（机械电子工程专业论文）面向对象的罐笼快速设计计算软件的开发.pdf

面向对象的罐笼快速设计计算软件的开发 摘要 罐笼是矿山生产中的一个重要设备，需要科学、合理的设计。目前罐笼的 设计过程漫长，手工计算工作量庞大。针对罐笼设计与计算的现状，为了加快 设计速度，减轻设计人员的工作量，开发了罐笼快速设计计算软件。 首先，介绍了罐笼的构造与分类，在研究罐笼的设计研究现状的基础上， 结合目前设计人员在罐笼设计时的需求，分析了软件开发的意义与应用前景。 在综合比较各种计算方法的优缺点之后，采用力法建立了罐笼的力学模型，并 系统分析了罐笼在三种工况下的受力情况，给出了详细的计算过程。 其次，由于罐笼由大量的弦梁和节点构成，为了实现对各个关键部位的弯 矩、应力和安全系数的计算，从理解罐笼设计人员的需求和需求分析入手，采 用面向对象的层次结构模型，开发出了实用的罐笼快速设计计算软件，并介绍 了该软件的主要功能模块与数据库的设计。 最后，详细地介绍了软件开发中使用到的三大关键技术：选择x m l 文件存 储设计数据，调用i n t e r o p w o r d d l l 和i n t e r o p m i c r o s o f t o f f i c e c o r e d u 两个组 件对w o r d 进行二次开发，并且自动生成罐笼设计计算说明的w o r d 文档，用 混淆器保护软件不被轻易破解，与硬件序列号绑定的方式授权软件使用。 本文结合实际的罐笼设计与计算的需要，开发了罐笼快速设计计算软件， 实现由手工设计到软件设计的过渡，缩短了罐笼的设计周期，提高罐笼生产厂 家产品质量和竞争力。 关键词：罐笼；设计：计算；面向对象；力法 o b j e c t o r i e n t e ds o f t w a r ed e v e l o p me n tf o rc a g e r a p i d d e s i g na n dc a l c u l a t i o n a b s t r a c t c a g ei sa ni m p o r t a n td e v i c ei nt h em i n ep r o d u c t i o n ，d e s i g n e ds c i e n t i f i c a l l y a n dr a t i o n a l l y t h e r ei sal o n gp r o c e s sa n dh u g ew o r k l o a dd u r i n gc a g ed e s i g n i n v i e wo ft h es i t u a t i o no fc a g ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n ，i no r d e rt os p e e du pd e s i g n a n da l l e v i a t ew o r k l o a d ，d e v e l o p e dc a g er a p i dd e s i g na n dc a l c u l a t i o ns o f t w a r e f i r s t l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dc l a s s i f i c a t i o na b o u tc a g e a n a l y z e dt h es i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o np r o s p e c to ft h es o f t w a r e ，b a s e do nt h e s i t u a t i o no fc a g ed e s i g na n dr e s e a r c h ，c o m b i n e dw i t hc a g ed e s i g n e r sd e m a n d s t h e c a g em e c h a n i c a lm o d e lb u i l db yf o r c em e t h o da f t e rc o m p a r e ss e v e r a l c a l c u l a t i o nm e t h o d s i n t r o d u c e dt h es t r e s sa n dc a l c u l a t i o np r o c e s so f c a g ei nt h r e e w o r k i n gc o n d i t i o n sd e t a i l e d s e c o n d l y ，b e c a u s ec a g ec o m p o s t e db yl a r g en u m b e ro fb e a