矿井提升机卷筒筒壳强度计算与校核分析

一、引言

矿井提升机作为矿山生产的核心设备，承担着人员、物料及设备的垂直运输任务。卷筒筒壳作为直接承受钢丝绳载荷的关键部件，其强度设计直接关系到设备运行的安全性与可靠性。传统设计方法多依赖经验公式与静态分析，难以准确反映复杂工况下的应力分布特征。随着矿山开采深度与提升能力的不断提升，卷筒筒壳承受的载荷类型与强度要求日趋严苛，如何通过科学计算与结构优化提升其承载能力，成为行业关注的焦点。

二、卷筒筒壳结构特征与受力分析

2.1 筒壳结构类型与力学特性

卷筒筒壳依据支承方式可划分为刚性支轮、绞支支轮及弹性支轮三类典型结构，其力学特性与适用场景差异显著。刚性支轮结构中，支轮与筒壳刚度存在数量级差异，支轮对筒壳的刚性约束导致载荷传递路径突变，在支轮与筒壳的焊接或螺栓连接处形成显著的应力集中峰，长期运行易引发疲劳裂纹萌生。绞支支轮结构通过将支轮与筒壳的刚性连接优化为绞支约束，大幅降低支轮的局部约束刚度，使载荷传递更为平缓，从而有效缓解应力集中现象，但需严格计算支轮间距以确保筒壳整体抗弯刚度，避免因支轮间距过大导致筒壳在自重与钢丝绳载荷叠加下发生屈曲失稳。弹性支轮结构创新性地引入橡胶或弹簧等弹性元件，实现支轮刚度与筒壳变形的动态匹配，既可消除刚度突变引发的应力集中，又能通过弹性元件的变形耗散振动能量，已成为现代大型提升机提升承载可靠性、延长设备寿命的主流设计方向。

2.2 筒壳载荷类型与传递路径

筒壳在复杂工况下承受多种载荷作用，其力学响应直接影响提升机运行安全。钢丝绳径向压缩力作为核心载荷，源于钢丝绳绕经筒壳绳槽时产生的正压力，该力通过绳槽与筒壳的有限接触面传递至筒壳壁，导致接触区域呈现显著的周向压缩应力与径向弯曲应力耦合特征，应力梯度在绳槽边缘形成尖峰，是疲劳裂纹萌生的关键诱因。制动摩擦热由制动器抱闸时钢丝绳与绳槽的相对滑动摩擦产生，导致接触区局部温度骤升，材料热膨胀受周边低温区约束而形成热应力梯度，这种热 - 力耦合效应使局部应力水平提升，加速材料蠕变与微裂纹扩展。离心力在高速提升工况下随转速平方增长，其径向分量与钢丝绳压缩力叠加使筒壳径向应力激增，轴向分量则加剧筒壳的动态弯曲变形，需通过刚柔耦合动态仿真评估载荷叠加后的应力分布演化规律。

2.3 应力集中与疲劳损伤机理

筒壳在复杂力学环境下，应力集中现象显著集中于支轮边缘、绳槽过渡区及焊接接头等几何特征突变位置，其形成机制与局部应力分布特征紧密关联。支轮边缘因支承结构与筒壳本体刚度存在量级差异，导致载荷传递路径在界面处发生畸变，刚度突变使约束条件不连续，载荷向边缘区域偏移聚集，形成应力尖峰。绳槽过渡区因钢丝绳由直线段进入圆弧槽时曲率骤变，引发附加弯曲变形与二次应力，绳股与绳槽壁的动态挤压导致接触应力在过渡弧段出现梯度陡升。焊接接头处因母材与焊缝材料热膨胀系数差异、熔合区组织不均及焊接残余应力三重耦合作用，初始缺陷在交变载荷下优先扩展。疲劳试验表明，裂纹扩展速率与应力幅值呈指数正相关，通过结构优化将应力集中系数降低，可使疲劳裂纹萌生寿命延长，显著提升筒壳全周期可靠性。

