1、矿井提升机卷筒结构的承载性能分析刘愿圆（晋能控股集团挖金湾煤业公司辅助运输管理部，山西大同037001）摘要：卷筒是矿井提升机进行升降作业的结构部件，随着提升机运行载荷及速度的增加，对卷筒的承载性能提出了更高的要求。采用有限元仿真分析的形式，对没有木衬及带有木衬结构的卷筒承载性能进行分析。结果表明，采用带有木衬结构的卷筒，能够有效地降低卷筒的应力作用，且减小了卷筒产生的变形，提高了卷筒的承载性能。关键词：提升机；卷筒；应力；变形；木衬；承载性能中图分类号：TD534.2文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0018-020引言我国具有大量的煤矿采用井工作业的形式开采，在矿
2、井工作面开采的同时，矿井提升机作为进行物质及人员升降的设备，对矿井生产的可靠性及安全性也具有重要的影响作用。在矿井提升机应用的过程中，卷筒是提升机组成的关键部件1，其与主轴进行连接传递输送扭矩，筒体的外壳缠绕钢丝绳，承受钢丝绳的载荷作用。随着煤矿开采效率的提升，提升机的运行速度及运载量也不断提高，对卷筒的承载性能提出更高的要求2。由于矿井提升机的结构整体较为复杂，且受到钢丝绳的载荷作用，卷筒的结构难以进行准确的计算3。采用有限元仿真分析的形式对提升机卷筒的结构进行承载性能分析，并针对有、无木衬卷筒结构的性能进行对比，从而确定卷筒结构的承载变化4，优化卷筒的使用，保证提升机为煤矿的开采提供安全可
3、靠的人员及物质输送。1矿井提升机卷筒结构分析模型的建立矿井提升机通过缠绕钢丝绳的形式进行井下物质及人员的升降运输，钢丝绳在生产过程中对卷筒产生一定的载荷作用，卷筒是重要的工作及承载部件。卷筒的结构多为圆柱形筒体的形式，外表面可包覆木衬5，钢丝绳直接作用在木衬上，可减小对卷筒的摩擦损耗，并改变钢丝绳与卷筒的摩擦系数，减小钢丝绳的磨损6。卷筒的结构多采用焊接的形式进行制作，一般通过两半部分进行全拼焊接而成，在卷筒的内壁上分布一定的辐板，筒体的两端焊接三角钢作为挡板7，形成钢丝绳的缠绕区域。卷筒在使用过程中常见的失效形式主要是裂纹及变形过大8，由于筒体的长期使用，常在螺栓孔的周边及筒体壳、辐板等位置
4、出现裂纹9，在筒体的中部位置常发生因变形过大造成的破损。由于卷筒结构及承载作用的复杂性，采用 AN-SYS 有限元模拟的形式对卷筒的性能进行仿真分析，在 SolidWorks 建模软件中对卷筒进行三维模型的创建。在建模过程中，针对卷筒的结构进行一定的简化处理，从而便于进行仿真计算。简化内容主要包括将卷筒的材质看作各向同性的均匀分布10，忽略卷筒缠绕钢丝绳作用的螺距，且每层作用的载荷张力作用一致，均匀地分布在卷筒的中间区域。卷筒呈对称分布的形态，对其进行 1/2 模型的建立及分析，简化计算分析的工作量。依据卷筒的结构尺寸进行模型的创建，卷筒的直径为 3 m、宽度为 1.5 m，筒体的厚度为28
5、mm，钢丝绳缠绕层数为 3 层，将模型导入 ANSYSWorkbench 中进行网格划分处理，采用多区域网格自动划分的形式对卷筒进行网格划分处理11，得到卷筒的分析模型如图 1 所示。对卷筒计算的边界条件进行设定，选取辐板轮毂与主轴的连接位置处进行约束限制，一端为全约束，另一端在轴向上可自由移动，其余方向为固定约束。在卷筒的剖面位置上施加摩擦约束，从而卷筒只在径向上产生位移变形，而其他方向保持约束不变。卷筒采用 Q345 结构钢焊接而成，其弹性模量为 200 GPa、密度为 7 850 kg/m3、泊松比为 0.3。包覆木衬的卷筒木衬参数弹性模量为 2.31012MPa，密度为 1 201kg
