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自支撑变频牵引绞车主要结构件及参数介绍

2020-12-09 263 上传者：管理员

摘要：应用SolidWorks、ANSYS、ADAMS等CAE辅助设计软件，对一种自支撑变频牵引绞车进行了设计，在有限空间内进行了总体排布和结构设计，并对其中主要结构件及参数进行了介绍。对自支撑固定装置进行了动力与运动学仿真，并对其四连杆参数进行了优化。根据运动学仿真得出的铰接点受力参数，并结合极端工况下的受力分析，应用ANSYS对结构件进行了应力分析，根据应力分析结果对结构进行了优化设计。从样机使用情况看，所设计的结构件结构合理、可靠，满足使用要求。

关键词：
ADAMS
ANSYS
CAE辅助设计
SolidWorks
结构设计
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1、现有绞车使用现状

目前煤矿综采工作面搬家用支架牵引绞车为整体纵向框架式结构，一般只能使用液压单体支柱，按照四压两趄式的方式进行固定。该固定方式主要存在以下问题和不足：

(1）采用四压两趄式的方式固定绞车不仅工人劳动强度大、对顶比压大，而且固定阻力不足，存在易滑脱等安全隐患问题；

(2）采用四压两趄式的固定方式固定一次需要一个班（约8～12人）的工作人员高强度工作3～4h，效率极低；

(3）液压单体支柱无保压和卸压功能，在顶板来压时会压弯或者压断液压单体支柱，存在极大安全隐患。

2、自支撑变频牵引绞车总体结构设计

鉴于目前的绞车使用过程中存在的问题以及客户的要求，经过充分的现场调研，设计开发了一种集自支撑、变频调速、遥控、保护等多功能于一体的自支撑变频牵引绞车，实现绞车的现代化、智能化升级改造。

自支撑变频牵引绞车主要用于中大采高液压支架回撤，根据使用工况要求、运输条件和现场调研结果，对该绞车设计提出了边界参数要求，如表1所示。

表1边界参数要求

根据表1边界参数要求，结合用户使用要求，要求该绞车既要有牵引功能，又要有自支撑自固定功能，并且采用变频遥控技术。根据整体边界参数要求先确定部件最小尺寸和范围，然后确定总体布置，如图1所示。

图1变频牵引绞车总体布置

1.顶梁2.立柱油缸3.掩护梁及四连杆4.电控箱及智能控制系统5.液压泵站6.底盘及液压油箱7.动力及传动系统8.卷筒主轴9.排绳器10.防撞梁

其中液压系统与电控系统为控制系统，在此不做详述。本文主要对由顶梁、立柱油缸、掩护梁及四连杆组成的可拆装的自支撑固定装置以及由动力及传动系统、卷筒主轴和排绳器组成的传动系统中主要结构件进行分析与研究。

(1）传动系统结构及参数

由于宽度方向边界参数限制，同时考虑到使用寿命和维护方便，所以采用开式大齿轮与外置减速箱的形式进行传动系统布局。根据空间布置条件，最终确定传动系统布局如图2所示。

图2传动系统布局图

1.电机2.制动器Ⅰ3.制动器Ⅱ4.减速器5.大齿圈6.卷筒及主轴7.排绳器

卷筒主要技术参数：

(2）自支撑固定装置的设计

根据用户选装要求，需要变频牵引绞车能够带有可拆解的支撑装置，在用户需要时与绞车一体组装，使绞车能够自支撑、自固定。受整体尺寸限制，自支撑固定装置采用四连杆机构，该机构能够使绞车顶梁在升降过程中基本保持平行运动，并能够将顶板摩擦力传至底盘，增大绞车固定力。掩护梁采用弯曲结构设计，可以降低绞车收缩状态时的空间占比，增大四连杆机构行程。

根据文献[3]中履带和路面之间的静摩擦因数，绞车支撑架顶部和底部设计有类似履带纹路，设计时参考履带式摩擦因数（附着因数），煤场取0.6、混凝土取0.45。自支撑固定装置结构简图以及工作时受力示意图如图3所示。

