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【摘 要】在煤矿生产中，大型提升设备和运输设备的反向转动往往会造成重大的安全事故。因而逆止器在煤矿安全方面起着十分重要的作用。本文对常用的各种逆止器的原理进行了分析，并应用ANSYS软件对NJ300型接触式逆止器的逆止过程进行运动仿真，分析了在逆止过程中异形块和内外圈的受力状况以及受力分布，为逆止器的发展和研究提供了理论依据。
【关键词】逆止器；虚拟样机技术；有限元分析
1.引言
在煤矿生产中，大型运输设备在坡度较大向上有载运输时，极易因断电、驱动发生故障等各种原因发生反向转动，轻则造成物料堆积，不易再次启动；重则造成设备损坏，甚至人员伤亡。因此，在煤矿设备中，特别是大型运输设备和提升设备都必须配备逆止器，以防止意外的发生。而逆止器逆止效果的好坏，设计的合理性以及性能等各个方面都直接关系着煤矿的安全开采。 [1]
2.逆止器的种类
逆止器在煤矿生产中十分重要，根据其工作特性以及适用场所，可分为：带式逆止器、非接触性逆止器和接触式逆止器这三大类。
2.1 带式逆止器
带式逆止器结构相对比较简单，主要有制动带、止退器、限制器等三部分组成。由于结构比较简单，当需要的逆止力较大时，容易因摩擦力不够发生打滑现象。因此这种逆止器主要应用在坡度较小的小型输送机和功率较小的设备上。
2.2 非接触式逆止器
非接触式逆止器由于它的无磨损转动以及逆止可靠、逆止力矩大、重量轻、安装方便等优点从而经常应用到中小型带式输送机、刮板输送机以及小型提升设备上。其主要是由许多楔形块组成，当反转时，在弹簧的作用下楔形块反转卡住滚道实现逆止，从而阻止物料下滑。
2.3 接触式逆止器
接触式逆止器也是靠楔形块卡住滚道实现逆止，不同的是当外圈速度小于内圈速度时，内圈迫使楔形块反转，从而卡住滚道，就是因为这个原因接触式逆止器的逆止力矩要较非接触式逆止器大，从而经常应用于较大型的皮带机上。更重要的是由于楔形块的特殊性，在正常转动时，楔块与滚道接触，但是实现的是超低磨损。在日常使用中接触式逆止器主要安装在减速器的低速轴上。
3.虚拟样机技术概述
采用虚拟样机进行接触式楔块逆止器设计，设计人员可以通过软件细致的观察逆止器的内外结构，并虚拟实际工况进行仿真技术分析，分析发生反转时各楔块的受力情况以及正常运转时楔块与内外圈的摩擦情况，从而达到结构最优，产品最优的目的。同时通过虚拟样机分析，可以降低制造试验物理样机的成本，使在新产品开发中少走弯路。
4. NJ300型逆止器虚拟样机
NJ300型接触式楔块逆止器可有效的防止反转造成的各种事故，是一种新型的防逆转保护装置，主要安装在减速机低速轴上，具有非常强大的防反转能力。主要用于大功率、大运量、大倾角的输送机上，同时还可用于大型提升设备，是未来煤矿设备安全的必备产品。为了更好地对NJ300型接触式楔块逆止器进行研究，我们首先利用三维造型软件Solidworks对其零部件进行建模、装配成整机，并对其进行干涉检验，保证整个逆止器没有干涉现象。建模完成后运用有限元仿真分析软件ANSYS11.0对逆止器逆止过程进行分析，并根据结果进行分析和研究。
4.1 主要参数
NJ300型逆止器主要性能和结构参数，见表1。
4.2建立三维模型
根据NJ300型逆止器的设计图纸，利用三维造型软件Solidworks对逆止器的各个部件进行建模，并装配成整体（如图1所示）为下一步具体分析做准备。
图1 装配体
4.3对模型添加仿真分析条件 [3-5]
（1）根据需要分析的内容和特点确定单元类型为SOLID45。
（2）对模型添加材料属性。根据材料的材质特征作出如下设定：密度为7.850×103kg/m3；弹性模量为2.1×1011Pa；泊松比为0.36；屈服应力为1.750×109Pa；切变模量为8.25×1010Pa；模型中的异形块、内圈和外圈均设定为弹性体。
（3）划分网格。
（4）生成材料的Part号。
（5）定义接触。将内圈与异形块的接触、外圈与异形块的接触分别定义为面—面接触。