m sa n dn o d e s ， d e v e l o p e dt h ec a g e d e s i g na n dc a l c u l a t i o ns o f t w a r eu s i n gt h eo b je c t o r i e n t e d h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r em o d e l ，t oa c h i e v et h ec o m p u t a t i o no ft h es t r e s s t h eb e n d i n g m o m e n ta n dt h es a f e t yc o e f f i c i e n to fe a c hk e yp a r t s ，b e g i nw i t hu n d e r s t a n d i n ga n d a n a l y z i n gt h en e e do fc a g ed e s i g n e r f i n a l l y ，d e s c r i b e dt h et h r e ek e yt e c h n o l o g i e su s e di nt h es o f t w a r ed e t a i l e d s a v ed e s i g nd a t au s e dx m lf i l e g e n e r a t ec a g ed e s i g na n dc a l c u l a t i o nd e s c r i p t i o n w o r dd o c u m e n tu s e d i n t e r o p w o r d d l l a n d i n t e r o p m i c r o s o f t o f f i c e c o r e d l l p r o v i d e db yt h et w oc o m p o n e n t so fw o r df o rs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t p r o t e c t s o f t w a r en o tt oc r a c ke a s i l yu s e dw i t ho b f u s c a t o r ，a n da u t h o r i z es o f t w a r eb u n d l e d w i t hh a r d w a r es e r i a ln u m b e r t h i sa r t i c l ed e v e l o p st h ec a g er a p i dd e s i g na n dc a l c u l a t i o ns o f t w a r eb i n d i n g w i t hp r a c t i c a ln e e d so fc a g ed e s i g na n dc a l c u l a t i o n a c h i e v et h et r a n s i t i o nt o s o f t w a r ed e s i g nf o r mm a n u a ld e s i g n ，s h o r t e nt h ec y c l ea n di m p r o v et h ep r o d u c t q u a l i t ya n dc o m p e t i t i v e n e s so fm a n u f a c t u r e r s k e yw o r d s ：c a g e ，d e s i g n ；c a l c u l a t i o n ；o b j e c t - o r i e n t e d ；f o r c em e t h o d 图表清单 2 1 罐笼结构c a d 图5 2 2 罐笼结构示意图6 2 3 罐笼受力简易图6 2 - 4 罐笼设计计算图9 3 1 组合梁结构图11 3 2 弯制梁结构图13 3 3 双层四车侧盘集中载荷图15 3 - 4 双层四车基本系统图15 3 5 双层四车上盘单位集中载荷弯矩图16 3 6 双层四车下盘单位集中载荷弯矩图l6 3 7 侧盘集中载荷p 弯矩图17 3 8 尾绳载荷弯矩图l7 3 9 故状态侧盘载荷图18 3 10 事故状态侧盘均布载荷弯矩图18 3 1 1 事故状态侧盘集中载荷弯矩图18 3 12 下大件侧盘计算示意图2 0 3 13 下大件基本系统图2 0 3 14 下大件侧盘均布载荷图2 0 3 1 5 下大件侧盘集中载荷图2 0 3 1 6 下大件侧盘均布载荷弯矩图2 1 3 17 下大件侧盘集中载荷弯矩图2l 3 18 主横梁与上弦梁联接节点示意图2 2 3 19 