煤礦架空乘人裝置改向滑輪受力分析及優(yōu)化

楊濤

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán) 毛則渠煤炭有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

1 概 況

煤礦架空乘人裝置承擔(dān)煤礦井下斜巷和平巷運(yùn)輸任務(wù)的關(guān)鍵設(shè)備，主要以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)上的摩擦輪形成驅(qū)動(dòng)裝置，以敷設(shè)在空中無(wú)極鋼絲繩牽引，鋼絲繩依靠系統(tǒng)尾部的張緊裝置實(shí)現(xiàn)張緊，整個(gè)過(guò)程沿途利用各個(gè)托繩輪進(jìn)行支撐，實(shí)現(xiàn)架空乘人運(yùn)輸工作。架空乘人裝置在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，改向滑輪是進(jìn)行軌道方向調(diào)整的重要部件，對(duì)設(shè)備整體的運(yùn)行穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，但改向滑輪非常容易磨損，威脅煤礦井下生產(chǎn)安全。本文以毛則渠煤礦當(dāng)前應(yīng)用的RJY35 型架空乘人裝置為研究對(duì)象，對(duì)其改向滑輪的受力情況進(jìn)行分析，探究?jī)?yōu)化方案。

毛則渠煤礦102 巷道應(yīng)用RJY35 型架空乘人裝置進(jìn)行運(yùn)輸，102 巷道分4 段，具體情況見表1。

表1 102 巷道原始參數(shù)Table 1 102 original parameters of roadway

為確保在巷道不同區(qū)段間可以安全高效連續(xù)運(yùn)輸，在RJY35 型架空乘人裝置運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)用改向滑輪進(jìn)行工作方向和運(yùn)輸方向的調(diào)整。但在毛則渠煤礦日常設(shè)備檢修工作統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，RJY35 型架空乘人裝置改向滑輪磨損頻繁，需要經(jīng)常進(jìn)行維修和更換，影響煤礦的開采效率，對(duì)生產(chǎn)安全也是不利因素。因此決定對(duì)該改向滑輪進(jìn)行優(yōu)化。

2 改向滑輪受力分析與討論

2.1 有限元分析模型的建立

在此次研究中，力學(xué)分析的首要步驟是建立毛則渠煤礦RJY35 型架空乘人裝置改向滑輪有限元分析模型。毛則渠煤礦所用的改向滑輪材料為16Mn，屈服強(qiáng)度為345 MPa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.30，建模時(shí)對(duì)小圓角、倒角、軸頸和溝槽等部位進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在模型簡(jiǎn)化完成后，應(yīng)用ABAQUS 軟件，采用求解精度更具優(yōu)勢(shì)的二次減縮積分C3D20R 單元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共計(jì)得到13 284 個(gè)單元，劃分網(wǎng)格后的改向滑輪有限元分析模型如圖1 所示。

圖1 劃分網(wǎng)格后的改向滑輪有限元分析模型Fig.1 Finite element analysis model of reversing pulley after meshing

根據(jù)毛則渠煤礦102 巷道改向滑輪的實(shí)際運(yùn)行情況，在改向滑輪軸的中間位置建立參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與改向滑輪軸相配合的面建立Coupling 耦合約束，然后在參考點(diǎn)上施加相應(yīng)的邊界條件，控制其6 個(gè)方向的自由度。

2.2 仿真分析主要參數(shù)的確定

結(jié)合架空乘人系統(tǒng)改向滑輪的實(shí)際運(yùn)行特征可知，改向滑輪主要通過(guò)加大驅(qū)動(dòng)輪圍包角的方式來(lái)提升驅(qū)動(dòng)輪的工作能力。對(duì)此，進(jìn)行改向滑輪的受力分析，如圖2 所示。

圖2 改向滑輪承載鋼絲繩靜張力時(shí)的受力分析Fig.2 Stress analysis of redirection pulley bearing static tension of steel wire rope

根據(jù)圖2 中的受力分析，設(shè)鋼絲繩與改向滑輪之間存在靜壓力p，且改向滑輪自身半徑為R，則鋼絲繩在水平方向處于平衡時(shí)，其可通過(guò)如下方程表示：

對(duì)該方程做進(jìn)一步化簡(jiǎn)后可得：

式中：F 為鋼絲繩的張力，根據(jù)實(shí)際情況，取27.962 kN；θ0為鋼絲繩與改向滑輪的包角，220°；R 為改向滑輪半徑，225 mm；B 為改向滑輪的寬度，18 mm。代入上述已知數(shù)據(jù)后，求得靜壓力p 的值為4.834 MPa。

在確定靜壓力數(shù)據(jù)后，以此作為載荷數(shù)值進(jìn)行分析。同時(shí)在仿真分析過(guò)程中，考慮改向滑輪自重和慣性的影響，只考慮鋼絲繩正壓力對(duì)改向滑輪的作用。在鋼絲繩與改向滑輪的接觸面上施加一個(gè)在圓周方向上按照均勻規(guī)律變化的載荷。

2.3 改向滑輪應(yīng)力仿真分析

在確定仿真分析載荷數(shù)值及分布后，首先進(jìn)行改向滑輪的應(yīng)力分析，基于ABAQUS 有限元分析軟件中的standard 求解器自動(dòng)進(jìn)行，求解得到的應(yīng)力分布情況如圖3 所示。

