煤矿提升机卷筒装置辐板结构的优化设计

李志超

（山西新元煤炭有限责任公司， 山西 晋中 045400）

0 引言

煤矿开采过程中需要利用提升机对开采得到的煤矿资源及其他相关工具进行输送，其性能好坏会对煤矿正常生产有一定程度的影响[1]。卷筒装置的作用是对钢丝绳进行缠绕，确保钢丝绳能按照一定的速度和方向进行运动，对货物进行提升或下放，因此工作时需要承受一定的载荷[2]。辐板是卷筒装置中的重要结构件，作用是对筒壳进行支撑，所以需要承载很大载荷[3]。并且提升机工作时卷筒装置处于持续旋转状态，辐板结构承受的是周期性的疲劳载荷，容易出现疲劳损伤，从而加速结构损坏，影响使用寿命[4]。以2JK/A-5 型煤矿提升机卷筒装置中的辐板结构为研究对象，利用有限元方法对辐板结构进行优化改进，取得了良好的效果。

1 提升机卷筒装置概述

以2JK/A-5 型煤矿提升机为对象，该结构的卷筒装置整体上为薄壁焊接结构。卷筒装置正常工作时，钢丝绳会在其表面进行缠绕，通过控制卷筒旋转方向，可以实现钢丝绳的缠绕和放松，达到提升和下放物料的效果[5]。如图1 所示为卷筒装置的主要结构示意图，由图1 可知，整体上主要由挡绳板、筋板、支撑柱、辐板、内侧法兰、筒壳等部分构成。卷筒整体的宽度及直径分别为2.3 m 和5 m，使用的钢丝绳直径为52 mm，能够承受的静拉力可以达到260 kN。绳圈之间的间隙设置为3 mm。辐板是对筒壳进行支撑，筒壳直接与钢丝绳接触，产生的作用力会传导到辐板中，因此辐板工作时需要承受一定的工作载荷[6]。

图1 卷筒装置的主要结构示意图

2 卷筒装置有限元模型建立

2.1 有限元模型建立

建立有限元模型时，首先需要利用三维造型软件对卷筒装置的三维几何模型进行构建，本文选用的是UG 软件。

建模时需要对一些细节部位，比如倒角、倒圆等进行忽略处理，确保计算过程能快速收敛。将建立好的三维模型通过IGS 中间格式导入到Ansys 软件中进行网格划分和材料属性设置。通常情况下，网格越细则精度越高，但计算过程越慢，相反网格划分越粗糙则计算速度越快，但精度越低。本模型由Ansys 软件自动确定网格大小，选用Ansys 软件中内置的四面体网格类型，划分得到的网格单元数量和节点数量分别为86 394 个和103 938 个。材料属性方面，2JK/A-5型提升机卷筒装置主要利用Q345A 材料进行加工制作。该材料的弹性模量和泊松比分别为206 GPa 和0.3，屈服强度极限为345 MPa，密度为7.81 g/cm3。将以上物理参数和力学参数输入到模型中，确保得到正确的结果。

2.2 受力结果分析

在Ansys 软件中完成模型计算工作后，可以对辐板结构的应力分布云图进行提取，结果如图2 所示。由图2 可知，辐板结构正常工作时，不同部位的应力分布呈现出明显的不均匀性，大部分位置的应力相对较小，不超过100 MPa，最小应力为48.2 MPa，出现在辐板内孔边缘位置，只有局部位置应力相对较大，开孔边缘部位出现了明显的应力集中现象，最大应力达到了136.2 MPa。前文已述，辐板工作时承受的是疲劳载荷，当出现应力集中现象，会加速该部位的塑性损伤，缩短结构件的使用寿命，因此有必要对辐板结构进行优化改进，尽量降低辐板结构的最大应力。为卷筒装置的稳定可靠运行奠定坚实的基础。

