缠绕式矿井提升机卷筒装置承载分析及拓扑优化研究.pdf

缠绕式矿井提升机卷筒装置承载分析及拓扑优化研究张诗健(沈阳科技学院辽宁 沈阳)摘 要:缠绕式矿井提升机在矿山机械系统中有着广泛应用卷筒装置是矿井提升机中的关键部位其运行稳定性能直接关系到安全和采矿效率 传统的卷筒装置设计多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验设计方法存在设计周期长、精确度低、产品更新换代速度慢等缺点 本文以某 型单绳缠绕式矿井提升机卷筒装置为研究对象开展有限元承载受力分析确定卷筒装置的薄弱环节验证是否符合强度要求同时采用结构拓扑优化设计中的变密度方法对卷筒装置幅板上的人形孔结构进行拓扑优化分析降低了孔周边的应力集中程度为卷筒装置的设计和改进提供了参考关键词:矿井提升机卷筒拓扑优化中图分类号:.文献标识码:文章编号:()引言矿井提升机卷筒装置是提升机主轴装置中的主要承载部件承担缠绕钢丝绳和提升负载任务完成对矿产输出、人员出入、设备和材料的运输任务 卷筒装置的稳定性直接关系到生产的正常进行及安全保障 以往的卷筒装置损坏形式大体可以归纳为以下几类:裂纹 筒壳裂纹多出现于圆周方向并沿着该方向逐渐扩展扩展速度与负荷情况、提升循环次数有关幅板裂纹多出现于人形孔周边呈放射状局部变形过大 筒壳出现塌陷及焊接修补处发生变形等此种情况多出现于薄壳厚支结构的卷筒上联接螺栓剪断或弯曲变形过大卷筒装置的失效机理比较复杂主要原因是筒壳、幅板在交变载荷的作用下产生疲劳累积损伤疲劳裂纹不断持续发展导致结构开裂 传统卷筒装置设计方法只对结构强度、刚度进行简单计算采用改变安全系数方法实现产品满足材料设计的需求 国内矿山行业发展竞争日益激烈矿井提升机卷筒装置的现代设计方法逐渐增多 田野等基于加固后卷筒整体结构有限元计算结果采用应变测试法检测卷筒裂纹验证加固板等关键受力点应力变化趋势太原理工大学朱丽鹏等针对永磁外转子提升机卷筒运行时的非线性、强耦合等复杂受力问题进行卷筒动态受载变形及优化研究采用分离处理优化方式有效降低定转子间隙变形本文以某 型单绳缠绕式矿井提升机为研究对象采用 完成卷筒装置三维实体造型结合 分析软件快速准确地进行卷筒装置静力学强度校核工作同时基于变密度法针对卷筒装置中的人形孔幅板进行拓扑优化研究 卷筒装置承载受力特点钢丝绳对卷筒装置起到拉伸作用在一定张力作用下能缠绕在筒壳表面 卷筒装置承载受力主要有两类:没有缠绕到筒壳表面的钢丝绳产生的作用力对卷筒装置产生弯曲扭转作用已缠绕到筒壳表面的钢丝绳张力产生的作用力对筒壳表面产生均匀分布压力筒壳两侧不产生横向压力 钢丝绳的最大静拉力为:()式中额定负载容器自重绳每米重/绳的悬挂高度钢丝绳有时产生额外动拉力作用(如加减速、紧急制动或圈间过渡时)但大部分动拉力等同其缠绕到卷筒上的静拉力 同时筒壳截面的惯性矩较大没有缠绕到筒壳表面的钢丝绳对卷筒装置产生的弯曲和剪切应力较小根据实际情况可以忽略不计 卷筒装置静强度有限元分析.模型建立本文采用 建立卷筒装置三维实体模型 几何模型建立时需要真实反映实际结构的主要力学特征采用简单和较少的单元形态确保计算结果精度简化后的卷筒装置三维实体如图 所示图 卷筒三维实体.网格划分卷筒装置为薄壁焊接结构采用、和 单元分别对卷筒装置中的幅板、挡绳板、制动盘及角钢等零件进行网格划分将产生后续接触、对连接操作等不必要的麻烦 本文将焊接结构作为整体进行处理在不影响计算精度的情况下选取最优的单元尺寸采用实体单元进行如图 所示的网格划分网格划分单元数量 个、节点数量 个 其中卷筒装置各焊接零件材料一般采用 弹性模量为泊松比为.密度为./屈服极限为 图 卷筒装置有限元网格划分.