与内立柱联接节点示意图2 2 4 1 双层四车正常状态的类图2 8 4 2 罐笼设计软件用例图3 l 4 3 罐笼设计软件序列图3 2 4 4 罐笼设计软件序列图3 2 4 5 罐笼设计软件矿车表图3 3 4 6 罐笼设计软件功能模块图3 3 4 7 罐笼软件设计流程图3 3 4 8 罐笼基本参数设置界面3 4 4 - 9 罐笼下大件参数设置界面3 5 4 10 罐笼事故状态参数设置界面35 4 11 罐笼盘体重量参数设置界面3 6 4 12 罐笼尺寸参数设置界面3 6 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 4 13 罐笼弦梁参数设置界面37 4 14 罐笼节点参数选择界面37 5 1 罐笼x m l 文件4 0 5 2 添加m i c r o s o f tw o r d11 oo b j e c tl i b r a r y 引用4 2 5 3w o r d 类中的部分结构层次图4 2 5 4w o r d 二次开发操作流程图4 4 5 5 软件授权文件使用流程图4 7 5 6 混淆器选择项目类型界面4 9 5 7 混淆器主界面4 9 2 1 安全系数表7图图图图图图图图图表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金肥王些太堂 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：7 - 础签字日期：扣l 口年牛月计日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目曼王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借 阅。本人授权 金厦工些盔堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：i 翻务 签字日期：1 9 年峰月舛日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：差轰毋r导师签名：不苁田r 签字日期：声p 年朔烨日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师吴焱明副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。论文从选 题、论证、资料搜集、初稿写作到修改、定稿，每一环节无不凝聚着导师的心 血。导师那严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，循循善 诱的教导和诲人不倦的态度给予我无尽的启迪。 感谢煤炭工业合肥设计研究院秦强教授和胡保林所长在项目中给予的帮 助和指导，他们丰富的知识和独到的见解使我在项目中得到了许多宝贵的经验 和启发，感谢煤炭工业合肥设计研究院机械制造室里同事所提供大量项目需要 的资料。 感谢山东煤矿泰安机械厂的孙连成高级工程师和韩延伟高级工程师，他们 在项目中丰富的实践经验，以及忘我的工作精神给我留下了深刻的印象令我敬 佩和叹服，感谢山东煤矿泰安机械厂提供的与项目相关的技术资料。 感谢朱家诚教授在我学习和项目中的帮助，朱家诚教授那严谨的治学态 度、一丝不苟的工作作风给我留下了深刻的印象，并将使我终身受益。 衷心感谢安徽省数字化设计与制造重点实验室为我提供了良好的学习条 件和完善的实验平台。 感谢师兄张栋、苏学满、丁正、高洪涛、凌飞，师姐王军，师弟牛卫东、 刘永强、王磊，师妹王秋杰、伍斌给予我的帮助和支持，感谢在合肥工业大学 学习和生活中所认识和帮助我的老师和同学。 感谢刘巍陪伴我走过了研究生期间的三年美好时光以及在学习和生活上 给予了我无私的关心和帮助。 最后，谨将此文献给我的家人，感谢他们多年来在生活上、精神上、物质 上给予我的关心、鼓励和支持。谢谢他们为我所做的一切，是他们的爱，让我 有信心去面对未来的挑战。 作者：阚勇 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 罐笼的介绍与分类【1 】 罐笼是煤矿、金属与非金属矿山中用于竖井上下提升运输的专用设备，承 担着矿井的人员、材料、设备以及矿石、矸石的提运任务，一般可以承载几吨 至几十吨、是矿井提升中重要的设备之一。罐笼般是用于矿井的副井提升， 在中、小型矿井中也可用于主井提升。 罐笼的种类很多，根据不同的标准可以有以下几种分类： ( 1 ) 按首绳悬挂所用钢丝绳的数量可分为单绳罐笼和多绳罐笼。一般情 况下单绳罐笼用于深度不超过4 0 0 米的矿井，而多绳罐笼一般用于深度超过 3 5 0 米的矿井。 ( 2 ) 按罐笼的层数可分为单层罐笼、双层罐笼及多层罐笼。多层罐笼的 优点是在不加大井筒断面的情况下，增加一次提升的有效载重量。缺点是当采 用单层车场时，换车复杂且时间较长，否则必需在井底和井口设置多层车场。 