矿用提升机天轮轮体结构分析与优化设计

杨正哲

（晋能控股煤业集团麻家梁煤业有限责任公司，山西 朔州 036000）

引言

随着国家对煤矿资源的不断开采，越来越多的煤矿设备被应用到煤矿开采中。矿用提升机则是煤矿开采中的重要提升设备。但由于煤矿开采环境的恶劣性，加上提升机经常处于超负荷提升作业，钢丝绳与天轮系统之间的润滑性也无法实时得到保障，人员在开采中未对提升机及天轮系统进行定时维护保养等，导致提升机作业时经常出现钢丝绳局部断裂、天轮磨损严重、电机发热、轴承损坏等故障现象，提升机一旦出现故障，则需对其进行停机维修，这对煤矿的现场开采构成了严重损失[1]。其中，有效保证天轮的结构强度，不断对其进行结构优化改进设计，提高其结构使用寿命，是保证提升机高效运行的关键。为此，以JKMD型矿用提升机为对象，开展天轮的结构性能研究。

1 天轮系统组成分析

矿用提升机作为煤矿生产中的关键设备，其结构类型相对较多，但内部结构基本相同。以JKMD型矿用提升机为对象，其结构主要由天轮系统、制动系统、操纵系统、车槽装置等组成，其中，天轮系统包括了主导向轮、天轮、尾绳、平衡锤等，天轮系统是提升机实现货物提升的关键系统，天轮系统中的天轮组件则是通过多个天轮的相互并联进行连接，而天轮的结构主要由轮毂、轮辐、钢板等组成[2]，天轮实物如图1所示。天轮系统作业时，首先通过电动机带动主导轮旋转，钢丝绳在主导轮的旋转作用下，带动另一端的提升载荷进行向上或向下运动，此时天轮则承受着来自钢丝绳及提升载荷的较大重力和摩擦力作用，天轮长时间的运动，将会造成整体结构出现结构变形、磨损严重、中部轴孔损坏等故障失效现象[3]。天轮系统的露天作业环境，加上频繁的启停、制动等操作，加大了整套系统及天轮的损坏概率。同时，由于天轮系统存在高空作业，其系统中天轮及主导向轮的自身的结构重量将直接影响着整个天轮系统的作业效率及使用寿命[4]。因此，采用最经济的有限元分析方法，对天轮的结构组成及重量进行性能分析和轻量化研究，提高天轮的总体性能，成为提高提升机作业效率的关键。

图1 提升机中天轮实物图

2 天轮模型建立

2.1 三维模型建立

为进一步掌握天轮的结构性能，结合JKMD型矿用提升机中天轮的结构特点，采Solidworks软件，对天轮进行了三维模型建立。在建模过程中，按照1∶1的比例，在尽量保证三维模型与实物一致的前提下，对天轮中的轮缘、轮辐、轮毂、钢板等部件进行了三维模型建立。为提高天轮分析结果的准确性，对各部件中的非关键倒角、圆角、圆孔等特征进行了模型简化，仅保留了天轮中的关键特征[5]，天轮重量为7 462 kg。同时，不考虑天轮中焊接对整体结构的影响。由此，建立了天轮的三维模型图，如下页图2所示。

2.2 仿真模型建立

图2 天轮结构组成三维图

将所建立的天轮三维模型保存为x_t格式后，导入至ABAQUS仿真软件中，对其进行仿真模型建立。由于天轮在实际使用中主要采用的是ZG270-500的材料，故在软件中将其模型材料设置为ZG270-500材料，其材料的弹性模量为202 GPa，泊松比为0.3，密度为7 800 kg/m3，屈服强度为340 MPa，与Q345的材料屈服强度基本相同。同时，根据天轮的结构尺寸，对其进行了四面体网格划分，网格大小设置为10 mm，网格属性为Solid实体单元类型，天轮的网格划分图如图3所示。根据实际情况，在天轮上施加了1 500 kN的向下外界载荷，以此模拟天轮的实际工况。同时，在软件中，对天轮中部轴承孔处进行了固定约束，各部件之间进行了Tie绑定约束。由此，完成了天轮的仿真模型建立。

图3 天轮网格划分图

3 天轮结构性能分析

通过对天轮进行仿真分析，得到了天轮在外界载荷1 500 kN下的结构变形图，如图4所示。由图可知，天轮整体结构发生了较大程度的位移变形，在天轮上升侧和下降侧与钢丝绳接触的轮缘表面的变形量最大，最大变形量达到了0.527 mm；同时，天轮在径向和切向也出现了较大幅度的扭曲现象。分析其原因是由于钢丝绳尾端受到了较大的外界载荷作用，且钢丝绳运动时会产生无规律的晃动或摇摆，导致钢丝绳与天轮接触区域出现了较大的结构变形；同时，天轮轮辐由于受到径向和切向的较大拉力，导致其在中部轴承孔处也出现了较大幅度的变形。此变形规律与天轮的实际受力情况基本吻合。天轮长时间在此状态下作业，将极可能出现结构严重变形或断裂的失效故障现象。因此，需对其进行结构优化改进设计。

4 天轮结构优化改进

图4 天轮结构变形（mm）图

结合前文分析，需对提升机中天轮进行结构优化改进设计。首先就是降低天轮的自身重量。经过查阅国内相关规范，参考国内外天轮的设计尺寸和特点，天轮的改进可从改变轮辐数量、轮辐宽度和厚度等方向进行结构优化改进[6]。因此，将天轮的轮辐由原来的16根减少14根，并将天轮的轮辐厚度增加5 mm，轮辐宽度增加10 mm，以此来对天轮结构进行改进优化。改进后的天轮重量由原来的7 462 kg，减轻至7 222 kg，减轻了240 kg左右，整体结构的减重效果明显。改进后的新型天轮结构如图5所示。

图5 新型天轮三维结构图

按照前文的有限元分析方法，通过施加相同参数，得到了改进后的新型天轮的结构变形图，如图6所示。由图可知，天轮整体结构也发生较大幅度的结构变形，最大变形区域与原有结构基本相同，但结构的最大变形量为0.365 mm，比原有结构减少了0.162 mm，变形量明显减小。由此说明，经过结构优化改进后的新型天轮不仅质量减轻了240 kg，结构变形程度也大幅度降低。由此，大大提高了其结构的强度和作业安全性，也减少了提升机的能源消耗，优化效果明显，达到了预期效果。

图6 新型天轮结构变形（mm）图

5 结论

1）原有天轮在天轮上升侧和下降侧与钢丝绳接触的轮缘表面、中部轴承孔处的变形量相对较大，最大应力值也超过了其材料的屈服强度，存在一定的结构使用风险；

2）在对天轮的轮辐数量、宽度、厚度等进行结构改进后，得到的新型天轮整体结构质量减轻了240 kg，变形量也明显降低，与原有结构相比，具有更轻的结构重量和更好的结构强度，有效提高了天轮的使用寿命及作业安全性，更好地满足了提升机在现场的长时间作业需求。