1.4 数值计算方法在矿井提升机设计中的应用

矿井提升机作为矿山提升运输中的关键设备，确保提升机运转正常、安全可靠和具有一定的使用寿命就显得十分重要。设计时只考虑静态载荷和静态特征已经不能满足需要，必须在设计时考虑动力学问题进行动态设计，能够在设备成型之前完成机械系统在实际工作状态下的受力变化、运动及其动态特性的研究。矿井由静态设计阶段到动态设计阶段的转变是提高矿井提升机设计水平的必然选择。

长期以来，我国矿井提升机的设计生产部门在产品设计时往往忽略矿井提升机机械本身的动力特性，而主要是采用对比设计的方法。由于对其动力学分析研究不够深入，在缺乏动力学设计方法的情况下，我国矿井提升机的设计开发仍然没有摆脱传统的“试制—试验—改进—设计—再试制—试验”的静态设计模式，不但开发周期长而且投入成本高，使用方面也具有很大的局限性，这使得我国的矿井提升机产品在国际市场上缺乏竞争力。

工程领域对机械系统的研究主要有两大问题。一个问题涉及系统的结构强度分析。由于计算结构力学的理论与计算方法的研究不断深入，加之有限元应用软件系统的成功开发和应用，这方面的问题已经基本得到了解决。另一个问题是要解决系统的运动学、动力学与控制的性态问题，也就是研究机械系统在载荷作用下各部件的动力学响应。作为大多数的机械系统，系统部件相互连接方式的拓扑与约束形式多种多样，受力的情况除了外力与系统各部件的相互作用外，还可能存在复杂的控制环节，故称为多体系统。与之相适应的多体动力学的研究已经成为工程领域研究的热点和难点。

国外在机械设计中大量使用了动态设计手段。而大多数对于机械系统动力学的研究，通常还是采用多刚体系统模型来预测和评估机械系统的运动稳定性、运行平稳性和安全性，利用静强度计算和周期性疲劳载荷等方法进行模拟疲劳试验来检验安全性。这些方法对矿井提升系统来说，难以准确评价或者预估在提升过程中矿井提升机结构弹性振动的动应力水平和对关键机械零部件疲劳强度及寿命的影响。

随着计算机在我国的普及和发展，CAD（计算机辅助设计）技术在我国得到了飞速发展，国内许多生产厂家开始重视参数化设计和运用现代设计理论进行研究，例如中信重工机械股份有限公司（以下简称中信重工）拥有I-DEAS、机械CAD/CAM（计算机辅助制造）、ANSYS热力学分析等大型工程分析与设计软件，利用这些软件完成矿井提升机产品的三维仿真、有限元分析、寿命分析与预估计设计绘图工作，实现了设计、工艺与生产管理系统之间的产品数据传输。参数化设计和有限元方法不但受到企业的欢迎，一些高校也开始投入大量的精力对其进行深入的研究。徐州矿务集团胡兴伟利用计算机辅助设计完成了矿井提升机的选型及提升机不同提升方式的验算。用户输入自己需要的参数后，系统可自动输出例如提升速度图、力图、耗电量等结果。太原科技大学晋民杰通过计算机程序对矿井提升机的常用标准件进行计算及辅助选型结构设计，通过主程序和4个选型计算子模块分别对电动机、钢丝绳、联轴器、减速器进行结构设计，自动化程度高，并有高度的灵活性。辽宁工程技术大学机械工程学院郭宏等人运用大型有限元分析软件ANSYS对缠绕式提升机筒壳结构进行有限元分析，通过分析得出了卷筒的支轮位置和支轮厚度对卷筒产生的影响，从而为筒壳的结构设计提供参考。洛阳矿山机械工程设计研究院孔自安利用疲劳损伤累积理论通过计算机程序来计算ZJK型矿井提升机主轴在整个工作过程中的挠度和应力变化情况，为矿井提升机的可靠性设计打下基础。电子科技大学徐尚龙利用有限元分析软件ANSYS对矿井提升机主轴进行数值分析，得出主轴关键点的应力大小及主轴的应力分布规律。东北大学严世榕教授对在矿井提升机运行状态下钢丝绳的张力大小及时变规律，以及钢丝绳的变形规律，速度、加速度的变化规律进行了研究，为缠绕式提升机的设计、改进及合理使用给出了自己的见解，具有重要的参考价值。杨淑贞开发了基于Web（网络）的副井提升设备选型设计系统，实现了矿井提升机的选型，最终为用户提供符合需求的详细的矿井提升机系统选型报告。黑龙江科技学院何凤梅运用ANSYS软件优化设计功能对缠绕式提升机卷筒进行了优化设计，可以保证在安全可靠的基础上，使卷筒重量最轻。南京工业大学张在梅基于Pro/E对龙门架物料提升机进行了设计。中国矿业大学王久凤基于Pro/E对矿井提升机主轴进行参数化设计及ANSYS有限元分析，基于Pro/E软件平台创建了矿井提升机主轴的三维参数化模型，并利用Pro/E与ANSYS接口技术和ANSYS软件对矿井提升机主轴在一定载荷作用下的应力、应变状态进行有限元分析。燕山大学刘福林对斗式提升机进行了参数化CAD/CAM系统研究，以矿井提升机作为研究对象，选用参数化设计方法，开发了矿井提升机参数化计算机辅助设计和制造系统，成功地实现了矿井提升机设备零部件图和总装配图的参数化设计，以及矿井提升机主要部件的实体建模、装卸模拟、NC（数字控制）代码的生成等。