对于大型矿井，为了缩短升降人员的时间或提升量很大时才采用多层罐笼。 ( 4 ) 按罐笼所用承载矿车的型号可分为0 5 吨、1 吨、1 5 吨、3 吨、无 轨胶轮车等各种罐笼。 此外，罐笼还可以按照罐体的结构、导向装置、进出方式以及罐体材料等 不同进行分类。 1 2 罐笼的发展及设计研究现状 作为矿山专用设备的罐笼，其设计与制作随着矿业的发展而发展。新的需 求不断出现，对罐笼的设计提出了更加苛刻的要求。 首先是根据生产需要，罐笼外形尺寸增大了，国内由早期的最宽2 m 发展 到3 m 甚至更大。如我国某矿井设计需要装备宽3 7 m 、长9 m 、自重4 6 吨，最 大载重4 5 吨的超大型罐笼，这在我国是从未有的，国外也无完全成熟的经验， 且在没有辅助计算工具软件的帮助下，要想使这样的罐笼设计合理、安全，且 减少罐笼的总质量以节约成本，是很难达到目的的。 其次是罐笼的承载重量提高了，由早期的较为普遍的十几吨液压支架发展 到现在的2 0 吨、2 5 吨、5 0 吨甚至更重的作业设备需整体下井，以满足提高生 产效率的需要。如近年我国部分新设计的矿井为提高生产效率，希望将自重达 1 2 吨的特制平板车和4 0 吨的液压支架通过罐笼直接运送进入井下，那么对罐 笼的承重和性能提出了更高要求。 再次是安全性要求提高了，对安全性的追求始终是矿山科技工作者的奋斗 目标。如近年来发展并迅速推广应用的新型钢带式、摩擦式防过卷过放装置， 是取代传统的楔形木罐道的安全装置，可保证提升容器在过卷事故状态下安全 制动，保护人员和设备的安全。然而由于受力形式不同，罐笼在事故状态下的 受力计算也增加了很多变数，需要更为科学的计算与设计。 对罐笼进行正确的力学计算是保障罐笼安全的前提。早期罐笼计算都由各 大设计院承担，计算比较严格，多数配有专用的计算书，先对每一环节进行严 格的计算，在此基础上再绘制详细的罐笼加工制造图，承担此项任务的人员基 本上都是在此专业工作十五年以上且经验很丰富的技术骨干，承担的工作量就 十分庞大。随着我国煤炭事业的发展，社会分工不断细化，以前由各大设计院 设计的罐笼改由各专业厂家设计制造，使专业化向前迈进了一步。由于我国各 专业厂家受条件的限制，无法实现对罐笼计算作进一步细化工作。这样就导致 了对于常规设计要求的罐笼，安全性可得到保证。但如果罐笼设计参数变化过 大时，制作单位又未对罐笼做进一步细化设计与计算，这样罐笼安全性可能存 有隐患。 与此同时，设计院在高阶段设计过程中，需预先估算罐笼的重量，这项工 作通常也是根据有经验的设计人员大体估算，存在很大的不确定性，这对于安 全性要求很高的立井提升系统来说显然是不科学的。例如，若在高阶段设计中 给定罐笼质量过小，因提升机通常提前定货，等到了施工图设计时需要将罐笼 质量增加时已经不可能了，唯一所做的是降低使用要求，这是极其不合理的； 而如果一开始就将罐笼质量要求过大，会造成提升容器材料浪费，有时会造成 对提升机与钢丝绳的选型升级，特别是质量增加后会增加运行能耗，同样也是 不合理的。 国外的情况和我国有所不同。如德国在设计过程中选取安全系数比我国 小，原因之一是其材料和加工技术高于我国，但是，由于我国原材料性能的分 散性比较大，罐笼生产过程大多比较粗放，质量控制体系不够完善，所以不能 完全采用国外的有关技术参数。 为此，编制一套结合我国实际的、科学的罐笼设计计算软件是很有必要的， 它既可保证设计院高阶段的设计科学性，又可以解决罐笼制造厂家在加工制作 过程中的实际问题。 1 3 课题的研究内容和应用前景、意义 1 3 1 研究内容 本课题的开发目标是研究针对当前罐笼种类多样、传统的设计与计算的过 程比较复杂且工作量庞大，开发出罐笼设计计算软件，使之既能快速、正确的 设计出需要的罐笼，又能够适应将来罐笼的发展，同时满足设计院与机械厂的 需求。 软件开发包括以下几个方面的工作： 1 总结前人完成的大量罐笼设计的数据，建立罐笼结构模型，先进行结 构分析，再用计算机语言完成对罐笼的快速计算与分析。罐笼的计算方法很多， 2 本软件开发的力学模型采用安全系数和静力计算的结合，静力计算采用图乘 法。 2 由于软件需要适应设计、计算不同规格型号罐笼在多种工况下的受力， 因此，力学模型需要作大量排列组合性的规划，以达到罐笼设计多样性的目的。 3 在利用软件完成罐笼的设计和计算之后，通过自动生成设计计算说明 书，将设计人员对罐笼的设计参数和计算步骤及计算校核结果保存为w o r d 文 档形式，以便存档和数据资料保留。在设计过程中通过x m l 文件保存设计数据， 并利用软件加密保护软件。 1 3 2 应用前景及意义 罐笼设计计算软件的应用将提升设计院、煤矿机械设备公司的涉及罐笼工 程的设计或制造技术水平，提高设计院的罐笼设计合理性、提高罐笼生产厂家 产品质量和竞争力，缩短厂家响应周期。 在设计罐笼中应用该软件可以缩短罐笼的设计周期。罐笼设计计算软件的 开发，对促进我国罐笼设计的技术进步，降低安全事故风险等具有重要的现实 意义。 