田 野，熊 健，張玉凱，徐 翔

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2國(guó)家礦山機(jī)械質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心 河南洛陽 471039

3洛陽正方圓重礦機(jī)械檢驗(yàn)技術(shù)有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

卷筒作為提升機(jī)重要的受力部件，承載著鋼絲繩、容器、人員以及物料的自重。在提升過程中，卷筒的應(yīng)力集中部位會(huì)出現(xiàn)開裂[1]，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展，降低了卷筒的強(qiáng)度，影響提升機(jī)安全運(yùn)行。為避免發(fā)生安全事故，要及時(shí)維修加固開裂部位，還要驗(yàn)證加固維修方案的可靠性。應(yīng)變測(cè)試法是獲取外力作用下結(jié)構(gòu)件應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的重要技術(shù)手段，廣泛應(yīng)用在機(jī)械、建筑等領(lǐng)域[2-3]。該方法能準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，為保障結(jié)構(gòu)安全提供可靠依據(jù)。

國(guó)內(nèi)某大型煤礦主井采用 1 臺(tái)?4.65 m 摩擦式提升機(jī)。在日常巡檢中，發(fā)現(xiàn)卷筒上有 2 條不同程度的穿透性裂紋，維修加固后，裂紋被加固板遮擋，不能直接觀察其變化，無法有效驗(yàn)證加固板能否保證提升機(jī)長(zhǎng)期安全運(yùn)行。考慮到定制新卷筒的生產(chǎn)周期以及更換卷筒帶來的停產(chǎn)壓力，筆者在有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用應(yīng)變測(cè)試法[4-5]對(duì)加固后的卷筒進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)分析，取得了顯著的成效。

1 開裂情況及加固方案

待測(cè)提升機(jī)為內(nèi)裝電動(dòng)機(jī)式，配雙 40 t 箕斗，最大運(yùn)行速度為 12 m/s。運(yùn)行 11 a 后，巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)兩處裂紋，從卷筒與制動(dòng)盤連接處向卷筒內(nèi)部延伸。開裂部位如圖 1 所示。

圖1 卷筒內(nèi)部開裂狀態(tài)Fig.1 Cracking state inside drum

圖1 中框內(nèi)標(biāo)出了其中 1 條裂紋及其走向。裂紋長(zhǎng)度為 480 mm，從右側(cè) (閘盤側(cè)) 向卷筒中部擴(kuò)展，已接近繩槽所在卷筒斷面。如繼續(xù)擴(kuò)展，將會(huì)順著繩槽沿卷筒圓周方向發(fā)展，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩作用下可能使卷筒解體，最后損毀提升機(jī)和井架等設(shè)施。為避免發(fā)生重大事故，在礦方要求下，制造商制定了卷筒加固方案，如圖 2 所示。

圖2 卷筒加固方案Fig.2 Drum reinforcement scheme

具體操作：在卷筒裂紋處內(nèi)外面各增加 1 塊加固鋼板，使用高強(qiáng)度螺栓 (3 列，共 24 根) 將鋼板與卷筒把合，通過螺栓預(yù)緊力作用阻止裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。為防止螺栓松脫損傷電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，用鋼絲將螺栓串接起來，并在內(nèi)外兩側(cè)鋼板上涂刷不同顏色的防銹漆。

2 卷筒加固方案的有限元分析

2.1 卷筒有限元模型

使用加固板加固后，卷筒的受力狀態(tài)有所變化。為確定卷筒裂紋附近和加固板的強(qiáng)度及其應(yīng)力分布，采用有限元分析時(shí)，忽略了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)其余的安裝孔、倒角等小特征的影響，采用八節(jié)點(diǎn)六面體與十節(jié)點(diǎn)四面體相結(jié)合的方法對(duì)卷筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成加固后卷筒的有限元模型。卷筒及 E、G 兩處裂紋加固板的局部網(wǎng)格概觀如圖 3 所示。