对主轴和卷筒的疲劳寿命进行预测也成为当今矿井提升机设计要解决的问题之一。矿井提升机主轴的失效往往会导致重大的事故发生，目前采用的矿井提升机主轴的安全系数校核法是在假定结构无缺陷的基础上使用的。然而大量的实践证明，在我国现有技术条件下，不同程度的类裂纹缺陷大量以原始缺陷的形式存在于矿井提升机主轴中。在随机载荷形式下的提升过程中，主轴的疲劳断裂表现为裂纹形成、裂纹扩展、瞬间断裂3个阶段。提升机卷筒是一个典型的焊接结构，在生产之初就不可避免地存在着焊接生产带来的各种缺陷。大量的卷筒失效的事件表明，卷筒主要的失效形式也是结构在随机载荷下的疲劳破坏。随着计算机技术和计算方法的发展，提出一种利用计算机仿真方法进行矿井提升机主要部件疲劳寿命的预测以及裂纹扩展研究，无疑对矿井提升机的设计具有重要的理论指导意义。

针对以上问题，本书系统阐述了对矿井提升机系统应用柔性多体动力学、结构动力学等领域的最新研究成果，开展基于刚柔耦合系统模型的矿井提升机动力学问题的研究，建立矿井提升机的柔性多体动力学计算模型，动态模拟矿井提升机系统在各种参数与条件下的动态性能，获得矿井提升机关键零部件的动应力随时间变化的数据，预估矿井提升机系统运动的平稳性及机构的弹性振动对于机械零部件疲劳寿命的影响。从而实现在设计阶段预测控制机械的动态特性，进而最终达到取代实物样机的中间试验的目的。

随着科技的进步和矿井生产现代化要求的日益提高，我国对矿井提升机技术革新和矿井提升机提升特性的认识也日益深入。特别是计算机技术的发展，使很多先进的新兴技术开始应用于矿井提升机的设计研发当中。研究数值仿真在矿井提升机设计中的应用，对于促进我国矿井提升机由静态设计向动态设计的转变具有重要的理论探索意义。这不但有望把我国的矿井提升机设计理论水平提高到一个更高的层次，缩短与国际先进技术的差距，还可以达到减小产品开发初期的盲目性、降低设计开发成本、缩短开发周期、提高产品可靠性目的。

本书主要研究矿井提升机动力学的建模方法及现代数值仿真技术有限元计算方法、虚拟样机技术在矿井提升机设计中的应用，包括钢丝绳动力学建模方法、钢丝绳和卷筒间结合与分离、钢丝绳和钢丝绳间结合与分离过程的空间运动轨迹；研究提升速度和加速度变化的影响因素、产生机理、作用方式及其对钢丝绳运动轨迹的影响规律；研究在柔性罐道等多元约束耦合作用下钢丝绳高速缠绕加速度和冲击行为；研究过渡曲线形貌和钢丝绳加速度矢量的依存关系；研究钢丝绳单层与多层缠绕运动过程和耦合行为特征；矿井提升机制动分析以及相关的试验、数据采集等情况，为矿井提升机的设计提供参考。