第二章罐笼计算基本方法 2 i 罐笼的构造i l i 罐笼由首绳悬挂装置、抓捕器、罐体、导向装置、罐内阻车器、罐门和雨 蓬、装置等主要部件组成，如图2 1 所示。 单绳与多绳罐笼的罐体，一般情况下区别不大，均由两个垂直的三节间侧 盘体通过横梁连接而成。罐体的结构形式主要有扁钢桁架式和框架式( 混合式) 两种，其中以后者使用比较广泛。扁钢桁架式罐体的横向尺寸较小，在设置端 罐道的情况下，具有较小的提升中心距，有利于井简布置。但由于扁钢立柱的 横向刚性差，只能用于瑶台承接，同时罐体在运输和存放过程中需要采取防止 变形的相应措施。框架式或混合式罐体的刚性好，不易变形，但罐体的横向尺 寸稍大些。罐体节点的链接有铆接，栓接( 高强度螺栓连接) 和焊接三种连接 方式。铆接节点比较常用，栓接在引进的国外罐笼上采用较多，焊接节点则很 少采用。过去，大家认为焊接节点不宜承受冲击载荷，但是实践证明侧厩焊缝 具有足够的塑性，可以承受一定的冲击载荷，只要在符合必要的焊接质量条件 下，焊接节点的连接方式可以用在罐体上。 4 圈2 1 罐笼结构c a d 图 2 2 罐体计算 罐体是罐笼的重要组成部分，它的重量约占罐笼总重量的5 5 6 5 h 。 且罐体受力情况复杂，因此，正确地选择罐体的计算情况和计算方法，对于在 保证罐体具有足够的强度和稳定性的基础上减轻罐笼自重增加有效载重有着 重要的意义。由于组成罐笼的悬挂装置、抓捕器和阻车器等器件结构简单，且 有通用的计算与选择方法，这里就不作分析了。 1 主吊板2 主横集3 上弦集4 中弦架5 内立桂 6 井立柱z 导轨i 下弦集9 尾绳壤i o 尾绳横集 图2 2 罐笼结构示意图 2 2 1 载荷情况 罐笼在使用过程中主要受到四种力的作用，包括首绳悬挂对罐体的向上拉 力f 、矿车自重互及矿车载重疋、罐笼重量g 以及尾绳梁所受尾绳悬挂向下拉 力q 。 图2 - 3 罐笼受力简易图 ( 一) 载荷计算 罐笼所受到的首绳悬挂的拉力等于尾绳悬挂总重量、 量及物料总重量之和，即： f = 力亿+ 正) + q + g 6 罐体重量、矿车总重 ( 2 1 ) 式中：f 一一首绳悬挂的拉力； 一一一罐笼承载的矿车数量； z 一一矿车重量； 。 死一一矿车载重量； q 一一尾绳总重量： g 一一罐体重量。 罐体重量的计算，需要统计各个杆件总重、杆件之间所用的角钢总重、以 及在实际焊接过程中所用的标准件的总重。由于罐笼在实际焊接用中所用的标 准件总重不是一个固定值，因此我们采用综合以往的成功案例，采用平均估计 的值进行计算。 罐笼的重量计算包括三个部分。一、罐笼基本部件重量；二、罐笼上中下 盘体附件重量；三、罐笼各弦梁的重量。 罐笼基本部件重量包括：罐笼所用矿车重量、罐笼首、尾绳挂件的重量、 罐笼首、尾绳子的重量、罐笼侧板重量、滚动罐耳重量等。 对于双层罐笼，其盘体重量包括：上、中、下各盘体拥有的罐耳固定架重 量、固定罐耳重量、角罐耳重量、联接角钢重量，以及上层的顶板重量，中层 和下层的罐内阻车器的重量。还包括安全蓬、雨蓬、安全门和焊接用的标准件 平均重量。 罐笼各弦梁的重量包括：内、外立柱重量、上弦梁重量、中弦梁重量、下 弦梁重量、主吊板重量、主横梁重量、尾绳梁重量。以及各弦梁联接处所用的 角钢和辅助钢板的重量。 ( 二) 载荷分布 在罐笼提升过程中，考虑到载荷的实际分布情况，一般采取以下四种载荷 分布简化方法： 1 、罐笼自重作为均布载荷分配到各弦梁上： 2 、罐笼载重作为集中载荷平均分配到各矿车车轮与弦梁的接触点上； 3 、尾绳重量作为集中载荷平均分配到内立柱与下弦梁的四个节点中； 4 、动载荷则分别计入均布载荷和集中载荷内。 ( 二) 杆件强度校核 在对杆件进行强度校核时，通常选择用安全系数校核杆件强度，罐体的主 梁和尾绳梁一律按最大静载荷计算，其安全系数( 即杆件材料的强度极限与杆 件的最大应力的比值) 不小于1 0 【l 】。在不能实现确定最大制动力的情况下，罐 体的其他杆件亦可按最大静载荷计算，其安全系数不小于7 。 罐笼在井底过卷制动状态下罐体杆件应力的校核，是按罐笼空载考虑，且 将动载荷系数按减速度5 9 计算，杆件的最大应力不小于材料的屈服极限【l 】。 罐笼的罐体是一种空间杆件系统，由于结构本身、荷重及支承链接系的对 7 称性，为了避免繁杂的计算过程，可将空间杆件系统简化为两个侧向平面杆件 系统( 即侧盘体) ，分别计算侧盘体及连接2 个侧盘体的弦梁。 罐笼的主要节点( 指竖杆与弦杆之间的节点) 采用焊接时，该节点近似于 刚性节点；采用铆接或栓接时，该节点则介于刚性与铰接之间的一种节点。后 一种节点具有一定的刚性，既能够阻止侧盘体在其平面内产生的扭曲，又对杆 件内力的影响较小。因此，对于铆接或栓接的罐体既可以作为混合式结构，又 可以作为刚架式结构。为了简化计算，这种罐体一般情况下按混合式侧盘体计 算，立柱不受横向弯曲只受轴向力，弦梁受纵向力和弯矩，节电按铰接计算。 