图3自支撑固定装置结构简图以及受力示意图

Ns.绞车对顶板的正压力Nx.绞车对底板的正压力F.绞车受到的合力F1.顶板摩擦力F2.底板摩擦力

3、结构件优化设计

根据以上绞车总体布置情况及结构件组成，结合井下使用工况，应用CAE辅助设计软件，分析极端情况下结构件的受力情况，在保证强度的情况下，对结构件进行优化与减重设计。

(1）动力、运动学仿真与优化

应用ADAMS运动与动力学仿真软件，模拟井下工况，分析绞车支撑架在整个支护过程中铰点受力情况和顶梁水平位移情况，优化四连杆机构铰点位置。仿真模型如图4所示。

图4变频牵引绞车动力学仿真模型

设置模型，将绞车置于顶板与大地之间，模拟井下工况，为了运算绞车在整个支护过程中的受力情况，在顶板与大地之间设置滑动副并设置直线电机垂直向上移动。将顶棚与顶板设置接触副，摩擦因数取0.6，底盘与大地之间接触副摩擦因数取0.45，底盘与顶棚之间立柱油缸设置推力500kN，底盘水平设置586kN最大牵引力模拟钢丝绳牵引力。仿真过程中顶棚从2.3m升至4.8m，线性分析四连杆铰点受力和底盘位移（相当于实际中连杆顶部铰点位移）。

优化后的四连杆机构顶梁水平方向位移曲线如图5所示，从图5中可以看出，在支撑架高度从2.3m升至4.8m的整个行程中，顶梁水平位移摆动幅度在120mm之内。相较于其垂直行程范围，水平位移不足4.8%，顶梁升降过程近于垂直，完全满足使用要求。

图5支撑架行程中顶梁水平位移曲线

在整个行程中，掩护梁连杆前后铰接处受力情况如图6所示，从图6中可以看到，随着支撑架升高，铰接处受力随之增大，最大为450kN，该值可以作为结构件受力分析的依据。

图6支撑架行程中掩护梁连杆铰接处受力

1.前铰接点受力曲线2.后铰接点受力曲线

(2）结构件分析与优化

根据上述动力、运动学仿真得出的受力参数，结合井下实际工况，考虑到顶板和地面不平可能带来的极端工况，应用ANSYS有限元分析软件进行了分析优化与强度校核。主要是降低了顶梁的钢板厚度，底盘部分联接处增加了肋板，掩护梁进行了折弯设计等优化。其中主要结构应力云图如图7所示。

由图7可知，主要结构件在极端工况下总体应力在347～529MPa，最终选用Q690为结构件主体材料，安全系数σ=690/529>1.3，满足使用要求。

4、使用情况

该绞车于2017年3月至2019年3月，先后在国家能源集团神东煤炭集团补连塔煤矿12510综采工作面、大柳塔煤矿52505综采工作面、三道沟煤矿85208综采工作面以及补连塔煤矿12512综采工作面完成回撤任务。其中多数为7m采高工作面，液压支架自重69t，补连塔煤矿12512综采工作面为8m采高综采工作面，液压支架自重79t。并且在回撤期间参与部分综采工作面安装任务。总体使用效果良好，得到了使用方的肯定和好评。

5、结语

该绞车样机研制成功后，完成了4个综采工作面的液压支架回撤任务，其中的8m综采工作面回撤任务已经超出其最初设计工作高度，但是未出现任何主体结构件变形和过载损坏，未出现拉脱问题，整机性能完全满足使用要求，结果表明：

(1）绞车整体结构设计合理，结构件强度满足使用要求；

图7主要结构件应力云图

(2）卷筒主轴、传动系统、电机等部件设计和选择满足使用要求，实现了设计目标；

(3）绞车采用可选装式一体式支撑架，可实现快速定位，有效防止绞车滑脱造成事故；

(4）绞车设计有排绳器，可有效避免钢丝绳乱绳、夹绳，极大地提高了工作效率；

(5）绞车虽然整体设计参考并执行了MT/T952-2005《双速多用绞车》中相关规定，但是另外搭配选装支撑固定系统可实现快速定位的支撑固定装置，并将变频调速等技术应用于该绞车，属于完全拥有自主知识产权的全新的牵引绞车。经实际使用验证，该绞车设计合理，使用效果良好，能够有效避免现有绞车使用中存在的一些安全隐患，实现了高效、安全、减少井下工作人员等效果。

参考文献：

[1]蒋学明,薛志明,赵俊杰.综采工作面设备的回撤方法:CN107939440A[P].2018-04-20.

[2]欧艳华.SDJ-8煤矿双速绞车传动机构优化设计[D].长沙:湖南大学,2008.

[3]郁录平.工程机械底盘设计[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社,2007.

[5]李提建.液压支架底座扭转分析模型与有限元分析[J].煤矿机械,2020,41(1):69-71.

王梁.自支撑变频牵引绞车的结构设计与分析[J].煤矿机械,2020,41(12):1-3.