基于ANSYS的礦山車載式絞車滾筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析*

張清華，雷澤勇，鐘 林，李 魁

(南華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421000)

0 引 言

隨著大中型鈾礦井的不斷增多、鈾產(chǎn)量的提高以及大型綜采設(shè)備的使用，對(duì)礦用絞車的工作能力、工作效率、節(jié)能效果及使用壽命等方面都提出了新的要求。絞車是在礦山上作業(yè)必不可少的設(shè)備，礦山車載式絞車是安裝在平板車上，跟隨平板車移動(dòng)作業(yè)，而滾筒是絞車的重要承載部件，它的強(qiáng)度對(duì)絞車乃至整個(gè)平板車的安全可靠性至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于滾筒的設(shè)計(jì)多是采用近似公式計(jì)算, 這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品和工程實(shí)際存在差距, 安全性、可靠性難以保證[1]。滾筒厚度的計(jì)算方法也尚未統(tǒng)一，滾筒厚度的取值都是根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)，筆者通過(guò)對(duì)滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，得出滾筒的基本外形尺寸。采用現(xiàn)代先進(jìn)的有限元分析技術(shù)，得出最佳的滾筒體壁厚，以達(dá)到輕量化的目的，解決目前滾筒重量普遍過(guò)重的問(wèn)題。

1 滾筒的結(jié)構(gòu)

1.1 絞車滾筒設(shè)計(jì)規(guī)范

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2007 版)第四百二十條和《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定：鋼絲繩在滾筒上多層纏繞時(shí)，滾筒兩端側(cè)板應(yīng)高出外層鋼絲繩直徑 2.5 倍的高度[2]。

1.1.1 鋼絲繩電纜每層纏繞圈數(shù)與容繩量的計(jì)算

鋼絲繩電纜在滾筒上的排列如圖1所示。

圖1 鋼絲繩電纜在滾筒上的排列

圈數(shù)：

Z=L÷d

(1)

容繩量：

Ln=(D+d)×π×Z×n+(n(n-1)d×π×

Z)/2(n≥1)

(2)

式中：L為滾筒長(zhǎng)度；D為滾筒直徑；n為纏繞層數(shù)；d為鋼絲繩電纜直徑。

1.1.2 鋼絲繩電纜纏繞高度的計(jì)算

滾筒纏繞兩層鋼絲繩電纜時(shí)的高度如圖2所示。

圖2 兩層鋼絲繩電纜的排列 圖3 兩層鋼絲繩電纜的函數(shù)關(guān)系

滾筒纏繞兩層鋼絲繩電纜時(shí)的高度與函數(shù)關(guān)系如圖3所示。

A=d/2+d/2

(3)

B=d/2

(4)

(5)

H=d+H1

(6)

式中：A為兩相鄰鋼絲繩電纜的斜邊長(zhǎng)度；B為鋼絲繩電纜橫向長(zhǎng)度；H1為鋼絲繩電纜纏繞兩層時(shí)第一層與第二層的中心高度；H為鋼絲繩電纜纏繞兩層時(shí)電纜的高度。

纏繞第三層時(shí)，鋼絲繩電纜斜邊增加的長(zhǎng)度是首項(xiàng)為直徑d，公比為1的等比數(shù)列；根據(jù)等比數(shù)列求和公式，鋼絲繩電纜纏繞n層時(shí)斜邊高度為：

(7)

鋼絲繩電纜纏繞n層時(shí)橫向增加長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

(8)

鋼絲繩電纜纏繞n層時(shí)的中心高度：

(9)

鋼絲繩電纜纏繞n層時(shí)電纜的高度：

Hn=d+H1n

(10)

1.2 鋼絲繩電纜纏繞高度及邊緣高度的實(shí)例計(jì)算

該車載式絞車滾筒受車身的寬度限制，滾筒長(zhǎng)度最長(zhǎng)為1 200 mm；纏繞在滾筒上的鋼絲繩電纜直徑為11.8 mm，長(zhǎng)度為500 m，最小彎曲半徑為504 mm，因此，滾筒的最小直徑不小于504 mm。

滾筒參數(shù)設(shè)計(jì)：D=504 mm；L=1 200 mm；d=11.8 mm。

由公式(1)可知每層纏繞圈數(shù)：Z=101.69；取整Z為101。

由公式(2)可知長(zhǎng)度為500m的鋼絲電纜需要纏繞的層數(shù)為：n=3。

由公式(7)～(10)可知鋼絲繩纏繞三層的高度：H=32.24 mm。

滾筒側(cè)板的高度為：32.24+11.8×2.5=61.74 mm；取整為62 mm。

滾筒承受的主要載荷是鋼絲繩對(duì)滾筒外壁的徑向壓力，滾筒厚度的最小尺寸取決于鋼絲繩電纜的拉力、鋼絲繩纏繞層數(shù)以及所選用的材料。滾筒厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算將在下文的滾筒力學(xué)分析中進(jìn)行敘述[3]。

根據(jù)以上得到的滾筒參數(shù)設(shè)計(jì)不同壁厚的滾筒，通過(guò)ANSYS分析出最佳的壁厚。

2 滾筒有限元分析

2.1 滾筒幾何模型的建立

ANSYS有限元軟件能夠與SolidWorks、UG等多種CAD軟件接口進(jìn)行模型共享。由于 ANSYS Workbench的建模功能在應(yīng)對(duì)復(fù)雜模型時(shí)顯示出很多的不足之處，一般情況下，借助ANSYS之外的軟件進(jìn)行建模更加快捷高效，因此，本文通過(guò)Solidworks建立滾筒幾何模型，具體模型如圖4所示。