2 2 2 计算方法 在提升的过程中，作用在罐笼上的外力系统( 载荷与反力) 是随着罐笼的 运行条件和支承情况而变化。外力系统有一系列的典型结合情况，即计算情况。 选择其中主要计算情况作为罐体计算的依据。按不同的计算情况以罐体杆件中 产生的最大内力来选择杆件的截面或校核其强度。 将罐体视为超静定杆件系统，计算罐体杆件内力的方法较多，归纳起来基 本上可以分为以下两种方法： 1 以结构多余联系的内力作为未知数的计算方法称为力法。 2 利用a n s y s 软件采用有限元计算方法。 两种计算方法都具有它本身的特点和应用范围。力法是各种超静定结构计 算方法中最早采用的方法，它的应用范围极为广泛，可用于分析混合式和刚架 式超静定结构的计算，尤其以计算混合式超静定结构最为简便。以四竖杆三节 间罐体为例，单层罐体只有一个未知数，解算一个方程式。双层罐笼只有两个 未知数，解算两个方程式，其余类推。 有限元计算方法是利用商用有限元软件对罐体进行有限元分析，计算结果 比较精确。但是，对于每一下种罐体，需要建立相应的有限元模型，这就对计 算人员提出了很高的要求。机械厂和设计院所一般设计设计人员并不具有这方 面的能力l 引。 对于我们目前需要计算的混合式侧盘体的结构特点和载荷情况，综合对比 两种中方法的优缺点，因此采用力法计算罐体杆件的内力是最佳的计算方法。 2 2 3 计算步骤 罐笼的罐体，当主要节点采用铆接或者栓接时，按混合式侧盘体力法计算 罐体杆件的内力。 用力法计算超静定杆件系统的基本步骤为： 1 解除原杆件系统的多余约束，代之以多余未知力，将原超静定杆件系统 转化静定杆件系统即基本系统、结合罐笼情况具体计算。 8 2 列出基本系统在多余未知力和载荷的作用下多余约束处的位移条件，并 使它们满足原超静定杆件系统的约束条件，从而得到力法方程，解此方程便可 求得多余未知力。 3 由静力平衡方程式解出其余杆件的内力。 根据罐笼 立柱的 根据设计根据计算 简化罐笼解方程求 解方程求内、外内 出的罐笼出的罐笼得罐笼立力计算其 结构计算重量计算 结构建立得罐笼各 柱的内、余各杆件 力法方程内力 和各节点 罐笼重量 各载荷外内力 的应力和 安全系数 图2 - 4 罐笼设计计算图 罐笼计算的详细步骤如图2 4 所示，首先根据设计出的罐笼结构，计算出 罐笼的各部件的重量及罐笼总重量，然后由重量计算出各计算情况下的集中载 荷或均布载荷，由此建立力法方程并求解得出内、外立柱的内力，最后通过立 柱的内、外内力计算出各杆件与节点的应力和安全系数。 2 2 4 安全系数 罐笼有三种工作状态，分别是正常状态、事故状态和下大件状态。罐笼的 事故状态是指罐笼的提升钢丝或其首绳悬挂装置断裂时，罐笼坠落时的状态， 罐笼下大件是指通过罐笼运输一些井下作业的大型设备的作业过程。因此我们 需要对在这三种状态下的罐笼分别进行计算，并且各个状态下的杆件的受力情 况也不相同，需要区分设定各杆件与节点的安全系数。根据煤炭安全规程，并 且综合考虑各种现实因素，各杆件和节点的安全系数如下表所示： 表2 1 安全系数表 弦梁名称正常状态安全系数事故状态安全系数下大件安全系数 内立柱 1 017 外立柱 l o17 上弦粱1 0 l 7 中弦粱 1 0l7 下弦梁 1 0l7 主横梁 1 0l7 尾绳粱 1 0l7 主吊板1 317 各节点 l o17 9 2 3 本章小结 本章介绍了罐笼的主要构造及不同类型罐笼之间的区别和特点，并针对罐 笼的构造特点讨论了载荷分布与计算的详细情况，分析了罐笼中可能存在的集 中载荷以及杆件的强度校核的注意事项，对比力法、a n s y s 有限单元法两种方 法，分析各种方法的优缺点，决定选择采用力法的计算方法。最终给出主要的 计算步骤和在进行校核时各个状态下各杆件所采用的安全系数。 1 0 第三章罐笼力学模型分析 3 1 各型材的特性参数计算 在罐笼的设计过程中，一般都会选择比较合理的材料。通过选择不同型材、 及材料，在保证质量的前提下，优化型材与材料的组合，以减少成本。常使用 组合梁、槽钢、弯制梁、钢板四种型材。使用的材料主要有q 2 3 5 、q 3 4 5 、4 5 钢。 在现有型钢不满足设计要求时，罐笼生产企业往往设计板材与角钢焊接而 成的组合梁，横截面如图3 1 所示。 叫卜卜 哿一 ，= 2 f 砌f ，里z 1 2 + 一a l 3 l2 1 2 ( 3 _ 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 组合梁单位长度重量圪计算公式： 只= 2 p 。+ 啦腭 式中：p 。一一角钢的单位长度重量； p 一一钢板密度； 矿一一重力加速度。 弯制梁 图3 - 2 弯制梁结构图 ( 3 5 ) 图中：仔一一弯制梁的高度； 扣一弯制梁的厚度， 口一一弯制梁的宽度。 弯制梁截面面积s 计算公式： s = 2 a - i - h 一2 d ) d ( 3 6 ) 弯制梁惯性矩，计算公式： ，：0 8 5 d h + 2 ( a - 一d _ ) d + 6 d ( h 一- d y ( 3 7 ) l ，2 公式中0 8 5 是为了更加安全考虑，故意将弯制梁的惯性矩减少到8 5 。 