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提升機主軸結構優化分析
發布時間：
2024-07-05
來源：
井下提升機作為一種廣泛應用于煤礦生產中的關鍵運輸設備，是實現煤礦生產持續、高效開展的必要保障，同時也肩負著井下煤炭上運和地面人員、物資下運的重任，是礦井的關鍵咽喉。因此，確保其運行的穩定對礦山生產有著積極意義。在此，結合以往相關研究理論，借助ANSYS致值模擬軟件，對提升機主軸的滿載應力分布進行分析，并以此為依據開展主軸結構優化，確保其在正常運行的同時進一步提升其運行效益[1]
1提升機結構設計中有限元法應用優勢分析
主軸作為提升機的關鍵零部件，對提升機自身性能的發揮有著積極意義，但由于在動態下的主軸受力形態和載荷分布狀況難以通過實際測量進行分析，導致其設計結構無法得到真正全面、有效的評估。鑒于這一問題，急需一種有效的手段對提升機受載情況下的應力分布規律進行快速解析。現階段，針對提升機主軸結構的傳統設計方式便是結算算法，這種方式只能通過數學公式對主軸應力進行大致估算，在獲得其局部參數的情況下借由安全系數的放大實現對整個結構的強度和剛度檢驗[2]。相交于此，借助計算機的ANSYS數值模擬軟件則可以通過模型的構建實現對主軸結構上各部位各參數精準、直觀的觀測分析，并對整個主軸設計的細節進行優化，真正確保結構設計的最佳效果。
2纏繞式提升機主軸結構分析
纏繞式單軸提升機是廣泛應用于煤礦生產提升中的一種機型，以2JK型提升機為例，其具有載重性能好、可靠穩定性強、制造工藝簡便等諸多優點[3]，下圖1所示即為常見的提升機主軸結構示意圖。其中，離合器選用齒輪離合裝置，通過液壓進行調控；卷筒選用焊接結構，直徑3 500 mm，主軸跨度5 0 mm；所用鋼絲繩直徑43 mm,可承受最大張力為170 kN0
1一離合器；2一非固定卷筒；3一主軸；4一固定卷筒；
5一支輪；6一軸承
圖1提升機主軸結構示意圖
3提升機主軸有限元分析
對提升機主軸進行有限元模型構建時，為便于解算，應簡化、消去主軸的倒角與圓角，在優化解算時，選四面體單元，在對單元長度進行嚴格把控的同時采用自由劃分的形式對網格進行劃分[4〕。通過借助專用服務終端，確保解散速度和精度的有效性。
3 · 1約束力施加分析
針對提升機運行狀態，忽略出繩搭配的四種情況，選取出繩角度為0。，左卷筒下出繩和右卷筒上出繩的一種情形作為研究對象，其運行示意圖如下圖2所示（圖中數字代表各輪轂連接處）。以這種模型作為研究對象施加約束力，在主軸輪轂處施加 330 KNm的力矩，并在切向鍵位置增設減速裝置以傳導拖動力矩。從而確保卷筒自身重量和外界載荷向輪轂各連接處的有效傳遞[5]。
圖2模型出繩工況分析
3 ·2計算結果分析
通過對圖3中主軸變形云圖的分析可知：主軸左側軸承區域變形值最小，軸跨度中部變形值最大，最大變形值為L35而通過對圖4應力云圖的分析可知；主軸各軸肩位置均存在顯著的應力集聚現象，其中應力最大值為36MPa，出現在左端面的軸承約束位置。
圖3提升機主軸變形云圖
圖4提升機主軸應力云圖
4主軸結構優化結果分析
通過上文分析得知，提升機主軸強度遠遠高于自身所承受載荷，且所得數據為主軸極限工況運行時，綜合考量材質的疲勞度，主軸可允許額最大載荷強度適宜為140 MPao不過鑒于所針對情況具有單一性，未能對卡死、沖擊等特殊情況下的主軸受力進行分析，本文應當結合對所得數據進行適度的優化改良。在考慮卷筒主軸結構不發生變化的前提下，將主軸徑向及同受力相關的尺寸作為優化變量。選取主軸體積充當目標函數，以主軸強度與剛度充當制約條件，以軸徑和輪轂直徑充當自變量，并對相關參數進行管理，優化后數學模型如下所示：
借助ANSYS軟件進行模擬時，能夠對參數的靈敏度進行調整，有助于分析不同極值對不同參數的靈敏度[6]。同時，開展優化時，應當選用零階法開展優化，也就是說同時對多個點開展逐點的驗算，并從中選取五個備選點進行優化，所得優化結果如下表 1所示。通過對備選點的分析能夠得知，各個點結構設計均符合相關要求。在此基礎上，還可以各個點為參照，進一步對主軸的徑向尺寸進行優化，并對其其他情況下的材料性能進行分析[7]。
表1參數優化結果統計表
|
備選點 |
dl/mm |
dJmm |
體積/mm3 |
值/灬 |
/MPa |
|
|
30L25 |
46L25 |
8．67E+08 |
L51 |
·05 |
|
|
32L25 |
467．5 |
9· l IE+08 |
L56 |
53．18 |
|
|
36L25 |
470．625 |
9．76E+08 |
L47 |
50．63 |
|
|
326．25 |
492．5 |
9．89E+08 |
|
53．52 |
|
|
316·25 |
498．75 |
9．95 +08 |
L25 |
57．36 |
5結語
提升機作為礦井生產運輸的核心設備，其運行的效果對生產作業有著直接影響，而主軸作為提升機的關鍵核心，其結構設計貼合生產實際需求，是確保生產有效、持續開展的必要前提。礦井技術人員應當充分借助現代化的計算機技術，通過對不同模擬軟件的有效運用，針對提升機主軸結構開展有限元分析研究，在不影響實際生產的情況下實現對主軸結構的進一步科學優化，為礦井生產的高效開展奠定物質保障。
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