煤矿换绳系统中横梁的优化分析

杜建平

（山西离柳焦煤集团有限公司， 山西 孝义 032302）

引言

近些年来，随着采矿技术的不断发展，立井多绳摩擦提升系统的数量不断增加，特别是随着多绳摩擦提升机在千米深井上的应用，由于其提升系统井筒装备大、绳径粗、钢丝绳质量大，导致换绳安全风险不断增大[1]。横梁作为换绳系统中一个重要的部件，承载着换绳设备及钢丝绳等部件的主要载荷。在换绳过程中，横梁是否可靠承载，是换绳系统安全运行及煤矿安全生产的关键。

1 步进式换绳系统横梁工作工况

步进式自动换绳设备机械结构系统结构如图1所示。机架上紧固两个放绳油缸和定横梁，然后将滑块固定在放绳油缸的活塞上，通过动横梁将两个滑块连接起来，形成一套完整的机械系统。滑块可沿着装在机架上的导轨自由滑动，定、动横梁上分别装有一卡绳器，并安装在控制油缸两端。

本文结合孔庄煤矿副立井提升机参数，主要针对换绳系统动横梁的受力环境进行分析。表1为孔庄煤矿副立井提升机钢丝绳参数表，配套使用四根44ZBB6X36WS+FC型钢丝绳。

根据表1中数据可知，孔庄煤矿提升机井筒中每根钢丝绳质量为7560.9 kg。为了使动横梁支撑安全可靠，设计横梁承重为井筒内钢丝绳质量的1.5倍作为安全裕量，换绳设备附件质量为200 kg，因此，横梁设计承重要求为11.54 t。

图1 步进式换绳设备系统结构图

表1 孔庄煤矿副立井提升机钢丝绳参数表

2 换绳设备横梁静力学分析

换绳设备动横梁由放绳油缸滑块支撑，通过螺栓与滑块紧密连接，横梁承载着钢丝绳及卡绳器的质量，受力模型可简化为简支梁形式。卡绳器固定好钢丝绳后，动横梁随着滑块做上下运动，钢丝绳的重力对横梁横截面产生倾覆力矩引起横梁的扭转变形。由于卡绳器相对尺寸较小，力臂较短，对横梁产生的倾覆力矩较小，因此忽略不计。由此建立力学模型如图2所示。

图2 横梁受力简图

图2 中：L为横梁长度，值为3600 mm；C为横梁中点；A、B为横梁连接点；F为所受的拉力及自身重力，Fa、Fb为两端滑块对横梁的拉力。

根据前述可知，G=mg=11.54×103×10=115.4 kN，所以有 F=G=115.4 kN，Fa=Fb=G/2=57.7 kN[2]。

在AC段时，横梁所受的弯矩为：M（x）=Fax，（0＜x＜L/2），AC 段受力图见图 3。

根据上述数据，带入公式得M（x）=57700x，（0＜x＜L/2）。

同理在 CB 段，所受的弯矩为：M（x）=57700x，（0＜x＜L/2），BC 段受力图见图 4。

根据上述计算，求得弯矩图，如图5所示。

图3 AC段受力图

图4 BC段受力图

图5 横梁所受弯矩图

根据上述计算及分析可以看出，横梁在C点受到弯矩最大，且为Mmax=103860 N·m。横梁材料为方钢，边长a为200 mm，查资料得方钢的抗弯截面系数，W=a3/6=1333.3×10-6。

最大弯曲应力σmax=Mmax/W=77.9 MPa。

根据材料力学中强度相关公式可知，若满足强度条件则有

其中[σ]为许用应力，横梁材料为 Q235，所以 σ=235 MPa，取 抗 弯 系 数 K=2，许 用 应 力 [σ]=σ/K=117.5 MPa。有 σmax=77.9 MPa≤[σ]=117.5 MPa，故横梁满足条件。

3 换绳系统横梁优化分析

由上节分析结果可知，动横梁采用边长为200mm的Q235钢梁时，可以满足换绳系统静载荷要求。横梁如此设计虽可满足强度要求，但在工程实践过程中会造成装载、运输及使用时的极大不便。因此，需对横梁的结构形式进行优化设计，使其在满足使用需求的情况下，提高其比刚度和比强度。

3.1 横梁模型建立及网格划分

横梁的静态特性与它的结构形式、所选材料及横截面形状有直接关系，根据前述换绳系统中横梁所承受静载荷的受力分析及弯矩分析，采用桁架式横梁。通过设计不同种桁架式横梁结构的实现形式、仿真横梁比刚度和比强度等参数，选出较为适合的横梁架构。结合常见的横梁设计方法，建立了两种横梁方案模型，如图6所示，6-1为井字结构，6-2为X结构。

图6 横梁结构示意图

通过UG10.0建立三维模型，为方便有限元仿真，将横梁进行理想化处理，去除横梁焊接倒角及螺钉孔等特征，然后通过UG仿真模块NX Nastran进行静力学仿真。材料设置为Q235；材料属性密度为7.85 g/cm3；弹性模量，E 为 200～210 GPa；泊松比，ν为 0.25～0.33；抗拉强度，σb为 370～500 MPa；屈服强度为235；单元采用四节点四面体单元。

3.2 横梁约束与载荷

动横梁与滑块之间通过螺栓连接，将约束动横梁两端对应滑块固定螺栓位置的六个自由度作为边界条件，由弯矩图的受力分析可以看出横梁中心处受集中载荷，因此在模型的中心位置施加钢丝绳的重力载荷，由于其作用于卡绳器，所以转化为横梁中心压强载荷，施加横梁自身重力。载荷与约束施加情况，如图7所示。

图7 载荷与约束情况

3.3 求解结果与分析

通过NX Nastran求解器进行有限元仿真求解，得到两种横梁结构总形变量、三个方向最大形变量及应力云图。两种横梁结构形变云图如图8所示。

两种横梁结构应力云图如图9所示。

图8 形变云图

图9 应力云图

从分析结果表2可以看出：两种横梁都发生了不同程度的弯曲变形，其中X形横梁的总位移、单方向位移及应力均较小，具有较好的静态特性。X形的质量较重，但是比刚度更好。

表2 两种横梁的质量及静力变形量

4 结论

1）横梁作为换绳装置中重要的部件，关系到换绳系统运行稳定及换绳操作的安全性，必须经过系统校核其刚度、强度，并留有一定的安全余量；

2）在横梁外部尺寸、材料及壁厚等因素相同的条件下，优选出X形横梁为比刚度较好、比强度较高的结构形式，为横梁的结构设计提供一定的理论依据。

[1]张延军.基于能量转换的防冲击首绳快速更换关键技术研究[D].太原：太原理工大学，2014.

[2]涂继鹏.基于ANSYS的烟框提升机框架力学特性仿真[J].贵州大学学报（自然科学版），2017（2）：32-34.