（采矿工程专业论文）基于ansys的提升机卷筒安全性研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 摘要， 矿井提升机能否正常运行，在煤矿安全生产中起着至关重要的作用。目 前，我国部分矿井，尤其是老矿井，苏制或仿苏制提升机依然在使用。随着 矿井生产的进行，各矿井苏制或仿苏制提升机卷筒相继进入疲劳期，提升机 卷筒开裂等损坏问题日益严重。故此，急需应用现代设计理论对提升机卷筒 的受力情况进行详尽准确的分析，解决卷筒损坏问题，提高卷筒运转的安全 可靠性。 本文运用a n s y s 软件建立矿井提升机卷筒的三维有限元分析模型，进 行了卷筒结构的静力学分析，分析了卷筒在正常载荷下的应力分布规律及变 形情况，进而找出卷筒结构中易损坏的部位。根据卷简易损坏部位及其特点， 对卷筒进行局部结构改造，分析对比改造前后卷筒应力分布规律及变形情况， 找出合理的结构改造方案。制定合理方案的原理是，根据提升机卷筒的整体 结构特点及应力分布规律，在应力集中部位采取有效的卸载措施，把卸掉的 外载荷转移和分散到附近未出现应力集中的部位，并对局部进行有目的的加 强，以达到整体均化应力的目的，延长卷筒的使用寿命，提高卷筒运转的安 全性。应用有限元软件对卷筒受力情况进行详尽的分析，克服了以往单纯靠 经验的设计状态，减小了常规计算带来的设计误差，提高了设计效率和设计 精度。为解决提升机卷筒的开裂等损坏问题提供理论依据，同时也为设计结 构更加合理的提升机提供参考。 关键词：提升机；卷筒；有限元法；结构改造；安全性 黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t f a c t w h e t h c rt h eh o i s tc a l lw o r kr e g i l l a l l yo ln o t ，b cp l a y i n ga l l 嘶r t a n t l ei n m i n e s a f e t y a tp r e 鸲i no u r 鳓i n t 彤r u s s i 柚- m a d eh o i s t s 饵i m i t a t cr e v w 龉a r c s t i l lu s e db ys o m es h a f i s ，e s p c c i a l l yt h co l ds h a f t s w i mt h em c r c a s e0 fc o a ln e c d s ， m i n eh o i s td r u m s 如t c rw e a r yt i m ec 0 璐咖t i v e l y t h ep r o b l e mo fd r u m 黜k i n g o f 伽u n t 哆i n i n ch o i s t s w mb e w o r s ed a y b y d a y n n c e da p p l y m o d e md 岱i 弘 t h c o r yt o 蛆a i y z et h ef o r c e n d i t i o o fh o i s td r u mt h o r o u g h l y 柚da e c u r a t d y i t 啪s 0 1 v et h ep r o b l e ma n dm c r e a s et h es a f e t yo fd r a m i ta p p l i e sa n s y st ob u i l d3 一df i n i t ce l e m e n tm o d e lo fm i l l eh o i s td r u m , a n d c a l l i c $ o u ts t a t i cf o r o ca n a l y s i s s t r a i nd i s t r i b u t i o nl a w 锄dd c f b r m a 蛀o no fd r u m 明d 盱n o 脚a lc o n d i t i o na r e 弛a l y z c d ，卸dt h 如t h ep a r t st h a ta 他d a m a g e de 勰i l y a 北0 b 舡i i n e d 铀cd r u mi s 亿f 0 皿o da c c o r d i n gt ot h el o c a t i o n 锄dc h a m c t e r i s t i c0 f d a m a g c t h ed i f f e r e n c e sb e 时咖t h ef o r m e r 卸dt h el a t t c fj nt e r m so fs t l - a i n d i s t r i b u t i o nl a wa n dd e f o r m a t i o n 缸ca n a l y d ，a n dt b e nf i n i n gam t i 伽a l s t m e t u r cr e f o r m h c m e t h er a t i o n a l 踮h e m ci sw