三、卷筒筒壳强度计算方法

3.1 解析法计算原理与局限性

解析法基于弹性力学平面应力理论，将筒壳简化为无限长弹性基础梁模型，通过求解微分方程获取应力分布。传统解析法假设材料为理想弹性体，且忽略钢丝绳弹性模量的非线性特征，导致计算结果与实际工况存在偏差。针对多层缠绕工况，解析法需引入缠绕系数修正径向压缩应力，但该方法难以考虑层间过渡对载荷分布的影响。

3.2 有限元法计算流程与优势

有限元法通过建立筒壳三维实体模型，实现复杂载荷与边界条件的精确模拟。计算流程包括几何建模、网格划分、材料属性赋值、载荷与约束施加及后处理分析。相比解析法，有限元法可考虑材料非线性、几何大变形及接触非线性等因素，能够直观显示筒壳应力云图与变形分布。现代商用软件如 ANSYS、Hypermesh 等已集成疲劳寿命预测模块，可基于雨流计数法与 Miner 线性累积损伤理论，评估筒壳在变幅载荷下的疲劳寿命。

3.3 复合结构强度计算方法

针对筒壳与木衬的复合结构，需建立组合梁模型进行强度分析。木衬通过埋头螺栓与筒壳连接，其弹性模量远低于钢材，导致组合结构刚度分布不均。通过引入等效抗弯刚度概念，将木衬与筒壳的弯曲刚度叠加，可简化计算模型。研究表明，合理设计木衬厚度与螺栓间距，可使筒壳钢板中的弯曲应力降低，显著提升整体承载能力。

四、卷筒筒壳强度校核与优化策略

4.1 强度校核标准与流程

强度校核需依据《煤矿安全规程》及相关行业标准，对筒壳材料的许用应力、变形量及疲劳寿命进行综合评估。校核流程包括静强度校核、疲劳强度校核及稳定性校核。静强度校核需验证筒壳在最大载荷工况下的应力是否低于材料屈服强度；疲劳强度校核需基于载荷谱与S-N 曲线，评估筒壳在交变载荷下的裂纹萌生寿命；稳定性校核需验证筒壳在轴向压力作用下的临界屈曲载荷是否满足设计要求。

4.2 结构优化设计方法

结构优化需从材料选择、几何参数调整及支承方式改进三方面入手。材料选择方面，采用高强度低合金钢可提升筒壳的屈服强度与韧性；几何参数调整方面，通过增大筒壳壁厚与支环直径，可降低应力集中系数，但需权衡设备重量与制造成本；支承方式改进方面，采用三支环结构可使筒壳应力分布更均匀，相比双支环结构，其最大当量应力可降低。

4.3 可靠性设计理论应用

可靠性设计理论将材料性能、载荷工况及制造误差视为随机变量，通过概率统计方法评估筒壳的失效概率。基于对数正态分布假设，可建立应力与强度的联合概率密度函数，进而计算筒壳的可靠度指标。研究表明，通过引入安全系数与分项系数，可使筒壳在规定寿命内的失效概率控制在合理范围内，显著提升设备运行的可靠性。

五、结束语

本文系统分析了矿井提升机卷筒筒壳的强度计算与校核方法，揭示了筒壳在复杂工况下的应力分布规律与疲劳损伤机理。研究结果表明，传统解析法因简化假设过多，难以满足现代大型提升机的设计需求；有限元法结合复合结构理论，可显著提升计算精度；通过优化支环数量与刚度匹配、改进筒壳与木衬的复合结构，可有效降低局部应力集中风险。未来研究需重点关注以下方向：一是建立多物理场耦合的数值模型，研究热- 力耦合作用对筒壳强度的影响；二是开发基于机器学习的优化算法，实现筒壳结构的智能化设计；三是完善矿井提升机全生命周期健康监测体系，为设备维护提供数据支撑。通过上述研究，可进一步提升矿井提升机的安全性能与经济效益，推动矿山装备制造业的高质量发展。

参考文献

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