圖3 卷筒及各處裂紋的局部網(wǎng)格Fig.3 Local grid of drum and each crack

建立有限元模型后，分析卷筒 Mises 應(yīng)力 (總的等效應(yīng)力)。卷筒 Mises 應(yīng)力的邊界條件分為負(fù)載和約束，其中負(fù)載包括卷筒系統(tǒng)的自重載荷，螺栓預(yù)緊力載荷，提升鋼絲繩對(duì)滾筒圓周上的徑向壓力，提升機(jī)轉(zhuǎn)子與定子作用面施加電磁力矩克服鋼絲繩與襯墊摩擦產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，以及環(huán)形電動(dòng)機(jī)最大磁拉力；約束包括輪輻軸承座轉(zhuǎn)環(huán)與軸承配合面一側(cè)施加的固定約束，另一側(cè)軸向無約束，其余方向均固定。

2.2 卷筒 Mises 應(yīng)力分析結(jié)果

在E 和 G 兩裂紋部位各安裝了 1 套加固板，在輪輻接縫處 F 和 H 未開裂部位不安裝加固板，以便對(duì)卷筒進(jìn)行應(yīng)力分析。卷筒 Mises 應(yīng)力分布如圖 4 所示。

由圖 4 可知：卷筒的 Mises 應(yīng)力最大值為 104.0 MPa，位于螺栓把合的 E、G 裂紋位置；其次是輪輻連接的 F、H 處，這兩處的 Mises 應(yīng)力值為 16.7 MPa。

圖4 卷筒 Mises 應(yīng)力分布Fig.4 Mises stress distribution of drum

裂紋加固板的 Mises 應(yīng)力分布如圖 5 所示。

由圖 5 可知：E 處裂紋加固板最大 Mises 應(yīng)力為33.5 MPa，G 處為 39.6 MPa，二者均位于靠近閘盤連接處的兩螺栓間。因此，應(yīng)分析計(jì)算該部位的最大主應(yīng)力 (受拉/受壓方向的主應(yīng)力)，以作為應(yīng)變測(cè)試的測(cè)點(diǎn)依據(jù)。

圖5 加固板 Mises 應(yīng)力分布Fig.5 Mises stress distribution of reinforcing plate

2.3 最大主應(yīng)力分析

裂紋加固板的主應(yīng)力分布如圖 6 所示。

由圖 6 可知：E 處裂紋加固板的最大主應(yīng)力為42.2 MPa，出現(xiàn)在遠(yuǎn)離閘盤連接處邊沿的兩螺栓間，是由于邊沿應(yīng)力集中而引起的；靠近卷筒裂紋處的主應(yīng)力為 18.9 MPa。G 處裂紋加固板的最大主應(yīng)力為46.1 MPa，出現(xiàn)在遠(yuǎn)離閘盤連接處邊沿的兩螺栓間，也是由于邊沿應(yīng)力集中而引起的；靠近卷筒裂紋處的主應(yīng)力為 18.9 MPa；靠近閘盤連接處，中部螺栓之間的主應(yīng)力也較大，為 34.4 MPa。

圖6 加固板的主應(yīng)力分布Fig.6 Stress distribution of reinforcing plate

在F、H 未開裂處不增加加固板，卷筒主應(yīng)力分布如圖 7 所示。

由圖 7 可知：F處的最大主應(yīng)力為 17.9 MPa，H處的最大主應(yīng)力為 18.5 MPa；這兩處最大主應(yīng)力均在靠近閘盤連接處。

圖7 卷筒的主應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of drum

2.4 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置與仿真分析結(jié)論

通過上述分析可知，金屬材料的應(yīng)力集中部位即應(yīng)力最大處才會(huì)出現(xiàn)變形、開裂，結(jié)合加固板和卷筒上最大主應(yīng)力的分布情況，設(shè)置 4 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn) (見圖6、7)：應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 1 在 E 處的裂紋加固板上，靠近閘盤側(cè)；應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 2 在 G 處的裂紋加固板上，靠近閘盤側(cè)；應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 3 在 F 處的卷筒最大主應(yīng)力處；應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 4 在 H 處的卷筒最大主應(yīng)力處。

加固后，卷筒整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以滿足礦井短期使用要求。為了防止后續(xù)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，或出現(xiàn)其他不可預(yù)知狀況，應(yīng)根據(jù)有限元分析結(jié)果，對(duì)加固板處的 Mises 應(yīng)力和主應(yīng)力較大的位置，定期進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，對(duì)比分析最大主應(yīng)力的變化，掌握加固板受力變化及設(shè)備安全狀態(tài)。