弯制梁抗弯截面模量形计算公式： w = 2 2 一- ( 3 8 ) h 弯制梁单位长度重量圪计算公式： 名= 昭一2 d + 2 a ) d ( 3 9 ) 式中：p 一一钢板密度： 厂一重力加速度。 1 2 3 2 罐笼及各杆件的内力计算 讨论的罐笼的种类有单层单车多绳罐笼、单层单车单绳罐笼、双层双车单 绳罐笼、双层双车多绳罐笼等七种。不同种类的罐笼的结构不同，并且受力情 况也不同。需要计算分析的罐笼弦梁有内立柱、外立柱、上弦梁、中弦梁、下 弦梁、主横梁、尾绳梁、主吊板，以及各个部件联接处形成的节点，节点包括 主吊板与主模梁联接节点，主横梁与上弦梁联接节点等多种节点。 由于罐笼结构复杂，且型号多种多样，现以双层四车4 绳罐笼为例，介绍 罐笼结构及各部件的受力分析。 罐体结构如图2 2 所示。罐笼有上、中、底三个盘体组成，二侧有二根内 立柱、二根外立柱组成罐笼框架以及主昂板、主横梁、上弦梁、中弦梁、下弦 梁等主要部分组成。 罐体杆件应力计算，采用静力计算加大安全系数的方法，即罐笼杆件应力 用静力法计算，动载荷所引起的杆件内力，则综合到安全系数中对杆件进行强 度校验。 3 2 1 正常状态的罐体杆件的内力计算及杆件计算 双层四车4 绳罐笼的载荷采用集中载荷的计算方法，即将罐笼重量与矿车 重量和载重等效均分到车轮作用点。由于有四辆矿车，每辆矿车有4 个车轮， 因此罐笼的集中载荷是罐体的重量与4 个矿车及矿车的载重之和除以1 6 个车 轮。尾绳的集中载荷是尾绳的总重量除以4 ，是将尾绳梁与两边的尾绳横梁形 成的载荷均分到4 个尾绳横梁与下弦梁形成的联接节点数。 因此罐笼的集中载荷可以通过公式3 1 0 计算获得。 尸：g + 4 ( f t i + t 2 ) ( 3 - 1 0 ) 式中：p 一一罐笼的集中载荷： g 一一罐体重量： 五一一矿车重量； 乃一一矿车载重量。 罐笼的尾绳集中载荷通过公式3 1 1 计算获得 肜：霉( 3 - 1 1 ) t 4 式中：肜一一尾绳产生的集中载荷； q 一一尾绳总重量。 因此，双层四车4 绳罐笼在正常状态下，其侧盘载荷图和基本系统图分别 如图3 3 、3 4 所示： 4 p + w4 p + w jiji 如 一 ，l 一 ，j pp pp ，4 一i 一，3 一ii 厶一l ，4 一 。 i j f 、f、f1 1-： )，)t pp p p ，4 一i 一，3 一ll ，3 一i ，4 一 7 。7 ，、f弋3 i i l? 4 p + w4 p + w jlji ，l如，i ) ，j 1i n t n r l pp p p 。，4 一l ，3 一i oaln i 一，3 一i ，4 一 1 1 l上fii、 1 l ： j 望 ppn 2 n 2 pp 厶1 ，3 。i1 1 i ，3 一i 一，4 一 ill i上f了7 。) 图3 - 3 双层四车侧盘集中载荷图 图3 4 双层四车基本系统图 图中：z 。一一外立柱中心线与内立柱中心线的距离； z ：一一内立柱中心线与内立柱中心线的距离； 厶一一矿车轴距； j 1 4 一一矿车前轴到罐笼外立柱中心线距离； 一一罐笼上层高度； 一一罐笼下层高度。 侧盘体集中载荷为超静定平衡杆件系统，要计算超静定系统，须先补充超 静定方程。考虑到结构与载荷的对称性，为此将侧盘体的上、下内立柱切开， 代之以未知力l 、n 2 。于是侧盘体计算示意图就变成图3 - 4 基本系统的形式。 根据变形条件，建立力法经典方程式： j 1 4 l + n 2 8 , 2 + 4 ；0 ( 3 - 1 2 ) 【l 盈l + 2 哦2 + 磊= 0 式中：4 。一一为n l 处作用有单位力时，沿n 。的方向引起的位移： 如：一一为n ：处作用有单位力时，沿：的方向引起的位移； 1 4 其中： 4 ：一为2 处作用有单位力时，沿l 的方向引起的位移； 暖。一一为n 。处作用有单位力时，沿2 的方向引起的位移； 磊一一为集中载荷所引起的沿n 。的方向所引起的位移； 嘎一一为集中载荷所引起的沿n ：的方向所引起的位移。 肛f 留( 3 - 1 3 ) 【8 2 - - 岛p + 岛矿 蠡尸一一为载荷p 所引起的沿n 1 的方向所引起的位移； 岛p 一一为载荷p 所引起的沿2 的方向所引起的位移； 4 矿一一为尾绳自重w 所引起的沿l 的方向所引起的位移； 岛旷一一为尾绳自重w 所引起的沿n 2 的方向所7 1 起的位移。 根据图乘法得到各位移值【3 _ 6 】： 图3 5 双层四车上盘单位集中载荷弯矩图 图3 - 6 双层四车下盘单位集中载荷弯矩图 瞑- = 壶c 2 孚詈”砰鸪，+ 击c 2 孚詈私如，+ i 2 h , 。石1 + 寺 = 吉c 毒+ 枷孙z ，+ 虿2 1 1 1c 百1 + 寺 最：= 击c 2 x 孚；7 l + 私u + 击c 2 孚詈”私啪矿2 h 2 石1 + 寺 = 丢c 毒+ 万1 肌2 。