煤矿提升机主轴结构性能优化分析

＊施佳乐

（晋能控股煤业集团同家梁矿 山西 037000）

1.概况

在煤矿开采的过程中，矿用提升机是一个非常重要的设备，因此必须保证结构的优越性，从而才可以更好地提高煤矿开采的效率。在矿用提升机中主轴是核心元件，可是由于井下工况环境相对复杂，往往出现超负荷工作的情况，当提升机处于高度工作时，将导致主轴发生变形，同时出现磨损严重的现象，大大降低了提升机的工作效率。为此需要对主轴的结构性进行探究。以同家梁矿为例对主轴的结构进行仿真，从而可以找到主轴中存在的问题，进而可以优化主轴结构。

2.提升机

该矿所选用的提升机包括如下几个方面的结构：第一，电机；第二，主轴；第三，天轮；第四，钢丝绳；第五，提升容器；第六，井架；第七，控制系统等。通常情况下，主轴可承受更多的力，当钢丝绳与对应的滚筒进行连接时，这时在滚筒的带动下可以将钢丝绳的作用力传输给主轴。经过对该煤矿提升机主轴的故障问题进行分析发现主要有如下几个问题：第一，轴端磨损严重；第二，轴承扭曲变形比较大；第三，轴中部出现较大的变形等。因此必须对主轴进行优化设计，主要从轴承材料、结构特点等方面。与此同时，还需要从日常维护方面入手，进而可以最大限度的提高主轴结构使用寿命，从而可以保证提升机工作效率。

3.提升机主轴的仿真分析

(1)模型建立

①三维模型建立

以同家梁矿所选用的提升机主轴的情况，探究主轴的性能。通常需要结合主轴的实际结构，测量出主轴最大的长度5570mm，而在中部最大的工作直径可以达到470mm，如图1所示。笔者选用SolidWorks对主轴进行模型，图2表示轴上的轴肩、倒角以及紧固螺纹特，并且对其进行部分简化。

图1 主轴结构尺寸示意图

图2 绞车主轴三维模型

②仿真模型建立

主轴所选用的材料为Q345，如表1所示。首先对主轴空间结构进行相应的网格处理。与此同时可以设置网格规格，大小为12mm，数量为10235个，如图3所示。通常主轴主要受到如下几个方面的力：第一，自身的重力；第二，钢丝绳的拉力；第三，钢丝绳与其他单元的重力等。通过对该矿的实际进行分析可以发现，研究在滚筒固定时分析主轴受力情况，经过分析发现主轴扭矩为39.8N·m，而重力为8.1kN。为了更好地对主轴进行仿真，从而需要旋转两端的主轴。

图3 绞车主轴网格划分

表1 Q345材料性能参数表

(2)仿真结果分析

在对提升机主轴进行建模后，分析主轴的应力变化情况，进入能够得到应力图，如图4。

图4 绞车主轴应力变化

通过分析上图发现，主轴在整体上表现为应力不均匀，与此同时在左端轴肩位置出现了最大应力集中的现象，其数值可以达到152.02MPa。借助主轴冗余处理可以发现，将应力安全系数设定为2，进而得到主轴应力最大值304.04MPa。当主轴处于超负荷的状态下，那么将导致结构变形，最终给井下施工带来安全隐患，进而需要对其进行结构优化处理。

4.提升机主轴的改进研究

(1)主轴结构改进要点分析

通过对主轴的分析可以看出，在对主轴进行改进时往往需要从如下几个方向入手：

①在对主轴进行设计时，必须使得整体受到分布均匀的力。在结构方面，满足最大载荷的要求，同时对其进行冗余设计，最终能够最大限度降低应力集中。对于轴肩过渡位置，使得过渡位置平滑连接。当加工主轴后，通常可以对其进行淬火工艺，进而优化主轴的性能。

②一般情况下可以借助键将主轴与滚筒实现连接，因此只有精确地加工主轴上的键槽，才可以有效地保证滚筒与主轴之间不发生松动。

③在对主轴结构尺寸进行设计时，必须充分考虑钢丝绳提货的重量，假如重量过大时，分析主轴的结构以及相应的强度。这样可以有效地提高主轴的使用性能，避免不必要的安全问题。

(2)改进后主轴结构分析

在对主轴结构进行改进时，必须充分考虑该矿的实际以及设计的核心点。在完成主轴校核后，可以对主轴上关键位置的直径进行优化，比如可以将直径360mm增加到直径370mm，将直径为470mm增加到475mm。与此同时，轴肩高度20mm。图5表示传统的分析方法分析改进后的主轴。

图5 改进后绞车主轴应力变化

通过分析图5可以看出，经过改进后的主轴其应力分布合理，同时在左端轴肩位置存在应力集中的现象，可是相比于优化之前的应力整体降低了36.45MPa。通过主轴冗余处理，把应力的安全系数设置为2，从而可以看出主轴最大的应力可以达到231.14MPa，该数值基本达到了Q345材料的屈服强度。同理对改进后的主轴疲劳强度进行优化处理，最终可以满足提升机的最大限度的工作需要。

5.结语

选用同家梁矿提升机主轴进行仿真，从而可以找到主轴位置的薄弱环节，并且以此为依据实现对主轴的优化设计。通过分析发现，改进后的主轴最大应力变小。此外不仅结构性更理想，而且满足强度的需要。由此可以看出，可以适应同家梁矿提升机的工作需要，最终可以优化提升机的工作效率以及降低安全事故率。