礦用提升機(jī)鋼絲繩自動(dòng)平衡裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

楊志強(qiáng)

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412）

0 引言

隨著煤礦企業(yè)規(guī)模壯大，煤炭產(chǎn)量日益增加，對(duì)提升機(jī)機(jī)械性能的安全可靠性提出了更高的要求。礦井提升機(jī)鋼絲繩作為牽引物料的關(guān)鍵裝備，對(duì)于整個(gè)提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性有著重要的影響[1]。由于煤礦作業(yè)環(huán)境惡劣，容易受到外部條件以及作業(yè)人員素質(zhì)干擾，如鋼絲繩牽引煤炭物料時(shí)由于裝卸配重不合理就容易造成鋼絲繩兩側(cè)拉力不平衡的情況發(fā)生[2]。因此，提升機(jī)鋼絲繩配套了張力自動(dòng)平衡裝置對(duì)兩側(cè)拉伸張力不平衡時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，最大化保障受力均勻?qū)ΨQ。對(duì)于煤礦常用的JKB型提升機(jī)鋼絲繩自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的現(xiàn)場(chǎng)觀察得知，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)還有優(yōu)化提升空間，通過優(yōu)化其中板、側(cè)板結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步將低兩側(cè)張力的數(shù)值差異率。通過資料調(diào)研分析可知，當(dāng)鋼絲繩兩側(cè)張力的差異率降至10%以內(nèi)就可以有效的延長(zhǎng)其使用壽命，防止斷繩的安全生產(chǎn)事故發(fā)生，保障煤礦企業(yè)本質(zhì)安全管理水平[3]。

1 提升系統(tǒng)組成

JKB型提升機(jī)采用的是落地式多繩摩擦式提升機(jī)，該提升系統(tǒng)是煤礦物料運(yùn)輸傳送的重要紐帶，在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中有著生產(chǎn)承上啟下的作用，如圖1所示，落地式提升機(jī)主要由主導(dǎo)向輪，鋼絲繩等設(shè)備組成，并在鋼絲繩上安裝有張力自動(dòng)平衡裝置[4]。

圖1 落地式多繩摩擦式提升系統(tǒng)示意圖

該類型的提升機(jī)系統(tǒng)容易受到礦井機(jī)器其他載荷的振動(dòng)作用，并且作業(yè)人員工作素質(zhì)對(duì)其安裝的精準(zhǔn)度也會(huì)造成影響，在長(zhǎng)時(shí)間的提升作業(yè)過程中，會(huì)對(duì)金屬部件產(chǎn)生磨損，金屬構(gòu)件受到磨損會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)變形，造成鋼絲繩支撐構(gòu)件的不均衡性[5]，對(duì)張力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置提出更高的調(diào)整要求，如圖2為JKB型提升機(jī)張力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。

圖2 JKB型提升機(jī)張力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

該類型張力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置聯(lián)合機(jī)械和液壓調(diào)節(jié)的方法對(duì)鋼絲繩之間存在的壓力值差進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)一側(cè)的鋼絲繩的張力更大的時(shí)候，就會(huì)通過裝置的中板、側(cè)板進(jìn)行傳遞，對(duì)液壓油缸進(jìn)行壓縮，此時(shí)連桿的懸臂增長(zhǎng)，這一側(cè)的鋼絲繩張力就會(huì)變小。此外，當(dāng)一側(cè)張力變小的時(shí)候，就會(huì)使懸臂縮短，使兩側(cè)的鋼絲繩張力達(dá)到平衡。從工作原理分析可知，中板及側(cè)板的結(jié)構(gòu)對(duì)其調(diào)節(jié)平衡張力的能力有較大的影響，因此可通過對(duì)中板及側(cè)板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提升張力調(diào)節(jié)的設(shè)備性能[6]。

2 鋼絲繩張力特性分析

為更好的開展張力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，首先對(duì)JKB型提升機(jī)鋼絲繩的張力變化規(guī)律進(jìn)行研究，通過仿真分析的方法，采用AMESim軟件模擬出在張力自動(dòng)平衡裝置調(diào)節(jié)下張力的變化情況，張力自動(dòng)平衡裝置的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 提升機(jī)鋼絲繩張力自動(dòng)平衡裝置參數(shù)

選取鋼絲繩與轉(zhuǎn)向滾筒接觸的4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，使其在滾筒軸向均勻布置，鋼絲繩張力曲線的數(shù)據(jù)測(cè)試曲線如圖3所示，從整體分析來看，張力是在逐漸減小，當(dāng)鋼絲繩尾繩的長(zhǎng)度在減小的時(shí)候，首繩的長(zhǎng)度會(huì)增加，因此提升系統(tǒng)下放側(cè)的載荷在不斷減小造成滾筒與分離點(diǎn)處的鋼絲繩張力不斷減小。如圖3還可知，整個(gè)波形線不是平滑曲線，而是有突然的數(shù)據(jù)變化跳躍點(diǎn)存在，通過分析由于鋼絲繩受到了載荷作用突然發(fā)生變化的作用，使鋼絲繩的張力發(fā)生變化，但由于張力自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的存在，使該數(shù)據(jù)大小重新回歸到正常的規(guī)律變化當(dāng)中。

