基于ansys的煤礦巷道乘人裝置主驅動繩輪優化設計

0煤礦乘人裝置的重要性煤炭是中國現代工業發展的基本能源。隨著工業化進程的深入，對能源需求的需求，尤其是對煤炭的需求，不斷增加，煤礦現代化生產工藝也不斷發展和完善。礦井輔助運輸的機械化是礦井現代化的重要組成部分，因此研究煤礦的乘人裝置具有特別重要的意義。本文利用ANSYS軟件對巷道乘人裝置的主驅動繩輪進行有限元分析，研究它的結構尺寸對應力和變形的影響，確定影響應力分布的主要結構參數，并對主驅動繩輪的結構進行優化設計。1在特殊礦山道路上行駛的礦工中，主要驅動輪的有限分析1.1主驅動繩輪設計按照煤礦特殊巷道乘人裝置系統，若使驅動系統運行可靠不打滑，需增大鋼絲繩與繩輪之間的摩擦系數μ，主驅動繩輪設計為帶尼龍襯墊的單V形槽繩輪，其直徑D=1.2m。主驅動繩輪設計圖如圖1所示。1.2輪殼的簡化計算主驅動繩輪結構是軸對稱的，而外載荷在實體的上下表面不對稱，左右不對稱分布，為簡化計算，且不影響計算精度，可以把沿著周向呈指數分布的力化為均勻的載荷。故分析時把輪殼作為關于中軸軸對稱均布載荷的實體，將其簡化為實體的1/2。簡化后建立的主驅動繩輪實體模型如圖2所示，經過網格劃分后有限元模型如圖3所示。1.3主驅動繩輪應力分布特點為了簡化計算，可以把沿著周向呈指數分布作用在主驅動繩輪上的力化為均勻的載荷，根據實際工作條件計算得出主驅動繩輪輪殼表面所受的外載荷約為2.5MPa。根據有限元分析得出的結果（圖略）中可以看出：(1）主驅動繩輪在大部分地方產生的變形比較小，主驅動繩輪的最大變形出現在與轉軸接觸的圓周附近，其值約為0.0135mm，該處沒有內肋的作用。在有內肋的地方，主驅動繩輪的變形明顯變小，可見內肋的作用是縮小主驅動繩輪的變形分布范圍。(2）主驅動繩輪的大部分地方受到的應力比較小，在主驅動繩輪的內外表面應力相對比較大，這主要是由于這2個部分直接受到外載荷的作用；在主驅動繩輪的其他部位應力分布比較均勻，而且應力很小；最大應力區主要集中在輪軸孔和輪輻邊緣。主驅動繩輪中存在應力集中的現象，使局部應力比較大，應力集中主要存在于側孔圓角處，最大達到10.4MPa。2結構尺寸初步分析主驅動繩輪的應力及變形分布和主驅動繩輪的結構尺寸有很大關系。采用一組相對較好的結構尺寸不僅可以有效地降低主驅動繩輪的應力和變形，還可以很好地提高主驅動繩輪的整體工作性能。由于主驅動繩輪的結構很復雜，結構尺寸有很多。結合前面的靜態分析，主要選擇一些在主驅動繩輪應力和變形分布較大地方的相關結構尺寸。現初步選取6個結構尺寸進行分析，如圖4所示，其中各尺寸參數可見表1。對這些選取的結構尺寸下主驅動繩輪應力和變形分布的影響進行分析，并研究應力和變形隨設計參數的變化情況，確定這些結構尺寸對應力和變形的影響程度，找出那些對模型性能影響比較大的參數，以對主驅動繩輪的優化設計提供參考依據。對不同參數改變時主驅動繩輪的應力和變形進行分析的結果見表2～表7。通過不同參數改變時對主驅動繩輪的徑向應力與變形影響結果可以看出，以上所選的6個參數在選定的變化范圍內對徑向變形影響都不明顯，而厚度、側孔圓角、側孔間距的變化對徑向應力的影響最大，徑向應力隨著厚度與側孔圓角的增大得到明顯的減小，隨著側孔間距的增加而增加。要使主驅動繩輪的應力得到減小的話，最快捷的方式就是選取這3個參數的最佳組合，厚度、側孔圓角、側孔間距為主驅動繩輪優化設計的主要設計參數，本文稱這種選取主要參數進行優化設計的方法為主參優化。也就是從對應力影響比較靈敏的參數中優化后取最佳的尺寸組合，使所設計的零件應力滿足要求。3主驅動繩輪優化前面分析了不同參數變化對主驅動繩輪徑向應力的影響，確定了影響主驅動繩輪徑向應力分布的3個主要結構參數，即厚度、側孔圓角、側孔間距。如何保證模型的應力在不超過一定的額定值的前提下，盡可能地達到質量輕、體積小、形狀合理、應力分布較均勻等目標，就需要對主驅動繩輪的結構參數進行優化設計，以得到較好的設計參數值。在此選取厚度、側孔圓角、側孔間距作為設計變量，利用ANSYS對主驅動繩輪進行主參優化。以質量最小為優化目標；最大應力不超過8.5MPa為優化的約束條件。最大應力出現在有應力集中的地方，該處容易產生疲勞破壞，所以就需要控制這個地方的最大應力及其分布范圍。從靜態分析中得出主驅動繩輪的最大應力為10.4MPa，在此進行優化時取許用應力為8.5MPa；選取主驅動繩輪的1/2作為優化模型進行優化設計；收斂精度取5%。從前面分析可知，主驅動繩輪的厚度、側孔圓角、側孔間距是影響主驅動繩輪徑向應力的最關鍵因素。可以通過增加厚度、側孔圓角和減小側孔間距來使徑向應力得以減小。單獨抽取影響徑向應力的主要參數來完成主驅動繩輪的優化設計。在所設條件下，經過了6次迭代得到了優化結果。優化后主驅動繩輪的應力和變形分布見圖5、圖6，優化參數值和結果見表8。比較可知優化后主驅動繩輪的最大應力從10.4MPa左右減小到6.16MPa左右。比優化前減少了4.24MPa左右。比較優化前后主驅動繩輪變形分布可以看出，優化后的最大變形約為0.0117mm，比優化前減少了0.0018mm左右。4驅動繩輪的應力和變形在設定的優化條件下優化后的設計參數比優化前相對更加合