圖3 改向滑輪應(yīng)力分布云圖Fig.3 Stress distribution cloud diagram of reversing pulley

根據(jù)圖3 可知，在改向滑輪模擬運(yùn)行過(guò)程中，滑輪與軸相接處出現(xiàn)較高應(yīng)力值，最大應(yīng)力值約為259.74 MPa。雖然該數(shù)值低于材料的許用應(yīng)力（結(jié)合實(shí)際情況，按照安全系數(shù)1.1 計(jì)算，材料的許用應(yīng)力約為313 MPa），但二者已經(jīng)較為接近，且應(yīng)力集中問(wèn)題相對(duì)較為突出，與驅(qū)動(dòng)軸之間的磨損問(wèn)題顯著，因此如何降低滑輪與驅(qū)動(dòng)軸之間的接觸應(yīng)力及集中度，是降低其磨損率的關(guān)鍵。

2.4 改向滑輪位移仿真分析

在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析改向滑輪的位移，應(yīng)用ABAQUS 有限元分析軟件中的standard求解器自動(dòng)進(jìn)行分析，最終得到位移分布情況如圖4 所示。

圖4 改向滑輪位移分布云圖Fig.4 Displacement distribution cloud diagram of reversing pulley

根據(jù)圖4 可知，改向滑輪與鋼絲繩相連接的位置存在位移，造成這種現(xiàn)象的原因主要源自改向滑輪自身的設(shè)計(jì)，主要包括以下3 點(diǎn)：①改變運(yùn)輸方向需要改向滑輪引導(dǎo)鋼絲繩在不同的路徑上移動(dòng)，需要一定的位移量確保鋼絲繩有足夠的長(zhǎng)度來(lái)完成路徑的變化，以便將乘人裝置從一個(gè)方向轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向；②鋼絲繩在滑輪系統(tǒng)中始終保持一定的張緊度，確保在運(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)松弛或過(guò)度緊繃的情況，一定的位移量可以提供足夠的張緊度，使鋼絲繩處于適當(dāng)?shù)膹埩顟B(tài)；③運(yùn)輸過(guò)程中，鋼絲繩周圍的滑輪會(huì)發(fā)生彎曲，為了避免過(guò)度彎曲導(dǎo)致繩索的過(guò)早磨損或損壞，需要一定的位移量來(lái)確保足夠的彎曲半徑。

從位移量數(shù)據(jù)來(lái)看，其整體位移值處于較小水平，約為0.001 7 mm，顯著低于位移量的允許上限值0.1 mm，在許可范圍內(nèi)。

3 改向滑輪優(yōu)化與實(shí)際測(cè)試

通過(guò)上文的仿真分析結(jié)果可知，在此次分析的改向滑輪模型中，主要存在的問(wèn)題是滑輪與軸相接處的應(yīng)力值較高，且應(yīng)力集中問(wèn)題較為明顯，因此基于以上兩方面問(wèn)題制定優(yōu)化方案。在查閱相關(guān)文獻(xiàn)和類似案例后，確定采用以下兩方面的措施：其一，針對(duì)滑輪與軸相接處的接觸應(yīng)力較高的問(wèn)題，對(duì)接觸部位材料進(jìn)行替換，選擇韌性較高的材料降低接觸應(yīng)力；其二，針對(duì)應(yīng)力值較為集中的問(wèn)題，在接觸部位添加緩沖材料，吸收和消散部分沖擊載荷，降低應(yīng)力集中程度。

將上述解決方案具體化，即確定替換材料的韌性和彎曲性能，以及確定緩沖材料的材質(zhì)及其合理厚度。為同時(shí)解決上述兩方面的優(yōu)化問(wèn)題，決定采用多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。為兼顧效率和準(zhǔn)確性，此次多變量遺傳算法在編寫代碼時(shí)，控制編碼長(zhǎng)度為20，迭代運(yùn)算次數(shù)則進(jìn)行100 次，算法中“個(gè)體”的交叉和遺傳概率分別為0.7 和0.035，以此運(yùn)行多變量遺傳算法進(jìn)行求解。最終確定優(yōu)化結(jié)果，針對(duì)材料優(yōu)化問(wèn)題，采用Q450 鋼替換16Mn 材料；應(yīng)用高分子有機(jī)材料作為緩沖，緩沖材料厚度為1.5 mm。

應(yīng)用有限元分析方法重新分析優(yōu)化后的改向滑輪的應(yīng)力與應(yīng)變情況。分析結(jié)果顯示，在改向滑輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，最大應(yīng)力值由初始的239.74 MPa下降至103.72 MPa，且應(yīng)力集中于滑輪與軸相接處的問(wèn)題得到有效改善。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)毛則渠煤礦102 巷道RJY35 型架空乘人裝置中的改向滑輪磨損較快、更換頻繁的問(wèn)題，通過(guò)仿真分析方法，對(duì)其進(jìn)行受力分析，研究其在運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)力及位移分布，表明主要存在的問(wèn)題是滑輪與軸相接處的應(yīng)力值較高，且應(yīng)力集中問(wèn)題較為明顯，并確定了優(yōu)化方向。以多目標(biāo)遺傳算法為工具，對(duì)改向滑輪進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將改向滑輪材質(zhì)更換為Q450 鋼，在接觸部位添加高分子有機(jī)材料作為緩沖，厚度為1.5 mm。將優(yōu)化后的改向滑輪應(yīng)用在毛則渠煤礦102 巷道RJY35 型架空乘人裝置中，從現(xiàn)場(chǎng)反饋來(lái)看，應(yīng)用效果良好，改向滑輪磨損程度和速度都有所降低，減少了更換維修頻率，提高了生產(chǎn)效率。