3 卷筒應(yīng)變測(cè)試方案

有限元分析結(jié)果指出了加固板和卷筒上最大主應(yīng)力的部位，但 4 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力方向未知，故采用 45°三方向應(yīng)變花。各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力大小按照下列公式進(jìn)行計(jì)算：最大主應(yīng)力

最小主應(yīng)力

式中：E為金屬材料的彈性模量；εa、εb、εc分別為0°、45°、90°方向的應(yīng)變；μ為材料泊松比。

各方向的應(yīng)變片均組成半橋測(cè)試電路，通過無線應(yīng)變遙測(cè)模塊將采集到的信號(hào)傳輸?shù)竭B接有接收器的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上的測(cè)試軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。測(cè)試中使用的無線應(yīng)變遙測(cè)系統(tǒng)如圖 8 所示。

圖8 無線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)Fig.8 Wireless strain test system

通過積累卷筒和加固板上的應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)，分析判斷滾筒受力變化及裂紋擴(kuò)展趨勢(shì)?；钒胼d提升一個(gè)循環(huán)時(shí)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 1 (G 處)的最大主應(yīng)力波形如圖9 所示。

圖9 G 處的應(yīng)變波形Fig.9 Strain waveform at location G

圖9 所示的波形是測(cè)點(diǎn)處 3 個(gè)方向的 3 條應(yīng)變測(cè)試曲線的合成曲線。從合成后的最大主應(yīng)力波形圖上可以看出，測(cè)點(diǎn) 1 處的應(yīng)力變化時(shí)間是以卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為周期的。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力的均值如表 1 所列，其結(jié)果與有限元計(jì)算得到的最大主應(yīng)力值基本一致，偏差是由于應(yīng)變片布貼的位置與仿真指示位置略有不同造成的。

表1 各測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力對(duì)比Tab.1 Comparison of maximum principal stress at each test point MPa

在2021 年 3 月的應(yīng)變測(cè)試中，應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯變化：應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 1的監(jiān)測(cè)值為 16.1 MPa，較均值減小 5.9 MPa，降幅為 26.8%；應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 2的監(jiān)測(cè)值為21.4 MPa，較均值減小 3.3 MPa，降幅為 13.5%；應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 3的監(jiān)測(cè)值為 32.8 MPa，較均值增加 11.2 MPa，增幅為 51.9%；應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 4的監(jiān)測(cè)值為 13.5 MPa，較均值減小 6.6 MPa，降幅為 32.9%。各應(yīng)變測(cè)點(diǎn)近 1 a的應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖 10 所示。

圖10 各測(cè)點(diǎn)近 1 a的應(yīng)力變化趨勢(shì)Fig.10 Variation trend of stress at each test point over recent one year

對(duì)比 1 a 來的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)值，推斷卷筒兩處加固板上的緊固螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致加固板與卷筒的靜摩擦力減小、加固板受力減?。粦?yīng)變測(cè)點(diǎn) 4的應(yīng)力值大幅降低，應(yīng)該是該處卷筒發(fā)生了開裂；應(yīng)變測(cè)點(diǎn) 3的應(yīng)力值大幅增加，應(yīng)該是卷筒受力變化導(dǎo)致應(yīng)力集中。

監(jiān)測(cè)次日，對(duì)測(cè)點(diǎn) 3 和 4 附近的卷筒進(jìn)行滲透探傷檢查，在測(cè)點(diǎn) 4 (H 處) 附近發(fā)現(xiàn)新裂紋，長(zhǎng)度為150 mm，處于初期開裂狀態(tài)。新裂紋的發(fā)現(xiàn)使應(yīng)變測(cè)試法的有效性得到了礦方認(rèn)可。礦方第一時(shí)間告知制造商，聯(lián)系安裝隊(duì)伍，提前制定詳細(xì)的卷筒更換方案，并組織物資入場(chǎng)，最終歷時(shí) 12 d 就完成了整套卷筒及轉(zhuǎn)子的更換。

5 結(jié)論

將有限元計(jì)算和應(yīng)變測(cè)試法應(yīng)用于卷筒裂紋監(jiān)測(cè)，為礦方提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，通過大量測(cè)試數(shù)據(jù)的積累，分析了加固板等關(guān)鍵受力點(diǎn)的應(yīng)力變化趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了卷筒再次開裂的情況，為礦方爭(zhēng)取了更換卷筒的時(shí)間，避免了不可預(yù)知的事故的發(fā)生。