o r k e do u ta c c o r d i n gt ot h c 吖e r a l l $ m l c t u r cc h a 阳c 把r ! i s t i ca n ds t r a i nd i s 踊b u t j o nl a wo fh o i s td r u m a d o p t i n g 硪e c t i v eu n l o a dm e a s u i e t h cs 打a i nc o n c c n 仃a t el o c a t i o n , t h l ：nt h eu n l a i t c h i n g l o a di sd i s p c r s c dt 0t h en e a r b yl o c a t i o nt h a ts t r a i ni sn o to 叩c c n t r a t c ，柚dt h ep a n i sf o n i 丘c de 珏c c t i v e l y ，t h eo v e r a l ls t r a i n nr e a c ht 0b a i 粕c c ，t h el i f co fd r u m j sp r o l o n g e d i tu s c sf i n i t ee l e m e n t f f w a 埠t 0a n a l y z et 蜘f o r c ec o n d i t i 衄o fh o i s t d n l mt h o r o a g h l ya n da c c u r a t e l y t h i sm e t h o do v e “彻e sp r c v i o u sd e s i g n s h o n c o m i l l 蓼柚dr 酣u c e sd e s i 印e 玎o ra n dr a i s 嚣d e s i 萨商自c i c y 柚da c c u r a c y n 伽p r o v i d et h e o r yb 鹤i sf o rs o l v i n gt h ed a m a g eo fh o i s td r u m 柚dd c s i g n i n g m o 佗r a t i o r i a lh o i s t k e yw o r d s ：h o i s t ；d n l m ：丘i l i t ee l e m e n tm e 恻s ；s t n i d ：i l r er e f o r m ；s e c i l f i t y i i 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技 学院或其它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了谢意。 研究生签名：燃 日 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 研究生签名：麟导师签名：! 查卫弛 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 矿井提升机是沿井筒提升煤炭、矸石、升降人员和设备，下放材料的大 型机械设备。它是矿山井下生产系统和地面工业广场相联接的枢纽，是矿山 运输的咽喉。因此，矿井提升机在矿山生产的全过程中占有极其重要的地位。 其安全可靠性尤为突出，在矿井生产过程中，如果提升设备出了故障，必然 会造成停产轻者影响煤炭产量；重者则会危及人身安全。 1 1 问题的提出 ， 提升机卷筒是矿井提升机的主要承载部件，它的作用是缠绕钢丝绳，承 担全部提升负荷，进行动力传递，完成提升矿石、人员、设备的任务。提升 机卷筒能否安全稳定的运行直接关系到矿井安全生产。 根据有关部门的调查，国内使用期限达十年以上的提升机，就发现有卷 筒开裂等故障，特别是使用期限达几十年的苏制和仿苏制提升机，大部分发 现有卷筒开裂、塌陷、开焊或连接螺钉剪断等损坏现象，直接影响矿井的生 产和经济效益，威胁矿山的安全【堋。我国科研人员和矿山工程技术人员很早 就开始了这一课题的研究，但由于提升机结构及受力情况复杂，特别是苏制 或仿苏制的大型提升机卷筒筋板较多，应力分布更加复杂1 6 , 7 1 ，不能准确的摸 清卷筒应力的分布规律，始终未能找到切实可行的解决办法，不得不一直沿 用哪裂补哪的单纯焊补方法。这种方法的主要缺点是没有顾及到提升机卷筒 结构特有的特点，不能改变卷筒应力分布的不均衡性，同时焊接工艺严重不 合理，因而，焊后再裂和此焊彼裂的现象屡屡发生，成了矿山设备的不治之 症。特别是随着国内能源需求量的增大和矿井生产能力的提高，提升机超载 运行的现象经常出现，导致矿井提升机卷筒开裂现象普遍。矿井提升机属于 超大型设备，价格昂贵，可能会导致使用者无力购买，或者平时生产的旺季 也没有时间更换，或者有些矿井即将报废，购买新机也不合理。所以研究大 型提升机筒壳及支轮修复及结构改造，提高卷筒运行的安全可靠性，特别是 对大型提升机简壳及支轮的受力情况进行科学、准确的分析，已成为研究人 员和技术人员最关心的问题。 