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[摘 要]介绍了卡绳器等工作原理及组成，并对其主要薄弱部分壁板进行了受力分析和结构优化。结果表明，在夸大了受力的情况下满足安全需求，卡绳器具有极大的实用性；同时，优化后，在降低卡绳器质量、减少资源浪费的前提下，保证了卡绳器的安全使用。
[关键词]张紧装置；卡绳器；壁板；ANSYS
中图分类号：TH237 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0383-01
引言
钢丝绳罐道以钢丝绳为提升容器的导向装置，由罐道钢丝绳、防撞绳、张紧装置等组成。张紧装置由两个结构类似，但功能不同的卡绳器组成。卡绳器直接与钢丝绳接触，承受作用力的是楔形块和卡绳器壁板，因此为保证张紧装置安全可靠，对卡绳器进行受力分析和结构优化对煤矿的安全生产有着极为重要的意义。
1 卡绳器的主要结构和工作原理
卡绳器由前夹板、后夹板、夹铁、楔块和挡板组成（图1）。在夹紧过程中，首先卸掉挡板，提起楔块，将罐道绳放入卡绳器的卡绳槽内，放下楔块，楔块自动夹紧罐道绳，最后装上挡板。在调绳过程中，张紧液压缸推动夹铁向上运动，带动楔块夹紧罐道绳，由于楔块与罐道绳间存在摩擦力，楔块带动其向上运动，从而实现张紧。
井下安装倒置的卡绳器，工作原理与图1中卡绳器相同，只是在结构上略有不同。井下卡绳器的支座通过螺栓联接到井底防撞梁上，由于其倒立放置，在调绳前，楔块要进行预紧。设计处理为用两块压紧条压在楔块上，通过拧紧联接在夹铁上的螺栓使楔块压紧，从而夹紧罐道绳，实现固定罐道绳的目的。
2 卡绳器有限元分析
对卡绳器的受力分析和结构优化，主要是分析卡绳器中壁板、楔块和夹铁等主要受力部件。通过对卡绳器做初步的应力分析，壁板，楔块和夹铁中，壁板所受的应力最大，因此本文对强度较弱的壁板进行有限元分析及多目标优化，实现对卡绳器的静力分析和结构优化。
利用PRO-E软件建立壁板的三维模型，导入ANSYS Workbench中，并对其进行简化，定义壁板材料选用普通结构钢，屈服强度为345MPa。对模型进行网格划分，如图2所示。
网格划分完成后对模型施加载荷。为保证卡绳器安全使用，静力分析过程中载荷条件均使用极限值。在该分析过程中，施加在一面壁板上的正压力为300kN。在Solution中插入需要求解的选项Equivalent Stress和Total Deformation，点击Slove进行求解并后处理。如图3为壁板等效应力及总体变形云图。
如图3所示，壁板上的最大应力为248.2 MPa，远小于所选材料的屈服极限，满足安全需求。而壁板的变形非常小，在10-5m级，可以忽略不计。说明所设计的卡绳器满足安全需要，具有实用性。
3 卡绳器壁板多目标驱动优化
选择壁板的最小质量作为目标函数；约束条件为构件所受到的最大应力材料的小于屈服强度，选取安全系数[S]；选取设计变量分别为卡绳器壁板的高度、宽度和厚度，建立优化方程为：
Min Mass
s.t.σmax≤[σ]/[S]
h1≤DS_Height≤h2
w1≤DS_Width≤w2
t1≤DS_Thickness≤t2
式中各设计变量的变化范围根据实际使用情况给出。结合实际工况，初步设计卡绳器壁板尺寸为：宽度80mm、高度290mm、厚度8.5mm。取本例中张紧液压缸张紧时运行速度为0.05m/s，启动加速度0.01m/s2，每次张紧行程为0.4m。取约束条件的范围：
250≤DS_Height≤320
150≤DS_Width≤200
6.5≤DS_Thickness≤9.5
通过上述多目标驱动优化方法，得出三个候选优化结果为如下表1所示：
对比表1中三个候选目标，对比三组候选结果，第一组结果在质量减小较大的情况应力增加并不多，完全满足强度需求，可选第一组结果。其与优化前对比如表2所示。
由表2可已看出，經过优化，卡绳器壁板有了较大的改观，在满足使用需求的情况下较少了使用材料，降低了张紧装置自身质量。根据对卡绳器壁板的优化，可对整个张紧装置进行优化，对提升张紧装置的可靠性、减少资源浪费具有重要意义。
4 结论
介绍了卡绳器的组成及工作原理，并运用ANSYS对张紧装置卡绳器的主要部件做了静力学分析，分析结果表明，在夸大了受力的情况下满足安全需求，具有极大的实用性。对卡绳器做了结构优化，在降低卡绳器质量、减少资源浪费的前提下，保证了卡绳器的安全使用。
参考文献
[1] 周庆根.钢丝绳罐道新型拉紧装置的应用[J].矿山机械.2007（12）：152-153.
[2] 白霄，杨建奎.基于PLC钢丝绳罐道液压自动张紧系统设计研究[J].煤矿机械. 2008（5）：127-129.
[3] 关博文，吴君.钢丝绳罐道张紧装置张力控制的研究[J].煤矿机械.2011（7）：179-180.
[4] 李戈.新型钢丝绳罐道液压张紧装置的研究[J].矿山机械.2010（9）： 52-54.
