机天轮体的有限元分析范文

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《煤矿机械杂志》2015年第十期

矿井提升系统是煤矿生产的咽喉，而天轮是矿井提升机传递动力和承受载荷的关键部件，在很大程度上影响着整个提升机系统的安全可靠、使用寿命、工作效率等。天轮体的强度、刚度、疲劳性能及动态特性直接关系着整个提升系统的安全性和可靠性。因此，对天轮体进行性能分析，为矿井提升系统的健康管理提供了重要技术依据。伴随着有限元理论的不断完善和计算机技术的不断发展，有限元分析技术在煤矿机械产品研发中占的比重越来越大。本文采用ANSYSWork-bench对现有天轮体进行静力学分析、疲劳分析和模态分析来获取其静、动态性能特征，对优化天轮体结构和提高矿井提升系统性能都有一定的理论价值和实际意义。

1轮体力学分析

天轮在提升系统中主要起导向和支撑的作用，其受力情况与提升机的工作状态相关。而实际的矿井提升系统工况是反复变向、变速、重载、频繁启动和制动，使得天轮体的受力复杂多变，因此要求出精确的实际受力情况比较困难。若天轮体在极端受力工况下能正常工作，则可知此天轮体能完全适应一般工况要求。本文以钢丝绳破断为极端受力情况，对天轮体进行强度分析，受力分析如图1所示。根据天轮已知参数，包角为125.97°，钢丝绳破断力F=411kN，由于轮槽与钢丝绳的接触和钢丝绳本身的弹性作用，天轮两侧受力F1和F2大小不同，为简化计算和分析，假设F1和F2大小相同，且都等于钢丝绳破断力，天轮体受到的压力Fh为F1和F2的矢量。

2建立有限元模型

（1）创建三维模型并导入根据现有天轮的实际尺寸，确定建模参数，采用Pro/E进行三维几何建模，并将天轮体模型导入到ANSYSWorkbench中，如图2所示。（2）划分网格单元的质量对计算结果的精确性有着重要的影响，在网格生成时，必须保证网格单元的质量。而网格的数目也影响计算的规模和计算结果的精确程度，因此在划分网格时，应对2个因素综合考虑。本文采用自由划分网格的方法，节点数为29919，单元数为16216，结果如图3所示。（3）施加载荷和边界条件天轮体在工作时受到钢丝绳和天轮轴的共同作用，通过前述受力分析可知，天轮体受到一个合压力，作用在包角为125.97°的轮槽上，因此载荷作用部分为包角部分轮槽的侧面和底面。天轮轴与天轮体的接触部分为其提供支撑，可将此部分接触曲面设为固定约束。

3静力学分析

根据天轮已知参数，天轮体采用的材料为ZG310-510，屈服强度为310MPa，抗拉强度为510MPa。对天轮体进行静力学分析时，施加的载荷为钢丝绳破断力的合力Fh=732.4kN，求解后的受力云图如图4所示。由受力图可知，其最大应力为141.92MPa，而天轮体材料的屈服强度为310MPa，最大应力出现在轮辐与轮缘接触的地方，并在其应力许可范围内，说明强度完全满足设计要求，即使在极端受力工况下轮体结构也不会发生破坏性改变。

4疲劳分析

根据前述受力分析可知交变载荷的极限值为112.7kN，根据材料选择对应的S-N曲线，如图5所示，可知高周疲劳应力值793.5MPa。在疲劳分析过程中，由于天轮体表面不规则，存在集中应力，设置疲劳强度因子为0.92；将交变载荷类型设为脉动应力循环载荷，即ratio=0，平均应力理论采用适合韧性材料的Gerbera理论。需要求解的疲劳分析结果包括寿命（life）和安全因子（safetyfactor），求解结果如图6所示。从图6（a）中可以看出，天轮体全部达到了材料默认最大疲劳寿命106cycles，表明极限载荷作用产生的应力小于高周疲劳应力值，天轮体在交变极限载荷作用下不会发生疲劳性破坏。从图6（b）中可以看出，当设定寿命值为109cycles时，天轮体的安全因子最小为7.1276，位置是轮辐与轮缘的接触处，根据相关规定矿山机械在恶劣工况下安全因子不能小于5，表明该天轮完全符合要求，即使设定寿命高于材料默认最大疲劳寿命，天轮体的安全可靠性得到保障。

5模态分析

模态分析是天轮体动力学分析的基础，包括一般模态分析和预应力模态分析。由于天轮体初始受力和提升工况相关，而提升工况复杂，下面对天轮体进行一般模态分析。模态分析过程中必须确定结构体的约束，根据天轮的实际工况，使天轮体仅有绕X轴转动一个自由度，模态分析结果如图7和表1所示。从图7中可以看出，1阶模态振型是天轮绕轴向振动；2阶模态振型是天轮竖直方向沿轴向振动；3阶模态振型是天轮水平和竖直2个方向都沿轴向振动；4阶模态振型和5阶模态振型大体一致，都是绕轴向振动和竖直方向沿轴向振动；6阶模态振型是绕轴向振动和水平竖直2方向沿轴向振动。从表1可以看出各个阶次模态振型的频率，可知2阶模态和3阶模态频率接近，4阶模态和5阶模态频率接近。以上结果避免了试验过程中的模态遗漏，为天轮体的振动分析和进一步的优化提供了理论依据。

6结语

在实际工况中，天轮体受力复杂，进行有限元分析时，要兼顾静力学分析和动力学特性分析，在进行强度校核的同时，要兼顾疲劳强度分析和模态分析。从强度分析和疲劳分析中可知，轮辐与轮缘接触处为薄弱部位，需要对其进行结构改进，减少应力集中和疲劳性破坏概率。从模态分析可知，轮缘处在振动过程中变形较大，尤其是轮辐之间的轮缘变形最大，设计时应适当加大轮缘材料的刚度。

作者：景怀铮 张春堂 朱新安 胡东阳 单位：郑州煤炭工业（集团） 嵩阳煤业有限公司 徐州巨升源矿业科技有限公司 中国矿业大学