基于ansys的煤矿巷道乘人装置主驱动绳轮优化设计

基于ansys的煤矿巷道乘人装置主驱动绳轮优化设计

0煤矿乘人装置的重要性煤炭是中国现代工业发展的基本能源。随着工业化进程的深入，对能源需求的需求，尤其是对煤炭的需求，不断增加，煤矿现代化生产工艺也不断发展和完善。矿井辅助运输的机械化是矿井现代化的重要组成部分，因此研究煤矿的乘人装置具有特别重要的意义。本文利用ANSYS软件对巷道乘人装置的主驱动绳轮进行有限元分析，研究它的结构尺寸对应力和变形的影响，确定影响应力分布的主要结构参数，并对主驱动绳轮的结构进行优化设计。1在特殊矿山道路上行驶的矿工中，主要驱动轮的有限分析1.1主驱动绳轮设计按照煤矿特殊巷道乘人装置系统，若使驱动系统运行可靠不打滑，需增大钢丝绳与绳轮之间的摩擦系数μ，主驱动绳轮设计为带尼龙衬垫的单V形槽绳轮，其直径D=1.2m。主驱动绳轮设计图如图1所示。1.2轮壳的简化计算主驱动绳轮结构是轴对称的，而外载荷在实体的上下表面不对称，左右不对称分布，为简化计算，且不影响计算精度，可以把沿着周向呈指数分布的力化为均匀的载荷。故分析时把轮壳作为关于中轴轴对称均布载荷的实体，将其简化为实体的1/2。简化后建立的主驱动绳轮实体模型如图2所示，经过网格划分后有限元模型如图3所示。1.3主驱动绳轮应力分布特点为了简化计算，可以把沿着周向呈指数分布作用在主驱动绳轮上的力化为均匀的载荷，根据实际工作条件计算得出主驱动绳轮轮壳表面所受的外载荷约为2.5MPa。根据有限元分析得出的结果（图略）中可以看出：(1）主驱动绳轮在大部分地方产生的变形比较小，主驱动绳轮的最大变形出现在与转轴接触的圆周附近，其值约为0.0135mm，该处没有内肋的作用。在有内肋的地方，主驱动绳轮的变形明显变小，可见内肋的作用是缩小主驱动绳轮的变形分布范围。(2）主驱动绳轮的大部分地方受到的应力比较小，在主驱动绳轮的内外表面应力相对比较大，这主要是由于这2个部分直接受到外载荷的作用；在主驱动绳轮的其他部位应力分布比较均匀，而且应力很小；最大应力区主要集中在轮轴孔和轮辐边缘。主驱动绳轮中存在应力集中的现象，使局部应力比较大，应力集中主要存在于侧孔圆角处，最大达到10.4MPa。2结构尺寸初步分析主驱动绳轮的应力及变形分布和主驱动绳轮的结构尺寸有很大关系。采用一组相对较好的结构尺寸不仅可以有效地降低主驱动绳轮的应力和变形，还可以很好地提高主驱动绳轮的整体工作性能。由于主驱动绳轮的结构很复杂，结构尺寸有很多。结合前面的静态分析，主要选择一些在主驱动绳轮应力和变形分布较大地方的相关结构尺寸。现初步选取6个结构尺寸进行分析，如图4所示，其中各尺寸参数可见表1。对这些选取的结构尺寸下主驱动绳轮应力和变形分布的影响进行分析，并研究应力和变形随设计参数的变化情况，确定这些结构尺寸对应力和变形的影响程度，找出那些对模型性能影响比较大的参数，以对主驱动绳轮的优化设计提供参考依据。对不同参数改变时主驱动绳轮的应力和变形进行分析的结果见表2～表7。通过不同参数改变时对主驱动绳轮的径向应力与变形影响结果可以看出，以上所选的6个参数在选定的变化范围内对径向变形影响都不明显，而厚度、侧孔圆角、侧孔间距的变化对径向应力的影响最大，径向应力随着厚度与侧孔圆角的增大得到明显的减小，随着侧孔间距的增加而增加。要使主驱动绳轮的应力得到减小的话，最快捷的方式就是选取这3个参数的最佳组合，厚度、侧孔圆角、侧孔间距为主驱动绳轮优化设计的主要设计参数，本文称这种选取主要参数进行优化设计的方法为主参优化。也就是从对应力影响比较灵敏的参数中优化后取最佳的尺寸组合，使所设计的零件应力满足要求。3主驱动绳轮优化前面分析了不同参数变化对主驱动绳轮径向应力的影响，确定了影响主驱动绳轮径向应力分布的3个主要结构参数，即厚度、侧孔圆角、侧孔间距。如何保证模型的应力在不超过一定的额定值的前提下，尽可能地达到质量轻、体积小、形状合理、应力分布较均匀等目标，就需要对主驱动绳轮的结构参数进行优化设计，以得到较好的设计参数值。在此选取厚度、侧孔圆角、侧孔间距作为设计变量，利用ANSYS对主驱动绳轮进行主参优化。以质量最小为优化目标；最大应力不超过8.5MPa为优化的约束条件。最大应力出现在有应力集中的地方，该处容易产生疲劳破坏，所以就需要控制这个地方的最大应力及其分布范围。从静态分析中得出主驱动绳轮的最大应力为10.4MPa，在此进行优化时取许用应力为8.5MPa；选取主驱动绳轮的1/2作为优化模型进行优化设计；收敛精度取5%。从前面分析可知，主驱动绳轮的厚度、侧孔圆角、侧孔间距是影响主驱动绳轮径向应力的最关键因素。可以通过增加厚度、侧孔圆角和减小侧孔间距来使径向应力得以减小。单独抽取影响径向应力的主要参数来完成主驱动绳轮的优化设计。在所设条件下，经过了6次迭代得到了优化结果。优化后主驱动绳轮的应力和变形分布见图5、图6，优化参数值和结果见表8。比较可知优化后主驱动绳轮的最大应力从10.4MPa左右减小到6.16MPa左右。比优化前减少了4.24MPa左右。比较优化前后主驱动绳轮变形分布可以看出，优化后的最大变形约为0.0117mm，比优化前减少了0.0018mm左右。4驱动绳轮的应力和变形在设定的优化条件下优化后的设计参数比优化前相对更加合