圖3 滾筒與提升鋼絲繩分離點(diǎn)處鋼絲繩張力

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 三維模型建立

通過對(duì)提升鋼絲繩張力自動(dòng)平衡裝置的中板和側(cè)板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用ANSYS仿真軟件的最優(yōu)解數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設(shè)計(jì)出能滿足工作強(qiáng)度的中板和側(cè)板，并減小兩者的體積，降低制造成本費(fèi)用，優(yōu)化自動(dòng)調(diào)節(jié)鋼絲繩張力的性能。

通過PRO/E建模軟件建立中板和側(cè)板的三維模型圖如圖4所示。

圖4 張力自動(dòng)平衡裝置的中板和側(cè)板

3.2 仿真模型建立及定義

3.2.1 初始仿真結(jié)果

首先對(duì)中板及側(cè)板的材料進(jìn)行準(zhǔn)確的材料參數(shù)設(shè)置，設(shè)置其彈性模量為2.05×105MPa，波松比為0.3，屈服強(qiáng)度為1250MPa。在ANSYS Workbench中設(shè)置張力自動(dòng)裝置的網(wǎng)格為四面體4節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格為20×20×20mm，對(duì)一些零碎部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，將零碎部件的質(zhì)量重新進(jìn)行合理配重。按照實(shí)際工況條件，對(duì)中板及側(cè)板的邊界條件進(jìn)行定義，將板的兩端進(jìn)行有效約束，對(duì)中板及側(cè)板按照最惡劣的工況條件下進(jìn)行考慮靜力學(xué)問題，得到兩者的應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 優(yōu)化前中板和側(cè)板側(cè)板應(yīng)力云圖

由圖5可知，鋼絲繩張力自動(dòng)平衡裝置中板最大應(yīng)力為52.113MPa，側(cè)板最大應(yīng)力為28.456MPa，主要集中于兩者結(jié)構(gòu)的兩翼，在原始結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，通過仿真軟件求得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)解。

3.2.2 優(yōu)化結(jié)果數(shù)據(jù)選擇

通過ANSYS仿真軟件目標(biāo)值優(yōu)化模塊對(duì)自動(dòng)張力平衡裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選，再優(yōu)選出多種組合數(shù)據(jù)后，考慮中板及側(cè)板的強(qiáng)度、質(zhì)量、應(yīng)力分布狀況等因素，優(yōu)選出結(jié)果如表2所示。

3.2.3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)仿真分析

將中板及側(cè)板優(yōu)化后的數(shù)據(jù)參數(shù)重新對(duì)兩者進(jìn)行建模，按照初始仿真的條件設(shè)置相關(guān)參數(shù)，對(duì)比優(yōu)化前與優(yōu)化后中板及側(cè)板的應(yīng)力分布云圖，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后中板和側(cè)板側(cè)板應(yīng)力云圖

由圖6可知，鋼絲繩張力自動(dòng)平衡裝置中板最大應(yīng)力為42.966MPa，側(cè)板最大應(yīng)力為18.523MPa，最大應(yīng)力數(shù)值下降分別為23.6%和15.99%，并且中板及側(cè)板的應(yīng)力分布更加的均勻，未出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)了中板及側(cè)板的輕量化設(shè)計(jì)，保證了在對(duì)兩側(cè)鋼絲繩自動(dòng)調(diào)節(jié)張力工況下的強(qiáng)度。

3.2.4 鋼絲繩磨損量檢測(cè)

圖7 鋼絲繩磨損量狀況

將優(yōu)化后的中板及側(cè)板結(jié)構(gòu)應(yīng)用于張力自動(dòng)平衡裝置，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)中進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。通過檢測(cè)鋼絲繩磨損量的情況，可判斷出張力自動(dòng)平衡裝置的調(diào)節(jié)性能是否有改善。如圖7可知，對(duì)鋼絲繩周向各個(gè)角度開展檢測(cè)，在一個(gè)工況周期內(nèi)最大磨損量沒有超過1.8 mm.相比于原有張力自動(dòng)平衡裝置，兩側(cè)鋼絲繩張力差值率下降為3.62%，提高了鋼絲繩的使用壽命，平衡了兩側(cè)鋼絲繩在長(zhǎng)期牽引作用下的磨損度，通過對(duì)中板及側(cè)板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)語

礦井提升機(jī)張力自動(dòng)平衡裝置作為鋼絲繩在牽引作業(yè)時(shí)的關(guān)鍵部件，容易受到煤礦惡劣環(huán)境的干擾，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易導(dǎo)致自動(dòng)調(diào)節(jié)性能的下降。通過查閱資料可知中板及側(cè)板是張力自動(dòng)平衡裝置的關(guān)鍵構(gòu)件，通過有限元數(shù)值分析的方法對(duì)兩者構(gòu)件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以鋼絲繩磨損了為研究目標(biāo)，將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)運(yùn)用于實(shí)際作業(yè)過程中，檢測(cè)結(jié)果顯示，鋼絲繩的磨損不平衡程度得到了有效的改善，兩側(cè)鋼絲繩的磨損量大致平衡，有利于對(duì)煤礦物料的運(yùn)輸牽引，提高了鋼絲繩的使用壽命，對(duì)煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生了積極作用，為鋼絲繩張力自動(dòng)平衡裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供了思路。