大型矿井提升机卷筒装置研究

摘要

近年来随着我国浅表资源的日益开采殆尽，促使地下矿产资源的开采不断向深层扩展，导致深部资源开采所需装备研发越来越迫切，而深部资源开采设备研发其中最主要趋势为大型化，主要目标之一是通过提高提升容量以及提升深度来提高开采效率。我国矿产资源的开采主要靠井工提升，而作为井工提升最为关键设备的大型矿井提升机其运行时承载大、整体结构复杂、设计缺乏成熟的经验,特别是作为核心部件的提升机卷筒装置，在实际工作中常出现因应力集中而导致卷筒筒壳，人孔周边等部位开裂以及在交变载荷作用下易引起自激、强迫振动等问题，影响设备正常使用，因此，运用现代设计与分析方法对其进行结构性能分析研究以及优化设计，提高大型矿井提升机卷筒装置性能与可靠性具有重要意义。本文以某公司研发的2JK/A-5型大型矿井提升机为研究对象，研究分析其典型多工况下实际运行状况，确认其薄弱环节；针对人孔周边因应力集中发生疲劳失效导致裂纹产生的问题进行综合优化设计；对卷筒装置固有频率以及紧急制动特殊工况等动态特性进行分析研究，确保提升机安全运行。
　　本研究主要内容包括：⑴根据提升机相关几何参数，在SolidWorks中建立其三维模型，利用Workbench数值模拟分析提升机主轴装置在一个工作周期内多个典型工况下的应力应变情况，根据分析结果确认薄弱环节，校核其关键部件卷筒以及主轴的刚度和强度，并通过测试实验验证仿真分析的可靠性。⑵综合应用控制变量法、拓扑优化以及多目标驱动优化设计理论，以降低卷筒装置幅板人孔周边应力集中，避免发生疲劳失效导致裂纹产生为目标，对比分析优化得出幅板最优人孔形状、开孔大小以及开孔位置。⑶运用HyperWorks软件中的OptiStruct模块，对卷筒装置进行模态分析，分析研究其前六阶振型，采用拓扑优化技术提高卷筒装置基频，预防共振等不良工况的发生。⑷利用ANSYSWorkBench瞬态动力学模块对紧急制动工况下的提升机卷筒装置动态特性进行分析研究，获得其制动响应时间段里任意时间节点的提升机整体以及卷筒等关键部件的应力云图，并根据第四强度理论校核其强度属性，确保整个提升机卷筒装置在紧急制动的特殊工况下也能安全运行。⑸通过对2JK/A-5型大型矿井提升机整体以及卷筒装置静动力学结合的结构分析以及优化，取得了一些具有指导意义的研究成果，为企业设计部门校核提升机整体结构设计可靠性以及解决人孔开裂问题提供了可行参考，同时也为同类工程机械设计提供了方法，具有推广应用意义。

目录

第1章 绪论

1.1 大型矿井提升机的研究背景与意义

1.2 国内外提升机发展与现状

1.3 卷筒装置研究发展与现状

1.4 本文主要研究内容及方法

1.5 本章小结

第2章 大型矿井提升机卷筒装置结构设计理论

2.1 2JK/A-5型矿井提升机系统构架以及工作原理

2.2 新型卷筒装置结构及失效形式

2.3 新型厚壳弹支卷筒装置设计计算

2.4 本章小结

第3章 主轴装置多工况数值模拟以及测试实验

3.1 大型矿井提升机主轴装置有限元模型建立

3.2 工况、边界条件的处理以及载荷确定

3.3 数值模拟结果及分析

3.4 主轴装置实际承载测试实验

3.5 本章小结

第4章 卷筒装置应力应变场分析及结构优化

4.1 卷筒装置应力应变场分析

4.2 基于控制变量法的人孔结构改进设计

4.3 卷筒装置人孔结构拓扑优化设计

4.4 基于多目标驱动优化的人孔结构优化设计

4.5 本章小结

第5章 卷筒装置动态特性分析

5.1 卷筒装置固有频率拓扑优化设计

5.2 卷筒装置制动系统

5.3 卷筒装置制动动态特性分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附 录 A

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