单绳缠绕式提升机主轴装置应力应变场的数值模拟及结构优化

论文摘要

矿井提升机广泛应用于煤炭、有色金属和黑色金属等矿山开采行业,作为矿山采矿系统中的关键机械设备,承担着矿物的提升、人员的上下、材料和设备的运送任务,被人们称为矿山的“咽喉设备”。提升机技术性能水平的高低直接影响到矿山的生产效率和矿工的生命安全,因此受到使用单位的极大关注。作为提升机关键件的主轴装置,在动态下的真实受力状态和实际的载荷谱及有些设计系数目前尚无法确定,一些结构也不能进行全面、正确的评估。因此,设计部门迫切需要寻求一种能够快速反映提升机受载时整体应力和应变分布规律的现代设计方法。对提升机主轴装置结构强度、刚度的传统设计计算方法是用解析方法,该方法只能以简化方式作粗略的计算,只能得到局部的应力、位移及强度、刚度情况,通过加大安全系数的方法来保证结构的强度、刚度。而用有限元软件进行计算能够快速、准确、直观地得到结构上各部位的应力、应变等参数的分布情况。同时,有限元软件的运用能够实现结构的细节优化,这是传统计算方法无法相比的。本论文以2JK型单绳缠绕式矿井提升机主轴装置为研究对象,采用Pro/ENGINEER、HyperMesh及ANSYS等软件完成了主轴装置的建模、求解及后处理的全过程。建模时,采用了壳单元与实体单元分别对不同零部件划分网格,并用节点耦合来模拟主轴与各支轮的连接,用MPC184单元模拟卷筒与各支轮间的螺栓连接。同时,对有应力集中的人孔结构进行了优化分析。研究结果表明:(1)用MPC184单元模拟螺栓连接,不仅能够解决壳单元与实体单元连接的不协调问题,而且能够正确模拟力在零件间的传递,本论文建立的计算模型是合理的。(2)验证了主轴装置的强度及刚度是符合要求的,并得到了装配结构的应力分布规律,为结构的进一步分析与改进设计的研究提供了依据。(3)本论文首次对卷筒上的人孔形状进行了优化分析,并首次将OptiStruct软件应用于人孔结构的优化分析中,取得了较满意的结果,得到了较优的人孔边界形状,使得人孔边界的应力分布得到了改善,从而减少了发生疲劳失效的可能性,并得到以下结论:①人孔愈向卷筒中心靠拢,人孔周边最大应力愈小,且应力分布愈趋于均匀;②右幅板上的尺寸参数A、D2对人孔周边应力影响较大,其影响规律是:A、D2的值愈小,人孔周边最大等效应力值愈小,且应力分布愈均匀;③圆形人孔能够改善原结构人孔周边应力;④人孔个数及错开左右板上人孔,对人孔周边应力影响不大。同时也为结构的改进设计提供了新方法。(4)通过对该型号主轴装置的有限元仿真及优化,得到了一些有益的结论,为主轴装置的设计提供了依据,对实际工程应用具有重要意义。同时,证明了用有限元软件对结构进行分析计算能够大大缩短设计时间,提高设计效率,借助它们对提升设备进行相关的研究具有非常重要的工程价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和来源
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 矿井提升设备的发展历史
• 1.2.2 有限元分析软件在矿山提升机械设计中的应用
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 2 单绳缠绕式提升机主轴装置结构设计与分析
• 2.1 提升机的类型
• 2.2 单绳缠绕式提升机的结构和工作原理
• 2.3 JK 系列双滚筒提升机主轴装置的基本结构
• 2.4 单绳缠绕式提升机卷筒的设计计算
• 2.4.1 卷筒的结构及其失效形式
• 2.4.2 卷筒的外载荷及筒壳变形微分方程
• 2.4.3 钢丝绳拉力降低系数
• 2.4.4 筒壳的强度计算
• 2.5 主轴的设计计算
• 2.5.1 主轴的结构
• 2.5.2 主轴的载荷
• 2.5.3 主轴的计算
• 2.6 本章小结
• 3 有限元基础理论及几种CAE 软件介绍
• 3.1 有限元法基本介绍
• 3.1.1 有限元法的基本思想
• 3.1.2 有限元法的基本原理
• 3.2 ANSYS 软件介绍
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 ANSYS 特点与主要功能
• 3.2.3 ANSYS 在机械领域的应用
• 3.3 HyperMesh 软件介绍
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 HyperMesh 特点及主要功能
• 3.4 OptiStruct 软件介绍
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 OptiStruct 特点及主要功能
• 3.5 本章小结
• 4 几种典型工况下主轴装置应力应变场数值分析
• 4.1 几何模型的建立
• 4.2 网格的划分
• 4.2.1 网格划分的前期工作
• 4.2.2 卷筒部件的网格划分
• 4.2.3 轴及各支轮的网格划分
• 4.3 各零件间的装配连接
• 4.4 工况的确定及边界条件的处理
• 4.4.1 工况的确定
• 4.4.2 约束的简化及施加
• 4.4.3 载荷的计算及施加
• 4.5 静力分析结果
• 4.6 静力结果评价
• 4.7 本章小结
• 5 卷筒上人孔结构的优化设计分析与研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于有限元的形状优化的基本介绍
• 5.2.1 概述
• 5.2.2 形状优化设计在OptiStruct 中的实现
• 5.3 人孔的结构改进设计
• 5.3.1 人孔距卷筒中心距离的改变对人孔周边应力的影响
• 5.3.2 人孔尺寸参数改变对人孔周边应力的影响
• 5.3.3 人孔形状及个数对人孔周边应力的影响
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 6.1 主要结论
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 对今后研究提出的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文