6、/m3，泊松比为 0.39。卷筒在工作过程中受到的钢丝绳的作用力可以分为两种类型，一种为最外侧的钢丝绳的作用力，受到的拉力作用传递给卷筒，此时可将拉力转换为对卷筒中心的拉力及扭矩作用，卷筒产生弯曲变形；另一种为缠绕在卷筒上的钢丝绳的作用力，此时钢丝绳的收稿日期：2022-04-25作者简介：刘愿圆（1993），女，山西繁峙人，本科，毕业于辽宁工程技术大学，助理工程师，研究方向为煤矿机械。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023
7、.06.007图 1卷筒分析模型试验研究2023 年第 6 期作用力均匀地分布在卷筒上，卷筒受到挤压作用产生变形12。在计算过程中，选取 3 层钢丝绳缠绕时受到的径向压力作用最大。依据提升机的设计规范，选取最大的静拉力作用为 130 kN 对模型进行加载分析。对于含有木衬的卷筒，其作用将集中载荷转化为均匀载荷作用，对两种结构形式的卷筒进行承载性能分析。2矿井提升机卷筒结构承载性能的结果分析对有、无木衬卷筒结构进行承载性能的分析，在钢丝绳缠绕满 3 层时卷筒受到的应力作用最大，对其应力进行分析，得到卷筒的应力分布如图 2 所示。从图 2 中可以看出，在没有木衬结构的卷筒中受到的最大应力作用为 3
8、05 MPa，有木衬结构的卷筒中受到的最大应力作用为 123 MPa。对比两者的应力分布可以发现，采用木衬结构的卷筒最大应力值具有明显的减小，下降 60%，这是由于安装木衬后卷筒整体上改变了薄壁卷筒的形态，使得应力的分布发生改变，最大应力值具有明显的减小；且在没有木衬结构的卷筒中最大应力值 305 MPa 超出了卷筒的许用应力 200MPa，无法满足卷筒的结构强度需求，需通过安装木衬保证卷筒的使用强度。对有、无木衬卷筒结构进行承载性能的分析，在钢丝绳缠绕满 3 层时卷筒产生的位移变形量最大，对其变形量进行分析，得到卷筒的变形分布如图 3 所示。从图 3 中可以看出，没有木衬结构的卷筒产生的最大
9、位移量为 1.55 mm，最大变形发生在筒体的中间位置处；带有木衬结构的卷筒产生的最大位移量为0.23 mm，最大变形同样发生在筒体的中间位置处。带有木衬结构的卷筒产生的最大位移量具有明显的下降，两者的最大位移量相对卷筒的整体结构均较小，满足卷筒使用的刚度需求。通过上述的分析可知，卷筒的木衬结构对卷筒受到的应力作用具有明显的减小效果，改变了卷筒的应力分布，且能够减小卷筒产生的变形，提高卷筒的承载能力。3结论矿井提升机是煤矿开采中重要的输送设备，随着煤矿开采效率的提升，提升机的运行速度及载荷也不断提高，对提升机的卷筒承载性能具有较高的要求。采用 ANSYS有限元模拟分析的形式对没有木衬及带有木衬
10、的卷筒进行应力及变形量的仿真分析。结果表明：1）在没有木衬结构的卷筒中受到的最大应力作用为 305 MPa，有木衬结构的卷筒中受到的最大应力作用为 123MPa，采用带有木衬结构的卷筒能够有效地降低卷筒的应力作用 60%，改善了卷筒的应力分布；2）没有木衬结构的卷筒产生的最大位移量为1.55 mm，带有木衬结构的卷筒产生的最大位移量为0.23 mm，木衬结构同时减小了卷筒产生的变形；3）采用带有木衬结构的卷筒可以提高提升机的运行稳定可靠性，从而保证煤矿开采所需的输送作业，提高煤矿的开采效率。参考文献1赵仕艳，谢子殿，丁康康，等.粒子群优化 BP-PID 的矿井提升机调速系统J.电子科技，202