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 2 研究现状 国内开展这方面的研究工作始于2 0 世纪8 0 年代，因为我国真正的矿业 发展是从2 0 世纪5 0 年代开始的。到了8 0 年代，苏制或仿苏制提升机已相继 进入疲劳期，卷筒局部出现开裂或开焊，科学工作者才开始重视这一问题的 研究。洛阳矿山机械研究所葛成远作了一些理论研究工作i 酊，另外一些提升 机用户单位也根据自身出现的问题做了一些有益的摸索工作1 9 1 4 j 。 处理大型提升机卷筒开裂损伤问题的一般原则是1 1 】：对于一些负荷较小， 卷筒损伤不严重，今后服务年限较短的大型提升机，主要是通过合理使用和 维护来延长其寿命，使其继续为矿山服务。但对于负荷较大，卷筒损伤比较 严重，今后的服务年限还很长的大型提升机，通过合理维护来延长卷筒的寿 命已很困难，收效也不大，则应当从大处着眼，对卷筒从根本上加以改造， 会收到损失小，收效大的经济效果。 对于卷筒开裂的处理，比较普遍的做法是：只要发现卷筒某个部位出现 裂纹，便对裂纹部位反复焊补、加强。这种方法要求对裂纹进行准确的定位 和分析，并且要求具有较高的焊接工艺。实践证明，这种单纯焊补的方法并 不能有效的控制住裂纹的恶化，并且会加速筒壳及支轮的疲劳损坏。 另一种处理方法是在卷筒裂纹部位采取有效的卸载措施，把裂纹部位卸 掉的外载转移和分散到附近没有出现裂纹的部位，并对没有出现裂纹的部位 进行有目的和有显著效果的加强，这样可以达到均化应力的目的。再采用正 确的焊接工艺l 垌，使应力均化和焊接溶为一体，以更好的解决卷筒损坏问题。 再者，就是采取更换性措施。如更换主轴装置：将筒壳加厚或换装加厚 筒壳；将铸造支轮改造成焊接支轮；将普通木衬改换为塑料衬板1 1 6 l ，目前研 究表明使用聚碳酸脂( 增强) 材料做衬板更为合理【1 7 1 ；取消支环等。 近几年来，也有部分学者将有限元等现代设计方法应用到提升机卷筒及 主轴的应力分析中，以期望设计出结构更加合理的提升机i 肛。 纵观现在的研究，几乎所有的处理方案都出于经验和常规的板壳设计理 论，分析精度低。随着煤炭生产能力的增大，各矿井苏制和仿苏制提升机卷 筒相继进入疲劳期，提升机卷筒开裂的问题将日益严重，急需应用现代设计 理论对提升机的受力情况进行详尽准确的分析，为科学合理的制定提升机卷 筒结构改造方案提供依据。 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 3 研究内容、目的及意义 1 3 1 研究内容 ( 1 ) 应用a n s y s 软件建立提升机卷筒的有限元分析模型，分析卷筒在正 常工作时，主要承力部件的应力分布规律及变形情况。 ( 2 ) 针对卷筒开裂损坏的部位和特点，对卷筒进行局部改造，分析对比改 造前后卷筒应力分布规律及变形情况。 ( 3 ) 采用不同方法对卷筒进行结构改造，找到更加合理的卷筒结构改造方 案。 通过以上的计算分析，得出提升机卷筒各个部分的应力分布规律，并且 有针对性的提出合理的卷筒结构改造方案，为解决提升机卷简的开裂等损坏 问题提供理论依据，进而找到有效的、经济的处理措施，同时也为设计结构 更加合理的提升机提供参考。 1 3 2 研究目的及意义 苏制和仿苏制大型提升机卷筒均属于薄壳厚支的结构，支撑筋板较多， 近年来普遍使用的j k 型或j k m 型提升机卷筒，常采用厚壳薄支，不加支环或 少加支环、不加横筋。无论是哪种结构的提升机，其筒壳和支轮的应力分布 都很复杂，实践表明，不搞清结构内部的应力分布情况，单纯靠经验和模仿 来改变结构或单纯的改变焊接工艺都不能很好的解决卷筒的损坏问题。因此， 应用有限元软件建立卷筒模型，并分析其应力分布情况，进而找到合理有效 的处理措施是非常必要的。 所以本课题针对提升机卷筒的开裂等损坏问题，运用美国a n s y s 公司 研制的大型通用的有限元分析软件，建立提升机卷筒等主要承力部件的有限 元模型，对大型提升机卷筒各个部分受力情况进行分析计算，并对卷筒进行 有针对性的结构改造，克服了以往靠经验和模仿的设计状态，减小简化计算 带来的设计误差，提高设计效率和设计精度。 本课题的研究工作是在黑龙江省研究生创新科研资金资助下开展的一项 应用性研究，项目名称为“大型提升机卷筒与支轮开裂处理技术研究”，编 号为“y j s c x 2 0 0 5 1 7 1 h l j ”。 3 黑龙江科技学院硕士学位论文 1 4 本章小节 本章主要根据目前矿井提升机卷筒出现的问题及其研究现状，提出本课 题的主要研究内容及意义。 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章单绳缠绕式提升机卷筒常规设计与计算 单绳缠绕式提升机是我国矿井主要使用的提升机之一，了解并掌握单绳 缠绕式提升机卷筒的常规设计和计算，可以为设计结构更加合理的提升机奠 定基础，为应用现代设计方法分析提升机的受力情况提供理论依据。 2 1 卷筒的结构。 根据制造工艺的不同，可把提升机的卷筒结构分为铸造焊接混合型 ( 支轮为铸造，卷筒为焊接) 和焊接型例。它们的结构见图2 1 、图2 2 。 