2.2 滾筒有限元模型的建立

將Solidworks建立的滾筒幾何模型導(dǎo)入到ANSYSWorkbench中。在分析復(fù)雜以及大型模型時(shí)，一般為了節(jié)省計(jì)算資源和得到準(zhǔn)確分析結(jié)果，把不影響分析結(jié)果的圓角、倒角和小孔等特征進(jìn)行簡(jiǎn)化和修復(fù)以后得到有限元分析模型，如圖5所示。

圖4 滾筒幾何模型 圖5 滾筒有限元模型

有限元分析中，定義材料屬性是至關(guān)重要的一部分，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，本文定義的材料是Q235，分別對(duì)滾筒材料的彈性模量、泊松比、密度進(jìn)行定義，材料的具體屬性如表1。

表1 滾筒的材料屬性參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分

ANSYS有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它直接影響著后續(xù)數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精確性。ANSYS Workbench擁有非常智能的自主劃分網(wǎng)格能力，但是，采用軟件自主劃分網(wǎng)格可能導(dǎo)致模型重要的部分結(jié)果不準(zhǔn)確，不重要的部分網(wǎng)格過(guò)細(xì)，浪費(fèi)計(jì)算時(shí)間，甚至得出錯(cuò)誤結(jié)論。

根據(jù)不同的模型劃分合適的網(wǎng)格單元，是得出正確分析結(jié)果的重要一步，本文采用Hex Dominant作為滾筒劃分單元，Hex Dominant是以六面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分方式，但是也會(huì)包含少量的金字塔單元和四面體單元。滾筒模型劃分后共得到44 704個(gè)單元，127 513個(gè)節(jié)點(diǎn)，其網(wǎng)格劃分模型如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分模型

2.4 載荷及邊界條件

針對(duì)絞車滾筒在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行受力分析，參照絞車滾筒運(yùn)行工況，可知在實(shí)際工作過(guò)程中絞車滾筒受到的力以及力矩包括鋼絲繩電纜對(duì)滾筒壁的徑向力、鋼絲繩電纜對(duì)滾筒側(cè)板壁施加的軸向力、鋼絲繩拉力對(duì)滾筒產(chǎn)生的扭矩以及彎矩[1]。滾筒主要受到的是鋼絲繩電纜對(duì)滾筒壁的徑向壓力，其他的力與力矩對(duì)滾筒本身的強(qiáng)度影響很小，可以忽略不計(jì)。

鋼絲繩電纜最大負(fù)載是3 000 N，由文獻(xiàn)[5]可以計(jì)算出第一層鋼絲繩電纜對(duì)滾筒的徑向壓力為1.01 MPa。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，鋼絲繩電纜在多層纏繞下，每纏繞一層都對(duì)前一層具有擠壓作用，因此計(jì)算后一層鋼絲繩電纜對(duì)滾筒的徑向壓力需要乘以一個(gè)系數(shù)，并且最外面一層鋼絲繩電纜對(duì)滾筒的徑向壓力最大，通過(guò)上文計(jì)算得出此滾筒纏繞鋼絲繩電纜最多為3層，計(jì)算得出滾筒受到徑向壓力為1.82 MPa。絞車滾筒的邊界條件主要是對(duì)左右端蓋軸承座孔的約束，因此只要限制軸承與軸承座孔接觸表面節(jié)點(diǎn)的自由度，就能施加整個(gè)滾筒模型的邊界條件[4]。滾筒的有限元模型添加的載荷和約束如圖7所示。

2.5 結(jié)果分析

有限元分析結(jié)果可以通過(guò)等效應(yīng)力云圖、總變形量云圖直觀的表達(dá)出來(lái)，通過(guò)云圖發(fā)現(xiàn)滾筒所受應(yīng)力從中間向兩邊不斷遞減。從應(yīng)力分布可以看出：滾筒體的應(yīng)力值較低，材料沒(méi)有充分應(yīng)用，厚度方面還有減少的空間，分析結(jié)果如圖8所示。

圖7 載荷和約束 圖8 滾筒等效應(yīng)力圖

此滾筒所用材料是Q235,屈服強(qiáng)度是235 MPa，安全系數(shù)取n=2；根據(jù)第四強(qiáng)度準(zhǔn)則可以到許用應(yīng)力[σ]=117.5 MPa。滾筒體不同厚度有限元分析結(jié)果如表2所列。

表2 滾筒體不同有限元分析結(jié)果

在確保絞車滾筒強(qiáng)度的前提下，分別對(duì)不同厚度的滾筒體進(jìn)行強(qiáng)度分析得出在本文滾筒體的最佳厚度為6 mm。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算得到滾筒幾何尺寸，利用得到的理論值在Solidworks上建立滾筒實(shí)體模型，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元分析，參照絞車滾筒實(shí)際運(yùn)行工況，得出絞車滾筒給部分的受力情況。針對(duì)不同滾筒厚度進(jìn)行力學(xué)分析，在保證滾筒強(qiáng)度與可靠性的前提下得到滾筒的最佳厚度，從而達(dá)到減少滾筒質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化的目的，對(duì)絞車滾筒的實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供借鑒意義。