j 2 + 如，+ 警c 击+ 毒) ( 3 1 5 ) 磊z 哦= 一壶( 2 善詈+ 砰蝴= 瓦1 ( j 2 彳 式中i 是惯性矩，下标材、掰、d 分别表示上弦梁、中弦梁、下弦梁；彳是面积， 下标i 、0 分别表示内立柱、外立柱。 4 p4 p j，1 | t t： i i 4 p 4 p l pp pp 一，4 一i 一一ii 厶一l 一，一 l 。 j p p ，3 i 矗一一 一 孑 一 侧盘集中载荷p 弯矩图 尾绳载荷弯矩图图中 2 4 ( 2 l , + ，3 ) 根据法得到各位移值： 耻告砰扣4 嘲一击姒争 +2(2丝埘小m14)13+mflll2一2等 = 一，( 8 l l + 4 1 2 ，一击 弛2 + 扣4 + 2 m f l l + w 。坞1 4 ) 1 3 + m i j 2 ) 一等 6 ) 妨=1(1di1与2肘。f2+；1(2心厶+2哆，l+必+吩地+吩，2)-瓦4ph2(3-17) 1 6 驴一瓦1 ( 2 哪扣扣胛1 1 2 1 1 ) 哿= 副w 虿2 牡粉酉2 w h ! ( 3 - 1 8 ) 驴一瓦1 ( 2 哪j 1 ，l 扣聊1 1 2 护等= 一瓦w ( j 2 私印z ) 一蛩( 3 - 1 9 ) 求解力法经典方程，得罐笼上层内立柱内力l 、罐笼下层内立柱内力：、 罐笼上层外立柱内力川、罐笼上层外立柱内力m ，有了这四个内力之后，就 能计算出各杆件与弦梁的应力和安全系数。 3 2 2 事故状态的罐笼罐体内力计算及杆件计算 罐笼的事故状态是指罐笼的提升钢丝绳或其首绳悬挂装置断裂时，罐笼坠 落时的状态。 罐笼的事故状态计算，是按照罐笼进入事故状态之后，进入井下楔形罐道 的情况进行计算的。并且按罐笼空载考虑，动载荷系数按减速度5 9 计算。罐 笼在井下进入楔形罐道的计算条件与罐体各杆件的截面性质均和正常提升状 态时的计算基本相同，所不同的是，在事故状态下罐笼的载荷是根据均布载荷 的计算方法进行计算的，将罐笼的重量均匀地分布在各弦梁之上。 在软件中计算的事故状态分两种受力情况，一是楔形木罐道，另一个是钢 带式罐道。以楔形木罐道为例简单介绍事故状态下的罐笼罐体内力计算及杆件 强度计算。 事故状态均布载荷g 通过公式3 2 0 进行计算，公式中的6 是指上弦梁、 中弦梁、下弦梁的总数，事故状态均布载荷g 的计算思路是将事故状态形成的 6 倍的罐体重量均分至6 个弦梁上面。 g = 瓦g ( 1 + 5 ) ( 3 2 0 ) 式中：一是罐笼的宽度。 l = 2 l l + z 2 ( 3 - 2 1 ) 双层四车罐笼事故状态的侧盘均布载荷图，如下所示： 1 7 l 叶l 卜 图3 - 9 事故状态侧盘载荷图 图中：，一一楔形木罐道事故状态时罐道中向上防止罐笼快速坠落的支撑点的 位置。 事故状态罐笼侧盘体均布载荷弯矩图与集中载荷弯矩图如图3 1 0 、3 1 1 所 示。 l 叶户叫 1n 女。 妒w ；q 、j ， q l 2 8 j 一q l 2 00 - q l 2 、 斗“ r 。“扩鲁 r w7 q 、， q l 2 ，8 叠 一弘 00一班 ， p一+ ，、 r ， + iq 1 ， 八m im 。门 l 叶卜 jj， oo00 j 、 、， )j j 譬 00 p 昂品 爿 ，1f， 瞪匍 图3 一1 0 事故状态侧盘均布载荷弯矩图图 3 - 1 l 事故状态侧盘集中载荷弯矩图 图中：m 。= 3 q l l 5 2m g = 易f 5 m = 昂( ，5 + ，1 ) 事故状态下的罐笼计算流程与正常状态相同。所用的公式与正常状态下的 公式3 - 1 4 至3 1 9 基本相同，所不相同是公式3 - 1 6 和3 - 1 7 ，即4 p 和8 2 p 。因此 1 8 不在重复介绍。磊p 和嘎p 的计算公式如下： 钆= 趸1 刈q l z i ( l 3 吼私拍一瓦1q 1 二l ( l a 吼私们+ 等( 3 - 2 2 ) = 瓦1q 。1 2 1 ( 、l 3 2 三彳硝) 一瓦1 瞪q l l 卜3 2 彳叫+ f 2 溉 + 2 酉q l h 2 ( 3 - 2 3 ) 3 2 3 下大件状态的罐笼罐体内力计算及杆件计算 罐笼下大件是指通过罐笼运输一些井下作业的大型设备的作业过程，这些 大型设备在重量和尺寸上常常超过普通设备许多倍。而且往往这些大型设备是 按照现有罐笼的尺寸进行设计下。因此现在设计过程中就将下大件的情况考虑 进去，那么罐笼在大型设备就可以顺利的进入井下作业了。 罐笼下大件状态下的载荷是通过均布载荷和集中载荷叠加的计算方法进 行计算的。是将罐体重量转化为均布载荷g ， q ：旦 ( 3 - 2 4 ) g 2 瓦 式中：g 一一罐体重量： 矿车重量和载重简化为集中载荷p ， p ：型墨 ( 3 2 5 ) 4 式中：互一一下大件时的大件设备重量； 瓦一一下大件时的大件设备的载重量；