（6）定义体主元和面主元，并将相关零件设定成组件。
（7）定义约束。根据逆止器的工作原理，其外圈应该是固定不动的，内圈在XY平面内绕中心轴转动。
（8）设定1个时间参数为0.002 s。
（9）添加力值参数。在逆止器内圈添加转动力矩10000 N·m。
（10）设定求解条件。设定求解时间为0.0021 s；求解选项设定为ANSYS and LS/DYNA，ACSⅡ。
4.4 逆止过程仿真结果分析
取其中一个异形块作简化模型进行分析，如图2所示。由于在添加求解条件时设定了ASCⅡ选项，因而可以求解异形块与内、外圈接触表面的接触应力。读取异形块与内圈、外圈表面的接触应力变化曲线，随着逆止的进行，异形块与内、外圈之间的接触应力是不断变化和波动的。逆止初期，接触应力比较小，随着逆止的进行，接触应力增大，在某一时刻达到最大值，从而实现阻止设备反转，达到逆止的目的。
图2 异性块受力分布图
5.结论
利用ANSYS软件对NJ300型非接触式逆止器的逆止过程进行了仿真分析，随着逆止的进行，接触应力逐渐增大，得到了异形块和内、外圈的最大接触应力以及分布位置，发现其受力分布存在不均匀性。同时对如何改变不规则楔形块的形状来增大逆止力矩，减少正常运转时的摩擦力和滚道、楔形块的材质性能都有了较为全面的了解，为以后逆止器的设计和研究具有重要的指导意义。
参考文献：
[1] DTⅡ（A）带式输送机设计手册.冶金工业出版社，2003.
[2] 郑志昊.基于虚拟样机技术的接触式楔块逆止器的动态仿真和力学研究[D]. 煤炭科学研究总院.
[3] 时党勇，李裕春，张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显示动力分析[M].北京：清华大学出版社，2005.
[4] 钱俊梅，江晓红.浅谈基于ANSYS软件的接触分析问题[J].煤矿机械，2006（7）：62-64.
[5] 尚晓江，苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
作者简介：
王双辉，女，1983年07月25日，现工作于中国平煤神马集团机械制造公司，助理工程师，主要从事矿山机械的设计与研究。
【关键词】逆止器；虚拟样机技术；有限元分析
1.引言
在煤矿生产中，大型运输设备在坡度较大向上有载运输时，极易因断电、驱动发生故障等各种原因发生反向转动，轻则造成物料堆积，不易再次启动；重则造成设备损坏，甚至人员伤亡。因此，在煤矿设备中，特别是大型运输设备和提升设备都必须配备逆止器，以防止意外的发生。而逆止器逆止效果的好坏，设计的合理性以及性能等各个方面都直接关系着煤矿的安全开采。 [1]
2.逆止器的种类
逆止器在煤矿生产中十分重要，根据其工作特性以及适用场所，可分为：带式逆止器、非接触性逆止器和接触式逆止器这三大类。
2.1 带式逆止器
带式逆止器结构相对比较简单，主要有制动带、止退器、限制器等三部分组成。由于结构比较简单，当需要的逆止力较大时，容易因摩擦力不够发生打滑现象。因此这种逆止器主要应用在坡度较小的小型输送机和功率较小的设备上。
2.2 非接触式逆止器
非接触式逆止器由于它的无磨损转动以及逆止可靠、逆止力矩大、重量轻、安装方便等优点从而经常应用到中小型带式输送机、刮板输送机以及小型提升设备上。其主要是由许多楔形块组成，当反转时，在弹簧的作用下楔形块反转卡住滚道实现逆止，从而阻止物料下滑。
2.3 接触式逆止器
接触式逆止器也是靠楔形块卡住滚道实现逆止，不同的是当外圈速度小于内圈速度时，内圈迫使楔形块反转，从而卡住滚道，就是因为这个原因接触式逆止器的逆止力矩要较非接触式逆止器大，从而经常应用于较大型的皮带机上。更重要的是由于楔形块的特殊性，在正常转动时，楔块与滚道接触，但是实现的是超低磨损。在日常使用中接触式逆止器主要安装在减速器的低速轴上。
3.虚拟样机技术概述
