易程度、改造成本及通用性等多重因素，选择在滚筒主轴上采用高强度合金而在卷筒边缘处每隔200mm采用肋板进行加强，在卷筒表面设置导向槽相结合的方案，提高其整体结构强度，增加卷绳时的导向作用。利用仿真分析软件，在相同的边界条件下对优化后的绞车卷筒结构进行仿真分析，其结果如图3所示。

图3 优化后绞车卷筒受力仿真分析结果

由仿真分析结果可知，优化后作用在绞车卷筒上的最大应力约为58.055MPa，比优化前降低了约63.84%，在受力作用下卷筒的最大形变约为0.11mm，比优化前降低了约84.1%。作用在卷筒上的应力的降低能够有效地减少对卷筒的压力，降低在提升作业时的受力变形，进而减小卷筒和转轴之间的摩擦力，避免了长期受力作用下转轴的变形，提升绞车在工作时的稳定性和可靠性。

3 改造后的实际应用分析

马脊梁矿的绞车系统在优化完成后于2019年3月开始投入使用，为了对实际优化效果进行分析，对2019年3月份到2019年7月份的实际运行情况进行监测。绞车在运行过程中未出现过绞线异常，且对运行后的绞车卷筒尺寸进行监测，目前为止绞车的尺寸结构均保持正常。在五个月的运行过程中绞车未出现过程停机异常，物料提升的效率和稳定性得到了显著的提升。在对绞车进行改造后根据实际运行情况将原有维修班人数由3人降低到了目前的1人，其维护保养周期由1月2次，降低到了目前的2个月1.5次，极大地降低了维护保养人员的工作强度，节约了人工成本，提升了绞车工作时的经济性。目前马脊梁矿已制定了推广方案，计划对异常绞车均进行改造处理，马脊梁矿优化后的绞车系统结构如图4所示。