图2 1 铸焊混合型卷筒图2 2 焊接型卷筒 1 一支轮( 铸造) ；2 一筒壳；3 一支环；4 一木材1 一支轮( 焊接) ；2 一蕾壳；3 一支环；4 一木村 图2 - 1 所示的支轮为铸钢( 小型提升机也有用铸铁的) ，它用螺钉与筒壳 相连。筒壳可以是整体的，也可以是分瓣的，互相间以螺钉连接。 在图2 - 2 中，其卷筒与支轮全部为焊接结构，在筒壳内还有圆环形的加 强筋( 称为支环) ，在支轮与筒壳连接处和轮辐上都加有刚性较大的加强筋板。 从侧面来看，这些卷筒的支轮大多呈辐条形或在整板上开有较大的孔。 当支轮的变形与筒壳的变形相比可以忽略时，称它为刚性支轮，图2 - 1 和图2 2 所示均为刚性支轮。如支轮的变形与筒壳变形相比不可忽略时，称 它为弹性支轮。它的特点是筒壳与支轮的应力分布较均匀。 经验表明，图2 一l 和图2 - 2 所示的结构在制造工艺上较复杂，而且往往 容易出现早期失效。因此，现代大中型提升机卷筒常采用图2 - 3 和图2 4 所示 的卷筒结构，它们的支轮是弹性的。 5 阑匝黼 黑龙江科技学院硕士学位论文 图2 4 圆板结构弹性支轮 1 一轮毂；2 一哑板支轮；卜篱壳；4 一木村 这两种结构的共同特点是取消了支环，用较厚的筒壳来承担载荷，并且 支轮改为辐板式( 即在支轮上开有两个人孔) 或圆环式。这样做工艺上较简单， 同时也可以避免由于焊接工艺不当造成加强筋附近的局部应力过高。实践表 明，这种改进是成功的。 卷筒外一般设有木衬，并在其上车出绳槽，目的是减少钢绳与筒壳直接 接触而造成的磨损，并使钢绳排列整齐。但木衬使用寿命不长，更换费时、 费料，故也有不设木衬而直接在筒壳上车出绳槽的，但需要增加筒壳厚度( 一 般约需增加1 3 ) ，从而也增加了机重。 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 2 卷筒的失效形式及原因 2 2 1 卷筒的失效形式 卷筒的失效形式是多种多样的，归纳为以下几类2 1 - 2 5 1 ： ( 1 ) 卷筒的各部位出现裂纹。裂纹常出现在筒壳、支轮和支环上。筒壳上 的裂纹多出现于圆周方向，并沿着圆周方向逐渐扩展，扩展的速度与负荷情 况和提升循环次数有关；支轮的裂纹多出现于人孔周边，呈放射状；支环的 裂纹多出现于焊缝处，支环断裂。 ( 2 ) 卷筒局部变形过大。多数是筒壳出现塌陷、焊接修补变形，此种情况 多出现于薄壳厚支结构的卷筒上，如苏制b m 型、仿苏制k j 型和j k a 型。 ( 3 ) 连接螺栓断裂。 2 2 2 卷筒失效的原因 造成卷筒失效的原因是复杂的，需要具体分析，一般来说有以下几种原 因： ( 1 ) 结构设计不合理。筒壳过薄，筒壳合口处实际间隙较大，连接处的刚 度较弱，变形较大，而使筒壳损坏；所加支轮和支环结构不合理，使卷筒结 构不连续，局部刚度过大，产生应力集中，致使筒壳及支轮产生开裂、开焊 现象 2 6 , 2 7 1 。 ( 2 ) 设计计算不合理。卷筒筒壳的许用压缩应力是按照静强度观点来确定 的，这与筒壳的实际应力状态是不相符的，各规格的筒壳压缩应力在钢绳缠 绕工况下，均超出规定的许用应力；筒壳的强度计算基于铁摩辛柯的弹性基 础梁的板壳理论，导致计算时假设、简化过多，无法反映实际应力状态1 2 剐。 ( 3 ) 使用维护不合理。由于生产规模扩大或井筒延伸，致使提升机长期超 负荷运转或加速度过大，或频繁的安全制动、过卷、卡罐、矿车掉道及拉断 钢丝绳等非常载荷的作用，造成卷筒的损坏；有些卷筒超过寿命期运转，致 使卷筒损坏【硎。 ( 4 ) 加工、装配和安装质量上的缺陷。如局部间隙过大；安装时螺栓联结 过松；筒壳圆度较差等【删。 ( 5 ) 材料强度较低或材料缺陷。如筒壳的材料使用普通碳素结构钢板 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 ( 0 2 3 5 ) ，强度较低；或材料存在内部缺陷【3 1 捌。 ( 6 ) 未装或不及时更换木衬。木衬对筒壳有明显的保护作用，理论证明，有 无木衬时，筒壳的弯曲应力有下列关系【2 1 】： 旦!( 2 1 ) 【1 + 0 0 5 孕) p n o 式中 0 1 有木村时筒壳的弯曲应力( m p a ) ： 仃o 无木衬时筒壳的弯曲应力( m p a ) ； | | i ，木衬的厚度( 姗) ： | i l o 筒壳的厚度佃m ) 。 由此可知，当l i l 。所。增加时。历仉急剧减小。因此，木衬对筒壳的保护 作用是非常明显的。通常可降低简壳的压缩应力1 0 - - 2 0 ，只有在木衬与 筒壳、木衬与木衬之间均匀严密接触时才能很好地发挥作用，木衬厚度过薄 或不安装木衬及木衬安装不合理都会使筒壳过早损坏。 2 3 提升机卷筒的外载荷 以下各力作用在卷筒筒壳上： ( 1 ) 尚未缠到卷筒上的钢丝绳弦拉力，它使卷筒筒壳整体弯曲和扭转。 ( 2 ) 已缠到卷筒上的钢丝绳圈对筒壳产生的径向压缩力。 ( 3 ) 闸压作用力以及制动摩擦热造成的热胀力。 ( 4 ) 缠在卷筒上的钢丝绳及卷简本身的重力，以及主轴挠曲使筒壳产生的 附加力。 ( 5 ) 卷筒旋转产生的离心力等。 