图2 辐板结构的应力分布云图

3 辐板孔结构优化设计

3.1 结构优化思路与方法

对辐板受力产生影响的重要结构参数主要包括开孔形状、开孔位置以及开孔的数量。因此本研究以上述三个结构参数为影响因素，基于单因素变量法，分析每个结构参数对辐板结构应力分布的影响规律。即在分析某个因素的影响规律时，另外两个因素保持不变，以此确定最佳的辐板结构参数。其中，开孔形状取4 个变量因素，分别为圆孔、腰型孔、椭圆型孔和梯型孔；开孔位置指开孔中心与辐板中心之间的距离，取5 个变量进行分析，分别为1 525 mm、1 550 mm、1 600 mm、1 637.5 mm、1 675 mm；开孔数量取4个变量因数，分别为2 个、4 个、6 个和8 个。

3.2 结构优化结果

利用UG 和Ansys 软件分别建立不同结构参数下的有限元模型并对其进行分析，最后对结果进行统计。结果发现，不同结构参数情况下，辐板的等效应力分布基本类似，整体上呈现出明显的不均匀性，局部位置出现了应力集中现象，但是应力集中最大值存在一定差异。如图3 所示为三个结构参数对辐板结构应力最大值的影响规律情况，以下进行详细介绍。

图3 辐板结构参数对最大应力的影响情况

1）开孔形状的影响。为了确保模拟结果的可对比性，设置的四种开孔形状的面积保持相同。由图3-1可以看出，开孔形状对辐板结构的应力集中最大值的影响非常显著，不同开孔形状的最大应力存在很大差异。开圆孔时辐板结构的应力集中最大值为最小，开椭圆形孔时辐板结构的应力集中最大值最大，另外两种形状时介于上述两种情况中间。因此确定的开孔形状为圆形。

2）开孔位置的影响。图3-2 显示的是开孔位置对辐板结构应力最大值的影响规律。由图3-2 可知，开孔位置对辐板应力最大值有一定的影响，随着开孔位置的不断增加，应力最大值首先降低，再逐渐增加。但不管是降低还是增加，幅度均相对较少。当开圆孔的中心与辐板结构中心之间的距离为1 600 mm 时，辐板结构的应力集中最大值最小，为131.461 MPa。

3）开孔数量的影响。图3-3 显示的是开孔数量对辐板结构应力最大值的影响规律，由图3-3 中数据可以看出，开孔数量对浮板结构最大应力的影响规律也比较复杂，两者之间并没有呈现出简单的线性比例关系。当开孔数量为8 个时，辐板的应力最大值最大，为145.694 MPa，出现这种情况的原因在于开孔数量过多，导致辐板结构整体的刚度降低，受力时容易产生变形；其次为开孔数量为2 个时，最大应力值为140.551 MPa；开孔数量为4 个和6 个时，与前两种情况相比较，辐板结构的等效应力相对更低，数量为4个和6 个时，辐板结构的等效应力相差不大，分别为129.591 MPa 和131.461 MPa。就应力最大值层面而言，应该将辐板的开孔数量确定为4 个。但考虑到开孔数量越多，辐板结构的加工成本以及后期的运行成本均会更低，因此确定的开孔数量为6 个。

通过分析不同结构参数对辐板结构最大应力值的影响规律，最终确定的开孔形状为圆形，开孔位置为1 600 mm，开孔数量为6 个。

4 结语

以提升机卷筒装置中的辐板结构为研究对象，利用先进的有限元方法对其结构进行了优化设计。所得结论主要有：通过建模分析发现辐板正常工作时存在应力集中现象，且承受的是循环周期载荷，容易出现塑形损伤，不利于结构件的运行稳定性；基于单因素变量法对辐板结构进行优化设计，分析了开孔形状、开孔位置以及开孔数量对辐板应力最大值的影响规律；基于优化设计结果以及实际情况，确定的开孔形状为圆形，开孔位置为1 600 mm，开孔数量为6 个。