矿用提升机天轮轮体结构分析与优化设计

何洪亮

（贵州省煤矿设计研究院有限公司，贵州 贵阳550025）

引言

近年来煤矿产业逐渐向着大型、高效、高技术含量等方向发展，大型落地式多绳摩擦式提升机因其具有提升能力大、行程长、功率低等优势得到了较为广泛的应用[1-4]。天轮系统作为多绳摩擦式提升机中极为关键的组成部分，不仅关系着提升机功能的实现，还与提升机的工作效率、使用寿命、调速控制、可靠性等息息相关，必须引起我们的高度重视[5-6]。通过对天轮系统的结构分析，在确保其安全可靠运行的前提下，开展改进设计工作具有重要的意义。

1 天轮系统组成及工况

单个天轮系统的组成如图1所示，包括耐磨衬垫、轮毂、轮体、轴承、轴承座等组件。绕过天轮轮槽的钢丝绳一端连接主导轮，另一端连接载荷，通过电机带动主导轮的正反转实现载荷的提升和下放，为了增加天轮的寿命，在天轮槽内设置了耐磨衬垫。

图1 单个天轮系统组成示意图

天轮系统通常被安装在较高的井架位置，由于工作环境极为恶劣，因此对天轮系统的组成结构件性能要求极为严格。天轮系统工作过程中启动、制动、正反向转动次数较多，因其自身的质量较大，运动惯量很明显，即使运动的速率较小却要承受较大的载荷，同时天轮系统工作过程中的受力状态多变。为了更好地保证天轮系统的安全性和可靠性，有必要对其进行创新改进设计，以提高其服役过程中的性能。

2 天轮轮体有限元仿真分析

相较于传统结构的优化设计方法，有限元仿真分析凭借其快速、直观的优势得到了极为广泛的应用。天轮系统中极为重要的组成部件当属天轮轮体，基于有限元分析原理，对现有天轮轮体进行静力学分析，分析天轮轮体应变分布情况，进而采取合适的改进措施对其进行优化设计，以提高天轮系统的综合性能。

2.1 有限元模型的建立

天轮轮体结构较为复杂，为了提高有限元分析的准确性，保证后续网格划分的质量，建立三维模型过程中需要对其进行简化及细微特征的忽略，采用三维绘图软件SolidWorks完成单个天轮轮体模型的绘制。之后将轮体三维模型导入有限元分析软件ANSYS中进行材料属性的设置，其所用材料为ZG270-500，其材料力学性能参数中，弹性模量为202 GPa、泊松比为0.3、密度为7 800 kg/m3、屈服强度为340 MPa。

完成材料属性设置即可进行天轮轮体网格的划分，其网格划分的质量好坏直接关系到有限元分析结果的准确性，轮体为焊接而成的环形件，其中结构尺寸较为复杂，直接进行网格划分不利于网格质量的提高。此处分别对天轮轮体的轮缘、轮毂和轮毂进行网格划分，采用Solid187和Solid95复合单元类型进行智能划分，得到整个天轮轮体的有限元仿真模型如下页图2所示，统计得到节点总数为12 053个，单元总数为33 128个。

图2 天轮轮体的有限元仿真模型

2.2 载荷及约束施加

天轮系统实际工作过程中外载分布较为复杂，现场影响因素众多，其主要承受的外载荷为钢丝绳的张紧力，大小约为1 550 kN。由于天轮两侧钢丝绳上的张力直接作用于耐磨衬垫，使轮体承受钢丝绳的正压力，作用范围在150°包角内，同时还要承受耐磨衬垫对于天轮轮体的切向摩擦力，但因摩擦力相较于钢丝绳正压力较小，仿真计算过程中将其忽略。天轮轮体工作过程中的主要约束来源于天轮轴，此处忽略了天轮轮体与天轮轴之间的相对运行，将天轮轮体与天轮轴接触的部分设置为固定约束，至此完成天轮轮体有限元仿真分析前的处理工作。