因卷简直径大，卷筒的截面惯性矩也很大，由第一项荷载引起的简壳应 力很小；而第3 、4 、5 项的影响也可忽略；只是第二项具有重要意义，缠绕 绳圈对筒壳的压缩力使筒壳产生径向压缩，并引起很高的压缩应力，一般达 1 0 0m p a 以上或更大。因此，在分析筒壳应力时，仅将己缠蓟卷筒上的钢丝 绳对筒壳的径向压缩力作为筒壳的外载荷。 为使问题简化，根据实际情况对卷筒筒壳做如下假设嗍： ( 1 ) 封闭良好的圆柱壳，材料各向同性； 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 ( 2 ) 将缠在卷筒上的螺旋绳圈近似看作圆环形绳圈，因为缠绕螺距与卷筒 直径相比甚小： ( 3 ) 各绳环中钢丝绳张力相同，且为常数； ( 4 ) 由于提升的动载荷( 正常提升) 所占的比重较小，且在变速阶段只在卷 筒上缠有少数几圈，计算时取钢丝绳最大静张力作为计算载荷。 在筒壳上沿卷筒轴线截取单元宽度为i c m 的- 4 , 条来分析，如图2 5 所 示，该小条截取条件为j 轴与卷筒轴线平行，且过0 点；y 轴过0 点并指向 卷筒轴心线。在其上做坐标系并称此小条为单元梁，以0 t 为原点，0 0 为半 径所画的圆称为中性圆弧线。因为是轴对称问题，所以采用柱坐标系。 d 一 式中 所以 p 123 蚪 v s j 嘭铆嘭f 钎、；髟劫鼢勿 歹 y l 一 ， 、= 二二二 图2 5 钢绳对筒壳的压力图2 6 缠绕时的倚壳挠度 单元梁上作用有均布载荷，载荷集度为q ： d f ，- 2 p s i n d 2 0 - 2 p 警- p d 口 ( 2 2 ) 其在筒壳上的作用面积为： r d o x + s ) 一r t d o ( 2 3 ) r 卷筒半径( r a i n ) ； d 钢丝绳直径( r a m ) ； 相邻绳圈间隙( m m ) ； s 钢丝绳在卷筒上缠绕时的螺线螺距( m m ) t - d + - s 。 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 2 4 钢丝绳拉力降低系数 pdopq 。三 ，一4 ) r t d o r t 。吾t x 刨 钢丝绳拉力降低系数是指已缠到卷衙上的绳嘲受后来缠到卷伺上的绳豳 的作用，使该处卷筒直径缩小，从而使得原绳圈的弹性变形减小，导致先缠 到卷简上的绳的拉力由p 降到c p ，c 为钢丝绳拉力降低系数【3 3 1 。 ( 1 ) 单层缠绕时钢绳的拉力降低系数 如图2 - 6 所示，由单元梁变形方程的通解可得第2 圈绳在1 处所产生的 挠度为 。 、 y ，l 妒( p x o 。，_ 丝 ( 2 5 ) 凡。赤妒。南。茜 2 巧 缠上第2 圈后，只要在1 8 3 鬲以内的所有圈数均会对第一圈所位于 的筒壳挠度产生影响。 如果设从第二圈到第一圈在1 处所产生的总的附加挠度为a y 。，则此时 绳圈中的应变为 兰尘二! ! 二垒! 壶二兰旦竺二兰2 1 一丝。一! 垒丛 2 p ( r y )r y l r 由胡克定律可知，钢绳中拉力降低值为 垒丛e “， ( 2 6 ) 式中 豇钢绳纵向弹性模量( m p a ) ； a s 钢绳断面钢丝面积总和( m i l l2 ) 。 由钢绳拉力降低系数的定义有c p 。p 一垒丛叫。，所以 c - 1 - - 警e s 彳s ( 2 7 ) 肝a y t - 嚣享眠卅入越7 得 1 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 即c c 小竺巫c p ：r 至n ：型 ( 2 。) p r - 1 cj!一 崩兹謦毒纸， 在支轮附近，钢绳拉力降低系数可近似的取 1 + c c z 。_ ( 2 9 ) 设计中也可采用c 蕊1或c i 志- 忑1 ( 2 1 0 ) e 挪 a - ( 2 ) 多层缠绕时钢绳的拉力降低系数 图2 7 下层钢绳受压变形 多层缠绕时，由于缠绕层数的增加，筒壳的载荷也增大了。在缠绕一层 时，筒壳自由段的载荷集度为c 叠，由于多层缠绕时，后来的缠绕层会使筒壳 产生附加变形，从而使先缠上的那些层，钢丝绳拉力降低，如图2 7 所示。 用c c 田表示多层缠绕时自由段的外载荷集度，g 表示在一层缠绕时的缠绕 系数。 求c 的方法很多，目前一般认为多层缠绕时，钢丝绳拉力降低的原因有 两个：一是筒壳的附加变形；二是由于下层钢丝绳被压扁而造成绳( 中心直径 掣 黑龙江科技学院硕士学位论文 减少) 变形的减少。 现以两层缠绕的工况为例进行分析， y ，为缠满第一层钢丝绳时筒壳的 径向变形( 衄) ；y ，为缠满第二层时筒壳的径向变形( m m ) ；a d s 为第一层钢 丝绳直径被第二层压扁后的减少值( m i l l ) ；a y ，：为缠满两层后，第一层钢丝 绳的附加径向变形( 蛐) ；e 。为钢丝绳的横向弹性模量( m p a ) ；p 为钢丝绳 缠入卷筒时的拉力( n ) ；尸k 为缠完二层后第一层钢丝绳的拉力( n ) 。 a y l , 2y 2 - y l + 竽 ( 2 1 1 ) a d s 第一层钢绳应变减少值为：g l 2 ：垒y 2 - y + r 互2 ( 2 1 2 ) 根据胡克定律第一层钢绳拉力的减少值为： ， 酬溉2 。( y ：啊+ 争竽9 。