煤矿JKB 型提升机钢丝绳张力自动平衡装置的优化分析

任晓雨

（潞安集团常村煤矿，山西 长治 046000）

引言

在矿井提升机中，钢丝绳是一个比较重要的牵引物料设备，其直接影响着提升设备的安全性。当钢丝绳两端的配重不合理时，将会直接导致两侧的拉力失衡。因此可以设置自动平衡装置，从而避免两侧张力不平衡的现象。通过分析JKB 型提升机钢丝绳自动调节装置发现，还可以对该装置的中板以及侧板结构进行优化，从而进一步有效地降低两侧张力的差异率。在对调研资料进行分析的过程中，假如两侧的张力差异率低于10%，可以有效地优化提升机的使用时间，从而可以防止钢丝绳断裂，极大地提升了煤矿的安全生产水平。

1 JKB 型提升系统的组成

JKB 型提升机选用落地式多绳摩擦式提升机，其扮演着煤炭运输的角色，对煤矿开采起着非常重要的作用，图1 为该提升机的结构示意图。此落地式提升机有主导轮、钢丝绳、提升容器等，与此同时在该装置中安装了自动平衡装置。

经过调研发现该类型的提升机在工作过程中，往往容易受到其他设备振动的影响，与此同时在安装时由于安装精度不达标，经过长时间的使用之后会对金属部件造成影响，最终影响钢丝绳的受力情况，为此必须提升张力自动调节装置，图2 为JKB型提升机张力自动调节装置。

在对钢丝绳之间的压力值进行调整时，该设备选用张力自动调整以及液压调节的方式来调节设备。假如一侧的钢丝绳张力比较大，那么可以借助中板、侧板将力进行传递，同时液压缸开始压缩，在连杆的作用下使得一侧的张力变小。同时，当另一侧的张力变小时，悬臂干就会收缩，从而使得两侧张力达到平衡。由此可以看出，中板和侧板结构能够有效地促使两侧钢丝绳受力平衡，从而可以对中板与侧板进行优化处理，进一步提高设备平衡性的调整[1-3]。

图1 落地式多绳摩擦式提升系统示意图

图2 JKB 型提升机张力自动调节装置

2 钢丝绳张力特性分析

为了能够更好地强化张力自动调整水平，首先对JKB 型提升机钢丝绳的变化情况进行探究，采用AMESim 软件进行仿真分析，模拟张力自动平衡装置调整张力，下页表1 为张力自动平衡装置的参数。

表1 JKB 型提升机钢丝绳张力自动平衡装置参数表

测试点为转向轴与钢丝绳接触的四个位置，四个点在滚简轴向均匀分布，图3 为钢丝绳的张力曲线测试数据（图中4 条曲线几乎重合）。通过分析可以发现，张力逐渐减小，假如钢丝绳尾绳长度逐渐减小时，首绳的长度会逐渐增加，由此可以看出，提升系统下放测的载荷变小会引起滚筒与分离点位置钢丝绳的张力降低。整个波形图不平滑，存在突变的位点，对这些点进行分析可以看出，钢丝绳在受到载荷的作用下，使得钢丝绳的张力出现突变，可是由于设定自动调整装置使得张力又重新回到正常值。

图3 滚筒与提升钢丝绳分离点处钢丝绳张力

3 结构优化分析

3.1 三维模型的建立

借助ANSYS 仿真软件对中板和侧板的结构模型进行最优解数据分析，从而找到中板和侧板的最优的解，可以有效地降低两者之间的体积，以及降低成本，可以进一步优化张力自动调整的性能。图4 为PRONE 建模软件建立中板和侧板的三维模型。

3.2 仿真模型的建立及定义

3.2.1 初始仿真模型的建立

对中板及侧板所选用的材料进行参数设备，弹性模量为2.05×105MPa，相应的泊松比为0.3，对应的屈服强度设置为1 250 MPa。在ANSYS Workbench设置四面体4 节点网格，将其当做张力自动装置网格，网格参数设置为20 mm×20 mm×20 mm。可以对部分零碎的部件进行简化，同时将其质量进行重新配置。依据工作需要，定义中板及侧板的边界条件，可以把板的两侧作为有效约束，与此同时需要在最恶劣的环境下考虑静力学问题。

图4 张力自动平衡装置的中板和侧板

通过分析优化前中板与侧板的应力情况可知，钢丝绳张力自动平衡板所能承受的最大应力为52.113 MPa，而侧板最大应力可以达到28.456 MPa。通常力分布于两翼，可以借助仿真软件得到相应的最优解。

3.2.2 优化结果数据选择

可以借助ANSYS 仿真软件找到自动张力平衡装置的参数进行优化，同时找到多种组合参数，充分结合中板及侧板相应的强度、质量以及对应的应力分布情况，表2 为相应的优选出结果。

表2 中板及侧板优化候选情况表

3.2.3 优化后的结构仿真分析

以优化得到最优解为参数，再次进行建模，依据初始仿真的条件设定参数，对优化前后的应力分布情况进行比较。

通过分析优化后中板与侧板的应力情况可知，中板多对应的最大应力可以达到42.966 MPa，而相应的侧板最大应力可以达到18.523 MPa，由此可以看出应力下降比例分别为23.6%和15.99%，同时两者应力相对均匀，从而达到中板及侧板轻量化设计的需要。

3.2.4 钢丝绳磨损量检测

将最优解的中板及侧板结构设置在张力自动平衡装置中进行应用。经过一段时间的使用对钢丝绳的四周进行检测，在一个周期内磨损量小于1.8 mm，与原有的张力自动平衡装置进行比较发现，钢丝绳两侧的张力下降到3.62%，由此可以断定其可以有效地提高钢丝绳的使用寿命，因此优化结果能够达到预期的而要求。

4 结语

经过查阅大量的文献发现中板及侧板是张力自动平衡装置的重要单元，因此可以对其进行有限元分析，找到最优解，从而可以有效地降低钢丝绳的磨损率，同时将最优的中板及侧板应用到实践中，经过实践发现其不仅可以有效地优化不平衡性，而且可以避免钢丝绳的磨损，从而可以极大地提高煤矿行业的开采效率。