2.3 结果分析

利用ANSYS有限元仿真分析软件内自带求解器对天轮轮体进行静力学分析计算，得到天轮轮体的应变分布云图，如图3所示。由图3可以看出，天轮工作过程中的明显变形出现在两个位置，第一是钢丝绳载荷包角范围内的轮体表面，呈现出内凹变形状态，最大变形发生在上升侧和下降侧与钢丝绳接触的轮体表面；第二是在钢丝绳径向压力和切向拉力的作用下轮辐产生扭曲变形，其位置处于与中心轴垂直的平面上。

图3 天轮轮体应变（m）分布云图

3 天轮轮体结构优化改进

针对天轮轮体存在较大的内凹变形及扭曲变形的问题，充分考虑天轮轮体的轮辐数量、轮辐结构尺寸等因素，以便轮体的设计制造，提高天轮轮体的经济性，提出了两种改进方案。第一是在原有天轮轮体轮辐数量的基础上减少2根，同时在轮体的轮缘与轮辐连接位置增加环形筋板；第二是在原有天轮轮体轮辐数量的基础上减少2根，同时对轮辐的厚度及宽度进行调整。

3.1 静力学仿真分析

运用ANSYS有限元分析软件对上述2种天轮轮体改进方案进行模型的建立与网格的划分，之后在相同的载荷和约束条件下对其进行静力学分析，得到的天轮轮体应变分布云图如图4、图5所示。

图4 方案一天轮轮体应变（m）分布云图

图5 方案二天轮轮体应变（m）分布云图

3.2 结果分析

由图4、图5可以看出上述两种改进方案的最大变形依然是轮体上升侧和下降侧与钢丝绳接触的边缘位置的内凹变形和轮辐位置的扭曲变形。统计得到天轮轮体不同方案下对应的变形量、天轮轮体重量数值，如表1所示。由表1可得改进方案一使天轮的质量得到了降低，可明显增加了最大变形量，说明该改进方案不可取；而改进方案二使天轮的质量得到了降低，同样存在最大变形量增大的问题，但是增加的量较小，因此可得天轮轮体结构优化方案二具有较好的改进效果。

表1 天轮轮体改进方案仿真结果

3.3 轮辐结构对天轮轮形变及重量的影响

由图5中轮辐的变形方向可以看出提高垂直于天轮轮体轴向的平面刚度有利于提高天轮轮体的经济性，轮辐宽度对于该方向的刚度影响较为明显，与此同时，轮体的轴向变形较小，此处仅对轮辐厚度降低5 mm，重点研究轮辐宽度对于天轮轮体变形及重量的影响。分析过程中设计以下轮辐宽度值进行仿真分析，分别为90 mm、100 mm、110 mm、120 mm、130 mm。重新建立有限元仿真模型，调整不同的轮辐宽度值，完成5次静力学仿真计算，统计结果如表2所示。

表2 不同轮毂宽度下天轮轮体最大变形及重量

由表2可以看出随着天轮轮体中轮辐宽度的增大，天轮轮体的最大变形量逐渐减小，而天轮轮体的重量逐渐增加，二者的变化趋势均近似为线性。由于天轮轮体原设计的安全系数选择的较大，因此天轮轮体结构优化过程中允许最大变形出现较小的增加。综合考虑天轮轮体的最大变形量、重量变化、生产制造的经济性，轮轮体轮毂的宽度为110 mm时能够很好地满足改进要求。相较于原天轮轮体的最大变形和质量，改进之后的天轮轮体重量降低190 kg，最大变形量仅仅增加了0.01 mm，降低天轮轮体的质量的同时提高了天轮轮体的刚度和经济性，取得了较好的改进效果。

4 结论

天轮轮体作为天轮系统的重要组成部分，对其安全性和可靠性要求较高。通过对某型号多绳摩擦式提升机中的天轮轮体进行静力学分析，得到了天轮轮体工作过程中的最大变形为内凹变形和扭曲变形，分别处于上升侧和下降侧与钢丝绳接触的边缘位置及轮辐位置。基于此提出了天轮轮体优化改进方案，分析结果表明，轮辐结构对于天轮轮体的刚度提升作用明显，当轮辐的宽度为100 mm时，天轮轮体质量降低190 kg，最大变形仅仅增加了0.01 mm，能够保证天轮轮体可靠工作，大大提高了天轮轮体的经济性。