作者简介
李仕祥（1972-），男，江苏盐城人，助理工程师，2010年毕业于山东科技大学，现从事机电管理工作。
[关键词]张紧装置；卡绳器；壁板；ANSYS
中图分类号：TH237 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0383-01
引言
钢丝绳罐道以钢丝绳为提升容器的导向装置，由罐道钢丝绳、防撞绳、张紧装置等组成。张紧装置由两个结构类似，但功能不同的卡绳器组成。卡绳器直接与钢丝绳接触，承受作用力的是楔形块和卡绳器壁板，因此为保证张紧装置安全可靠，对卡绳器进行受力分析和结构优化对煤矿的安全生产有着极为重要的意义。
1 卡绳器的主要结构和工作原理
卡绳器由前夹板、后夹板、夹铁、楔块和挡板组成（图1）。在夹紧过程中，首先卸掉挡板，提起楔块，将罐道绳放入卡绳器的卡绳槽内，放下楔块，楔块自动夹紧罐道绳，最后装上挡板。在调绳过程中，张紧液压缸推动夹铁向上运动，带动楔块夹紧罐道绳，由于楔块与罐道绳间存在摩擦力，楔块带动其向上运动，从而实现张紧。
井下安装倒置的卡绳器，工作原理与图1中卡绳器相同，只是在结构上略有不同。井下卡绳器的支座通过螺栓联接到井底防撞梁上，由于其倒立放置，在调绳前，楔块要进行预紧。设计处理为用两块压紧条压在楔块上，通过拧紧联接在夹铁上的螺栓使楔块压紧，从而夹紧罐道绳，实现固定罐道绳的目的。
2 卡绳器有限元分析
对卡绳器的受力分析和结构优化，主要是分析卡绳器中壁板、楔块和夹铁等主要受力部件。通过对卡绳器做初步的应力分析，壁板，楔块和夹铁中，壁板所受的应力最大，因此本文对强度较弱的壁板进行有限元分析及多目标优化，实现对卡绳器的静力分析和结构优化。
利用PRO-E软件建立壁板的三维模型，导入ANSYS Workbench中，并对其进行简化，定义壁板材料选用普通结构钢，屈服强度为345MPa。对模型进行网格划分，如图2所示。
网格划分完成后对模型施加载荷。为保证卡绳器安全使用，静力分析过程中载荷条件均使用极限值。在该分析过程中，施加在一面壁板上的正压力为300kN。在Solution中插入需要求解的选项Equivalent Stress和Total Deformation，点击Slove进行求解并后处理。如图3为壁板等效应力及总体变形云图。
如图3所示，壁板上的最大应力为248.2 MPa，远小于所选材料的屈服极限，满足安全需求。而壁板的变形非常小，在10-5m级，可以忽略不计。说明所设计的卡绳器满足安全需要，具有实用性。
3 卡绳器壁板多目标驱动优化
选择壁板的最小质量作为目标函数；约束条件为构件所受到的最大应力材料的小于屈服强度，选取安全系数[S]；选取设计变量分别为卡绳器壁板的高度、宽度和厚度，建立优化方程为：
Min Mass
s.t.σmax≤[σ]/[S]
h1≤DS_Height≤h2
w1≤DS_Width≤w2
t1≤DS_Thickness≤t2
式中各设计变量的变化范围根据实际使用情况给出。结合实际工况，初步设计卡绳器壁板尺寸为：宽度80mm、高度290mm、厚度8.5mm。取本例中张紧液压缸张紧时运行速度为0.05m/s，启动加速度0.01m/s2，每次张紧行程为0.4m。取约束条件的范围：
250≤DS_Height≤320
150≤DS_Width≤200
6.5≤DS_Thickness≤9.5
通过上述多目标驱动优化方法，得出三个候选优化结果为如下表1所示：
对比表1中三个候选目标，对比三组候选结果，第一组结果在质量减小较大的情况应力增加并不多，完全满足强度需求，可选第一组结果。其与优化前对比如表2所示。
由表2可已看出，經过优化，卡绳器壁板有了较大的改观，在满足使用需求的情况下较少了使用材料，降低了张紧装置自身质量。根据对卡绳器壁板的优化，可对整个张紧装置进行优化，对提升张紧装置的可靠性、减少资源浪费具有重要意义。
4 结论
介绍了卡绳器的组成及工作原理，并运用ANSYS对张紧装置卡绳器的主要部件做了静力学分析，分析结果表明，在夸大了受力的情况下满足安全需求，具有极大的实用性。对卡绳器做了结构优化，在降低卡绳器质量、减少资源浪费的前提下，保证了卡绳器的安全使用。
参考文献
[1] 周庆根.钢丝绳罐道新型拉紧装置的应用[J].矿山机械.2007（12）：152-153.
[2] 白霄，杨建奎.基于PLC钢丝绳罐道液压自动张紧系统设计研究[J].煤矿机械. 2008（5）：127-129.
[3] 关博文，吴君.钢丝绳罐道张紧装置张力控制的研究[J].煤矿机械.2011（7）：179-180.
[4] 李戈.新型钢丝绳罐道液压张紧装置的研究[J].矿山机械.2010（9）： 52-54.
作者简介
李仕祥（1972-），男，江苏盐城人，助理工程师，2010年毕业于山东科技大学，现从事机电管理工作。