p 一 ： ( 2 1 3 ) 设缠满两层时，第二层钢绳的拉力为c p ，则 y ，2 e 。一气筹争e 。= 百c p 把( ) ，：_ ) ，。+ 争墨芋- c p p n 与y ，2 e 6 f - p i ：+ c p 相加得 眙) ，。+ 争融+ y 膨t 2 c 一 ( 2 1 4 ) 将船。旦! 代入式2 1 4 ，并各项同除以蹦。得 r y ，一y ，+ 一c p + y ，竺2 c - p r ( 2 1 5 ) y 2 一) ，l + 瓦+ _ ) ，2 面。瓦f 伯 把含c p 项的移到右边，并引入符号九一主篓 和町一万e s a i s ，故有 舻笔。并把p t 百e 6 t y ，代入式2 1 5 得 ( 1 ) y ：- ( 去一丽i - j 百c s t e _ ) ，。氓小1 ( 2 - o - 勋) + 1 】y 。 黑龙江科技学院硕士学位论文 即妾y - 警 ( 2 1 6 ) l a 1 + l 同理可求出 c ，t 踹筹竽 ( 1 + ，7 ) ( 1 + 2 q ) ( 2 2 1 + 1 ) + ( 1 + 2 , 1 ) ( a 1 + c 2 ) + a 1 + c 3 “。百i 而历甄i 再f 丽百一 缠绕系数也可以用下列较为近似的公式计算： c 。一辜志 a - i t g 的估算值大约c 6 1 - 0 8 0 9 ，c 2 。1 6 1 7 ，c 3 - 2 3 2 4 ，c 4 2 6 2 7 ； 软芯钢绳：e s 一( 6 1 酽+ 1 0 0 c r ) m p a ， 式中，o r 为钢丝绳的拉应力，在o r - 2 5 0 m p a 3 5 0 m p a 时， 一般软芯：e s 。9 x 1 0 * m p a ，b - 2 2 5 2 7 5 m p a ； 金属芯：风一l l x l 0 勺v i p a ，而一4 5 5 5 m p a 。 筒壳自由段的外载荷集度为：c 嘶2 ) 。 2 5 卷筒的强度计算理论 2 5 1 筒壳的强度计算理论 2 5 1 1 单元梁的应力分析和强度校核计算公式 如图2 - 8 所示，单元梁上所受的力总的可看作一 在支轮( 支环) 处对单元粱的一个集中载荷和一个力偶。对支环来讲只认为其 作用于单元梁的是一个向上的集中力。一般来讲，支轮处对单元梁的作用是 一个集中力和一个力偶，绞接( 视为) 时，认为支轮处力偶为零。 己知集中力的影响区为1 8 列曲，非影响区的筒壳段可视为只受均布载 荷口的无限长梁。故在自由段内，单元梁只受周向压缩应力：伪一g c o + 。 在刚性支轮处，x 一0 ，单元梁只受弯曲应力，其压缩应力为0 ( 因为 y 一0 ) 。在影响区内，如图2 - 9 所示单元粱截面上，x 方向有弯曲应力。， 在截面内有剪应力f ，在砂平面内作用有周向压缩应力盯。 黑龙江科技学院硕士学位论文 由前可知：仃。f 兰，只和该处的挠度有关，是均布的。 由材料力学可知，弯曲应力口，是在上、下两处，即y t 害处的，最大 o 弋。 o q 1 图2 8 单元粱受力图图2 9 单元体应力分析 剪应力f 是沿截面( 由上而下) 成抛物线分布的，其大小分布如图2 1 0 所 示。 在y - 要处，由于f 一0 ，所以只有以和盯，且为主应力。又因为j 。在 这总是压应力为负值，而盯，不管在y - 詈或y 一一言总有_ 个正值，故盯，为 最大主应力，盯。为最小主应力。 此时因口，= 0 ，故可近似的视为平面应力状态，即盯，一口，如图2 一1 1 所示。 o 圭o 。 兰臣三叠e l y 。i 一一 l 一一一盯，一 图2 1 0 截面上各种应力的分布 盯2 圭盯d 图2 1 1 双向应力状态 对平面应力状态，由弹塑性力学可知 昱(”般)。三o，讹。)1 仃。_ g - - - - 7 8 。+ 弘5 。j 。了= 了u 。+ p 5 8 j 仃：。e(：+p，)：_l了(，+g；)1 仃2 。_ # m - 7 垤。+ p 8 。j 。i 7 u 8 + 8 j 另有 1 4 ( 2 1 7 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 ，上丝 pe j ： 1m pe jz 酽半警， 一手 代入式2 1 7 m ，肛y 以z 一再7- ，：1 一r 故 一一鲁，+ 掣詈一鲁帅，+ 南号 - a w ( 1 - p ) + 盯口一盯甲( 1 一p ) + 盯f 1 4 - “ 在某一个截面上，工一0 时，其非自由段认为 a x - - a z 。d y ( 1 。p ) + 盯口 ( 2 1 8 ) 所以，对单元梁的强度校核，- t g 就是对筒壳强度核算，按第三强度理论 盯。一口，盯，一盯：，盯。+ 盯，d 一) 量 盯 在单元梁上处处成立。即 。 m a x a 。+ 盯，( 1 一p ) s 盯】 其中 譬2 譬7 6 m e 詈 其中 i 。予了e 詈 所以，筒壳的强度校核就归为求y 、m ，然后寻找m 娃 盯。+ 叮一( 1 一弘) 。在 工一。处的强度校核仃，p 即可。 