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《煤礦機械雜志》2015年第十期

礦井提升系統是煤礦生產的咽喉，而天輪是礦井提升機傳遞動力和承受載荷的關鍵部件，在很大程度上影響著整個提升機系統的安全可靠、使用壽命、工作效率等。天輪體的強度、剛度、疲勞性能及動態特性直接關系著整個提升系統的安全性和可靠性。因此，對天輪體進行性能分析，為礦井提升系統的健康管理提供了重要技術依據。伴隨著有限元理論的不斷完善和計算機技術的不斷發展，有限元分析技術在煤礦機械產品研發中占的比重越來越大。本文采用ANSYSWork-bench對現有天輪體進行靜力學分析、疲勞分析和模態分析來獲取其靜、動態性能特征，對優化天輪體結構和提高礦井提升系統性能都有一定的理論價值和實際意義。

1輪體力學分析

天輪在提升系統中主要起導向和支撐的作用，其受力情況與提升機的工作狀態相關。而實際的礦井提升系統工況是反復變向、變速、重載、頻繁啟動和制動，使得天輪體的受力復雜多變，因此要求出精確的實際受力情況比較困難。若天輪體在極端受力工況下能正常工作，則可知此天輪體能完全適應一般工況要求。本文以鋼絲繩破斷為極端受力情況，對天輪體進行強度分析，受力分析如圖1所示。根據天輪已知參數，包角為125.97°，鋼絲繩破斷力F=411kN，由于輪槽與鋼絲繩的接觸和鋼絲繩本身的彈性作用，天輪兩側受力F1和F2大小不同，為簡化計算和分析，假設F1和F2大小相同，且都等于鋼絲繩破斷力，天輪體受到的壓力Fh為F1和F2的矢量。

2建立有限元模型

（1）創建三維模型并導入根據現有天輪的實際尺寸，確定建模參數，采用Pro/E進行三維幾何建模，并將天輪體模型導入到ANSYSWorkbench中，如圖2所示。（2）劃分網格單元的質量對計算結果的精確性有著重要的影響，在網格生成時，必須保證網格單元的質量。而網格的數目也影響計算的規模和計算結果的精確程度，因此在劃分網格時，應對2個因素綜合考慮。本文采用自由劃分網格的方法，節點數為29919，單元數為16216，結果如圖3所示。（3）施加載荷和邊界條件天輪體在工作時受到鋼絲繩和天輪軸的共同作用，通過前述受力分析可知，天輪體受到一個合壓力，作用在包角為125.97°的輪槽上，因此載荷作用部分為包角部分輪槽的側面和底面。天輪軸與天輪體的接觸部分為其提供支撐，可將此部分接觸曲面設為固定約束。

3靜力學分析

根據天輪已知參數，天輪體采用的材料為ZG310-510，屈服強度為310MPa，抗拉強度為510MPa。對天輪體進行靜力學分析時，施加的載荷為鋼絲繩破斷力的合力Fh=732.4kN，求解后的受力云圖如圖4所示。由受力圖可知，其最大應力為141.92MPa，而天輪體材料的屈服強度為310MPa，最大應力出現在輪輻與輪緣接觸的地方，并在其應力許可范圍內，說明強度完全滿足設計要求，即使在極端受力工況下輪體結構也不會發生破壞性改變。

4疲勞分析

根據前述受力分析可知交變載荷的極限值為112.7kN，根據材料選擇對應的S-N曲線，如圖5所示，可知高周疲勞應力值793.5MPa。在疲勞分析過程中，由于天輪體表面不規則，存在集中應力，設置疲勞強度因子為0.92；將交變載荷類型設為脈動應力循環載荷，即ratio=0，平均應力理論采用適合韌性材料的Gerbera理論。需要求解的疲勞分析結果包括壽命（life）和安全因子（safetyfactor），求解結果如圖6所示。從圖6（a）中可以看出，天輪體全部達到了材料默認最大疲勞壽命106cycles，表明極限載荷作用產生的應力小于高周疲勞應力值，天輪體在交變極限載荷作用下不會發生疲勞性破壞。從圖6（b）中可以看出，當設定壽命值為109cycles時，天輪體的安全因子最小為7.1276，位置是輪輻與輪緣的接觸處，根據相關規定礦山機械在惡劣工況下安全因子不能小于5，表明該天輪完全符合要求，即使設定壽命高于材料默認最大疲勞壽命，天輪體的安全可靠性得到保障。

5模態分析

模態分析是天輪體動力學分析的基礎，包括一般模態分析和預應力模態分析。由于天輪體初始受力和提升工況相關，而提升工況復雜，下面對天輪體進行一般模態分析。模態分析過程中必須確定結構體的約束，根據天輪的實際工況，使天輪體僅有繞X軸轉動一個自由度，模態分析結果如圖7和表1所示。從圖7中可以看出，1階模態振型是天輪繞軸向振動；2階模態振型是天輪豎直方向沿軸向振動；3階模態振型是天輪水平和豎直2個方向都沿軸向振動；4階模態振型和5階模態振型大體一致，都是繞軸向振動和豎直方向沿軸向振動；6階模態振型是繞軸向振動和水平豎直2方向沿軸向振動。從表1可以看出各個階次模態振型的頻率，可知2階模態和3階模態頻率接近，4階模態和5階模態頻率接近。以上結果避免了試驗過程中的模態遺漏，為天輪體的振動分析和進一步的優化提供了理論依據。

6結語

在實際工況中，天輪體受力復雜，進行有限元分析時，要兼顧靜力學分析和動力學特性分析，在進行強度校核的同時，要兼顧疲勞強度分析和模態分析。從強度分析和疲勞分析中可知，輪輻與輪緣接觸處為薄弱部位，需要對其進行結構改進，減少應力集中和疲勞性破壞概率。從模態分析可知，輪緣處在振動過程中變形較大，尤其是輪輻之間的輪緣變形最大，設計時應適當加大輪緣材料的剛度。

作者：景懷錚 張春堂 朱新安 胡東陽 單位：鄭州煤炭工業（集團） 嵩陽煤業有限公司 徐州巨升源礦業科技有限公司 中國礦業大學