采用虚拟样机进行接触式楔块逆止器设计，设计人员可以通过软件细致的观察逆止器的内外结构，并虚拟实际工况进行仿真技术分析，分析发生反转时各楔块的受力情况以及正常运转时楔块与内外圈的摩擦情况，从而达到结构最优，产品最优的目的。同时通过虚拟样机分析，可以降低制造试验物理样机的成本，使在新产品开发中少走弯路。
4. NJ300型逆止器虚拟样机
NJ300型接触式楔块逆止器可有效的防止反转造成的各种事故，是一种新型的防逆转保护装置，主要安装在减速机低速轴上，具有非常强大的防反转能力。主要用于大功率、大运量、大倾角的输送机上，同时还可用于大型提升设备，是未来煤矿设备安全的必备产品。为了更好地对NJ300型接触式楔块逆止器进行研究，我们首先利用三维造型软件Solidworks对其零部件进行建模、装配成整机，并对其进行干涉检验，保证整个逆止器没有干涉现象。建模完成后运用有限元仿真分析软件ANSYS11.0对逆止器逆止过程进行分析，并根据结果进行分析和研究。
4.1 主要参数
NJ300型逆止器主要性能和结构参数，见表1。
4.2建立三维模型
根据NJ300型逆止器的设计图纸，利用三维造型软件Solidworks对逆止器的各个部件进行建模，并装配成整体（如图1所示）为下一步具体分析做准备。
图1 装配体
4.3对模型添加仿真分析条件 [3-5]
（1）根据需要分析的内容和特点确定单元类型为SOLID45。
（2）对模型添加材料属性。根据材料的材质特征作出如下设定：密度为7.850×103kg/m3；弹性模量为2.1×1011Pa；泊松比为0.36；屈服应力为1.750×109Pa；切变模量为8.25×1010Pa；模型中的异形块、内圈和外圈均设定为弹性体。
（3）划分网格。
（4）生成材料的Part号。
（5）定义接触。将内圈与异形块的接触、外圈与异形块的接触分别定义为面—面接触。
（6）定义体主元和面主元，并将相关零件设定成组件。
（7）定义约束。根据逆止器的工作原理，其外圈应该是固定不动的，内圈在XY平面内绕中心轴转动。
（8）设定1个时间参数为0.002 s。
（9）添加力值参数。在逆止器内圈添加转动力矩10000 N·m。
（10）设定求解条件。设定求解时间为0.0021 s；求解选项设定为ANSYS and LS/DYNA，ACSⅡ。
4.4 逆止过程仿真结果分析
取其中一个异形块作简化模型进行分析，如图2所示。由于在添加求解条件时设定了ASCⅡ选项，因而可以求解异形块与内、外圈接触表面的接触应力。读取异形块与内圈、外圈表面的接触应力变化曲线，随着逆止的进行，异形块与内、外圈之间的接触应力是不断变化和波动的。逆止初期，接触应力比较小，随着逆止的进行，接触应力增大，在某一时刻达到最大值，从而实现阻止设备反转，达到逆止的目的。
图2 异性块受力分布图
5.结论
利用ANSYS软件对NJ300型非接触式逆止器的逆止过程进行了仿真分析，随着逆止的进行，接触应力逐渐增大，得到了异形块和内、外圈的最大接触应力以及分布位置，发现其受力分布存在不均匀性。同时对如何改变不规则楔形块的形状来增大逆止力矩，减少正常运转时的摩擦力和滚道、楔形块的材质性能都有了较为全面的了解，为以后逆止器的设计和研究具有重要的指导意义。
参考文献：
[1] DTⅡ（A）带式输送机设计手册.冶金工业出版社，2003.
[2] 郑志昊.基于虚拟样机技术的接触式楔块逆止器的动态仿真和力学研究[D]. 煤炭科学研究总院.
[3] 时党勇，李裕春，张胜民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1进行显示动力分析[M].北京：清华大学出版社，2005.
[4] 钱俊梅，江晓红.浅谈基于ANSYS软件的接触分析问题[J].煤矿机械，2006（7）：62-64.
[5] 尚晓江，苏建宇.ANSYS/LS-DYNA动力分析方法与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
作者简介：
王双辉，女，1983年07月25日，现工作于中国平煤神马集团机械制造公司，助理工程师，主要从事矿山机械的设计与研究。