2 5 1 2 自由筒壳段的周向压缩应力 手- 挈= c c , f f 粤肛- q , - c c 参c 乜詈一c 巳瓦p ( 2 - 1 9 ) rr kf k l o 6m 、 r 2 对单层缠绕可用以下公式计算，多层缠绕则把下面的c 再乘上c 即可。 c 鲁一c 詈一c 昙c 饥。引盯 ( 2 i2 0 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 咖- 暑- 予- 鲁圳s 寿 2 5 1 3 刚性支轮筒壳的强度计算 目前4 m 以上提升机的焊接卷筒及铸造支轮，当工，0 9 , a 时，可视为 刚性支撑，其力学模型可归结为一端固接的半无限长弹性基础梁，受均布载 荷q 的作用，如图2 - 1 2 所示。 麓o f 0 可得 。 y c 。a 1 一烈卢x ) 】 m - 2 , 8 2 k 一争( 肛) - - 器妒( 肛) 。 k 二6 一 在支轻哟近，单层绳c ；- t i + c ，多层绳c 。一兰型 鱼，其中甩为绳缠 在卷筒上的层数。所以可得 矿e 詈吧挈1 刊艄】吧蛳 1 吲纠】 ( 2 2 1 ) 警。擎郴舭2 挚c 。纠 - 6 孚c 扣加6 - s 厩手c 洲q 纠 一1 8 2 c ：口口砂( 肛r ) 1 6 c ：孚l f ，( 芦工) 七 ( 2 2 2 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 查表可知 2 0 1 ，在z - 0 处，有最大值，口审。t 1 8 2 c ：盯“。故用工- o 处 的最大弯曲应力作为筒壳强度校核依据。 此时筒壳强度计算的公式为0 - 0 ，c - 1 c 。- n ) 对单层缠绕1 8 2 0 口os 【盯1 ( 2 2 3 ) 对多层缠绕 1 8 2 0 , a 叮p o 引口j 2 5 1 4 绞支支轮筒壳的强度计算 当铸造支轮l 。t 0 9 声时，卷筒的支轮可视为绞支，其力学模型可归为 一端绞支的半无限长弹性基础粱，如图2 一1 3 所示。 0 图2 1 3 绞支轮筒壳强度计算 由前可知 一 y 一譬 1 叫例 膨2 芦疋詈；( 肛) - c ：刍邵z )z a 故有 矿e y ，吧鲁即) 】吧嘶岫( 脚】 口- 了6 m 一1 2 6 7 ：2 k a q | x ) - 1 8 2 c 一瘩( 声并) 查表可知刎工- 三时，o ( p x ) 与考( 芦x ) 有不为零的相应值；在芦x 。罢 时，o ( ，x ) - 0 。分别验算此两处的( 1 一b + 盯。值。 在卢z t 詈时，一( 触) 一言( 卢x ) # o 3 2 2 4 ，则有 1 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 0 一卢) 盯r + 盯f 一( 1 - 0 3 ) x 1 8 2 c ：口x o 3 2 2 4 + c ；盯8 0 ( 1 0 3 2 2 4 ) 一0 4 1 c ：o r p o + 0 6 7 7 6 c , a - 1 0 9 c ：盯 在触p 一处 ( 1 - o a r + 盯日一( 1 - o 3 ) x 1 8 2 c ：盯口o x o 2 0 7 9 + c ：c r o o 一1 2 7 c ：o r 口0 采用求极值的办法可精确地求出口x 的值 ( 1 - u ) a w + 1 7 口- 0 7 x 1 8 2 c ：d p 瘩( 声x ) + c ：盯口0 1 1 日( 芦z ) 】 ，9 口n - 1 2 7 4 c i 7 口a 亭( j 缸) + c ，o p o 【1 8 ( 卢x ) 】 、厶o ， 把式2 2 4 对x 求导，并令其为零，得 1 2 7 4 c ：o r 口护妒伊功+ c ；盯口猡j 尹( 芦j ) - 0 1 2 7 4 妒( 芦了) + 妒( 卢工) 一0 1 2 7 4 e m s p x s i n # x ) + e 。# x ( c o s x + s i n 心- 0 2 2 7 4 c o sf i x 一0 2 7 4 s i nf i x t a n m 坐。8 3 触- 8 3 1 3 。- 0 4 6 2 p 在触一0 4 6 2 p 处： 0 一弘) 1 7 w + 盯e _ 0 7 x 1 8 2 c ，a p o x e o 撕抽s i n 0 4 6 2 , x + c , a o 矗l e - 。埘a c o s 0 4 6 2 j r 一1 2 7 4 c ：口9 0 x o 2 3 2 6 + c ：盯口o x o 9 7 2 1 1 2 7 c ：盯f o 所以，在绞支时筒壳的危险点出现在约触一p ( o 4 6 2 p ) 2 处。 筒壳强度的校核计算公式为： 对单层缠绕： 1 2 7 c ：仃，n s 仃 ( 2 2 5 ) 对多层缠绕：， 1 2 7 c “盯- c t r 】 2 5 1 5 弹性支轮简壳的强度计算 弹性支轮与筒壳的连接其结构可分为支轮距卷筒边缘大于1 8 3 q r r 否和小 于1 8 3 万两类。在支轮距卷筒边缘大于1 8 3 万时，其力学模型和支轮距离 1 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 边缘距离小于1 8 3 万的力学模型不一样。