载荷及约束施加卷筒装置多为焊接薄壁结构在模型简化时对卷筒和钢丝绳做如下假设:提升机卷筒是封闭圆柱薄壳材料均质且各向同性缠绕卷筒上的钢丝绳视为绳环同一钢丝绳张力为常数压力均匀分布在卷筒筒壳表面钢丝绳对挡绳板轴向压力视为均布载荷支轮轮毂与主轴连接处变形较小可将两支轮轮毂与主轴连接视为边界条件约束进行处理卷筒一端施加固定约束另一端施加、方向约束卷筒筒壳承受载荷按均匀分布施加到筒壳表面上挡绳板承受集中力也按均匀分布施加到挡绳板 载荷及约束施加后的有限元模型如图 所示图 载荷及约束施加后的有限元模型.静力学结果分析在卷筒装置钢丝绳缠满三层的正常工况下卷筒筒壳与挡绳板的承载最大 本文对该工况进行卷筒装置静力学有限元分析通过通用后处理器查看卷筒装置等效应力及综合位移分布云图如图、图 所示图 卷筒装置等效应力分布云图图 卷筒装置综合位移分布云图从图、图 可以看出在钢丝绳缠满三层的正常工况下卷筒装置的最大等效应力位置出现在卷筒幅板的人形孔周边处最大等效应力为 最大综合位移则出现在卷筒筒壳中心处最大综合位移值为.卷筒装置各焊接零件材料 的屈服极限为 取其安全系数为 许用应力约为.而卷筒装置最大等效应力为 根据材料力学第四强度理论可知卷筒装置的强度满足材料设计需要 卷筒幅板拓扑优化研究.拓扑优化设计方法拓扑优化设计方法是根据给定负载、约束条件和优化对象对已有设计空间的结构材料进行最优配置的一种现代化设计方法 渐进结构优化法、水平集方法和变密度法是连续体拓扑优化结构设计中较常用的优化方法 幅板是卷筒装置的重要组成部分人形孔设计便于定期维修和节省材料等 人形孔周边应力集中现象导致幅板经常开裂现役幅板人形孔存在圆形、椭圆、梯形及腰形等多样式的设计 鉴于以上情况本文针对幅板人形孔结构采用变密度法进行拓扑优化分析降低孔周边的应力集中程度拓扑优化设计是目标函数在满足结构约束情况下减少结构变形能的反复过程 将幅板结构作为优化区域以结构应变能最小为优化目标约束其材料的体积分数通过使用设计变量对每个有限元单元赋予内部伪密度的方法进行幅板拓扑的优化分析 下文分别以去除幅板材料、和 比例进行拓扑优化分析结果如图、图、图 所示图 去除材料 的幅板节点伪密度分布图图 去除材料 的幅板节点伪密度分布图图 去除材料 的幅板节点伪密度分布图.拓扑优化结果分析根据幅板拓扑优化结构分析可知幅板人形孔位置及形状设计应与去除 材料的幅板节点伪密度分布图尽可能相近 同时幅板中心位置具有承载受力较小的特点孔设计位置尽量选择在幅板中心且略靠近外径处 本文改变原始幅板人形孔设计方案即将原始幅板孔型设计方案改为具有 个腰形孔幅板结构减少原始幅板设计方案中产生的孔周边应力集中现象 拓扑优化后的幅板等效应力如图 所示由图 可知幅板结构拓扑优化后的最大等效应力为.而优化前的最大等效应力为 新改进幅板人形孔结构对卷筒装置的整体应力影响不大但拓扑优化前后孔周边的最大等效应力同比减少.孔周边的应力集中现象明显降低 同时优化后的卷筒装置整体质量下降.左右达到轻量化目的图 拓扑优化后的幅板等效应力分布云图 结语本文针对某 型单绳缠绕式矿井提升机卷筒装置人形孔周边不时产生的疲劳损伤裂纹问题采用 和 软件进行卷筒装置静力学有限元研究 分析结果与卷筒装置常见的损坏位置基本吻合并验证强度符合材料设计需求采用基于变密度法的拓扑优化设计方法针对人形孔幅板结构进行优化分析优化前后孔周边的应力集中下降明显最大等效应力同比下降.卷筒装置的整体质量也轻量化本文研究延长了产品的使用寿命提高了可靠性节省了原材料减少了幅板孔周边经常发生疲劳破坏的现象为矿井提升机卷筒装置的设计与改进奠定基础参考文献:陈剑伟周茂茜.矿井提升机卷筒的强度和疲劳分析.现代工业经济和信息化():.田野熊健张玉凯等.有限元计算与应变测试法在提升机卷筒裂纹监测中的应用.矿山机械():.朱丽鹏吴娟寇子明等.永磁外转子提升机卷筒动态受载变形分析与研究.煤炭工程():.兰娜.缠绕式矿井提升机卷筒承载性能的分析.机械管理开发():.张学城.井下单绳缠绕提升机主轴装置承载特性研究.中国矿业大学.李娜.基于变密度法和功能度量法的可靠性拓扑优化设计.大连理工大学.作者简介:张诗健()男 辽宁沈阳人 硕士研究生 研究方向:疲劳可靠性分析