11、1，34（1）：43-49.2赵光辉，刘同欣，李玉辉，等.矿井提升机辐板式天轮装置设计研究J.煤矿机械，2021，42（8）：4-6.3王先科，刘欢欢.基于 ARM 控制平台的矿井提升机调速控制系统应用研究J.能源与环保，2021，43（11）：193-199.4张宇，赵永生，傅志民，等.矿井提升机径向液压弹簧闸技术改造J.矿山机械，2021，49（12）：61-63.2-1无木衬卷筒2-2有木衬卷筒图 2卷筒的应力分布3-1无木衬卷筒3-2有木衬卷筒图 3卷筒的变形分布3.011 1e8 Max2.676 5e82.342e82.007 4e81.672 8e81.338 3e81.003
12、7e86.691 4e73.345 8e7753.82 MinUnit:Pa0.0001.5003.000（m）1.231 9e8 Max1.095e89.581 5e78.212 7e76.843 9e75.475 1e74.106 4e72.737 6e71.368 8e7310.71 MinUnit:Pa0.0000.5001.0001.5002.000（m）0.001 554 8 Max0.001 382 10.001 209 30.001 036 60.000 863 80.000 691 040.000 518 280.000 345 520.000 172 760 MinUnit
13、:m0.0001.5003.000（m）2.2500.7500.000 228 35 Max0.000 202 980.000 177 610.000 152 240.000 126 870.000 101 517.613 8e-55.076 9e-52.540 1e-53.208 4e-8 MinUnit:m/m0.0001.0002.000（m）1.5000.500（下转第 22 页）刘愿圆：矿井提升机卷筒结构的承载性能分析19机械管理开发第 38 卷同围压作用下的支护性能进行实验分析。结果表明，围压不同对锚杆的支护性能具有重要的影响，当围压在一定范围之内增加时，可以提高锚杆的锚固力，且围
14、压的增加率越高，则锚固系统的性能提升越显著。进行锚杆支护的过程中，在不同的围压作用下应尽量将锚杆的变形范围设计在弹性变形阶段，从而提高锚杆的支护性能。参考文献1柳子炎，王金燕.多级边坡预应力锚杆支护结构的设计和稳定性分析J.四川建材，2021，47（4）：75-76.2周伟，帅金山，柯波，等.桃花嘴矿区充填体内巷道 NPR 锚杆支护数值模拟分析J.现代矿业，2021，37（2）：189-193.3郑二虎，王鹏，周健南，等.基于 3DEC 的锚杆支护超大跨度洞室抗爆性能数值模拟J.建筑技术开发，2021，48（21）：87-90.4刘栋，张剑，孟晓刚.贺西煤矿近距煤层采空区下回采巷道锚杆支护优化
15、研究J.现代矿业，2021，37（11）：48-51.5郭原伟，史芳，刘占新.基于 FLAC（3D）的煤矿巷道锚杆支护技术研究J.能源与环保，2021，43（12）：298-304.6李京，胡斌，刘艳章，等.回采巷道锚杆支护效果评判的改进突变级数法J.中国安全科学学报，2021，31（3）：60-65.7吴波.煤巷过断层应力影响区注浆锚杆支护技术应用J.江西煤炭科技，2021（2）：21-23.8王金羽，王正义，李鹏波，等.动载对巷道锚杆支护结构扰动作用的数值模拟J.矿业工程研究，2021，36（1）：38-43.9曾奇.我国煤巷机械化掘进机现状及锚杆支护技术J.当代化工研究，2021（14）
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