在此只介绍大于1 8 3 万的情况。 如图2 - 1 4 所示，其力学模型可以归结为无限长弹性基础梁在从中点起的 半无限长梁受均布载荷口，并在申点与矩形截面的圆板( 环) 相连接。m 。是筒 壳与支轮间相互作用的弯矩。 m o 个 礁 8 图2 1 4 弹性支轮( 1 a 1 8 钌r d ) 筒壳强度计算 首先，计算由j i f o 在d 点作用时所产生的y 。此时力偶m 。可看作两个 大小相等、方向相反，距离为p 的集中力p 作用的叠加。故 y 矿等【妒( 触) 一邢。删】 ， 。兰型陋盟：咝生三! 四 | 2 2 6 2 k 【 。 j 对c 取极限 。警她型掣幽i 警 掣卜华础州z z z ， 在工- 0 附近的单元梁的挠度y 由m o 、q 。及鼋分别单独作用，其代数 和为： m 。饥一伽譬陆1 ，卜譬一警触，z s ， 对r 。处固接的圆环来讲， 胪筹c 印尝 1 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 有 艿一妾- 警绺，+ 争一华3 m 毗暴吨竿亭h 。华3 妒( 件七。挚俐4 z #七七 一第 ( 纠一万q r 妒( 纠一警口( 触) 一 由变形协调条件：在工一0 处简壳的挠度和转角与支轮相等( r - 盔) ，故 外一盟2 k f l 放q _ 吧卺 所以 口i 。o 盟一3 m o m o r 1 2 k k e 1 6 警喙尝+ 参，令而- ；，则有 卵譬2 k。币c _ z q e a o _ 一2 c 声+ # a o 眨。， 。堡。垄笪2 c z a e 警+ 卢2 胁嚣) 腿m t 异- m + 崇，得 肿等确1 ( 2 3 0 ) 把q 。与膨。代入y ：m 得 y 4 譬【，一i 1p ( 纠卜譬础小警口舻( 艄( 2 3 1 ) 卺星 c c i z 一 墼孔 一 塑放 由 黑龙江科技学院硕士学位论文 灿孑 似) - 皆妒( 纠一皆8 由此可得 因为 。一。e 詈。鲁乜1 一j 1 占( 雕卜口店( ，功一口舻( 触) 】 l c 一1 一三口( 艇) 一口菇一口舻) 】 警。器艄圳似h 舷) 】 一a 居。警卜1 亭c 肛，口c 纠+ 口舻】 _ 1 8 2 c 西。 一三；? + a ( 触) + 口舻( 纠】 1 7 k , f 1 2 f 1 2 6 2 。v i 了。三。ll。一e(232)qi 6 2 z o - ) 61 1 狮一_ 2 ) r k 舯；- 熹一詈故 帅沾w + g s c z o e o1 1 - o 5 0 ( p x ) ：嬲孝肛卜n 吲脚+ 】 - c d ，一。1 - a 一( f l x ) + 1 2 7 a 砂芦工+ 日芦工o 2 7 吐一。$ 】 对x 求导，并令其为零。 2 p a z ( a x ) 一2 5 4 # a o o ( , s x ) 一j 6 审( 芦k x l 2 7 a - 0 5 ) 一声缈( 芦x x a _ ，+ 0 6 4 ) = 0 2 a a s i n # x 一2 5 4 a 口c o s f i x - 0 2 7 a 一0 5 ) ( c o s f i x + s i n 卢工) 一( a + 0 6 4 x c o s 芦x s i n 芦曲一0 ( 2 a 8 - 1 2 7 a + o 5 + 口+ o 6 4 ) s i n 芦x ( 2 5 4 a 口+ 1 2 7 a - 0 5 + a 埘+ 0 6 4 ) c o s p x 2 t 黑龙江科技学院硕士学位论文 tan占石。254ae+227am+014 孙d 一0 2 7 a u + 0 1 4 实际上口。j 0 ，所以 t a n 服三：堕 2 a d + 1 若口。一o 2 ，t a n 触- 西0 5 ，砖- 2 0 - o 1 1 p - o 3 4 5 ，即有 工0 1 1 p x r _ _ _ 盟。0 2 7 , 万。o 2 7 , t 涵6 4 7 a n 1 2 8 5 该点距离工一0 点很近。为方便起见，以kt0 点作为此时筒壳强度校核 依据，即 ( 1 - 1 ) a 矿+ c r p - c , a 【o 5 + 1 2 7 a j r + o 2 7 a 口】 ( 2 3 3 ) 故此时筒壳强度校核计算的公式如下： 单层缠绕 c 。d a o ( o 5 + 1 2 7 a + d 2 7 a 日) 主【盯 多层缠绕 ，c = a 。( o 5 + 1 。2 7 a | f + 0 2 7 a 。) 盯 对于圊板c 。笔革喜誉湍 圆环 c 一1 。 圆板 圆砭 圆板 圆环 胪簦 而巧2 + 丽面9 2 ，h 3 1 r 1 厶西m i a o = 纽1 - r 6 译 a o ；像1 一胄2 ) 黑龙江科技学院硕士学位论文 l 锄。磊2 ( 1 再 + 薷) 2 5 2 支轮的强度计算理论 支轮的强度计算包括两部分：轮缘与轮辐。铸造支轮和强支焊接支轮， 轮缘的强度一般可不进行强度校核计算；圆环支轮作为轮缘要进行强度计算； 圆板支轮的强度计算则直接引用薄板的计算公式进行。 支轮在工作时承受下列载荷： ( 1 ) 结构