（机械设计及理论专业论文）斜井提升钢丝绳防脱装置的研究.pdf

太原理f 人学硕十研究生学位论文 斜井提升钢丝绳防脱装置的研究 摘要 新世纪以来我国经济总量快速增长，作为能源世界主角的煤炭发挥着 十分重要的作用。随着我国煤炭工业的快速发展，煤炭产量大幅增加，斜 井的使用数量也越来越多。煤矿斜井提升过程中，作为主要承载和传动部 件的钢丝绳具有受力变化复杂，易发生弹性跳动等特点。频繁地、剧烈地 受力变化是造成钢丝绳损坏的主要原因。到目前为止还没有一套可以改善 钢丝绳受力、提高斜井提升安全性的成熟机械装置。因此，斜井提升的安 全性和可靠性面临挑战。 本课题结合斜井提升工业流程和现场布置情况，设计了一套可以和天 轮配套使用的，且具有可靠性好、自适应性强等优点的防脱绳装置。该装 置由机械结构的弹性压绳轮装置、液压驱动的快速反应限位装置以及以p l c 为核心的状态检测模块三部分组成。 本课题从研究松绳、脱绳的几种典型工况出发，对松绳的原因和机理 进行了分析，这为后期弹性压绳轮装置和快速反应限位装置的引入及性能 参数的确定提供了基本的理论支持；对钢丝绳弹性跳动的关键因素进行了 分析研究，提出了应用弹性压绳轮装置和快速反应限位装置相结合的方式， 旨在防止斜井提升天轮钢丝绳脱落和提升机钢丝绳乱绳现象的发生；还设 计了一套以p l c 控制技术为基础，并结合传感器技术，能够实现声光报警 功能的新型状态监测模块。 本课题应用a d a m s 软件对防脱绳装置进行了机械和液压联合仿真研究。 l 太原理r 人学硕十研究生学位论文 在几种典型工况下，对压绳轮装置的工作性能进行了分析。此外，还对快 速反应限位装置中液压模块的压力和流量等进行了分析。 仿真研究与工业性试验表明，弹性压绳轮装置和快速反应限位装置的 有机组合，可以有效应对斜井提升中的各种复杂情况，对提高斜井提升运 输的安全性，降低斜井断绳、脱落事故的发生几率起到了十分重要的作用。 关键词：斜井提升，钢丝绳，压绳轮，a d a m s 太原理l ：人学硕士研究生学位论文 二_ 二二二二_ 二一 r e s e a r c ho na n t i d r o pd e v i c eo fh o i s t i n g w i r er o p ei ni n c l n q e ds h a f t a b s t r a c t s i n c et h en e wc e n t u r y ，t h ee c o n o m i cg r o s so fo u rc o i i n t r yh a sg r o w n q u i c k l y ，a n dt h ec o a l ，a saw o r l dl e a d i n ge n e r g y ，h a sp l a y e dav e r yi m p o r t a n t r o l e w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sc o a li n d u s t r ya n dc o a lo u t p u t i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y ，t h en u m b e ro fi n c l i n e ds h a f tb e c o m em o r ea n dm o r e i n t h ei n c l i n e ds h a f th o i s t i n gp r o c e s s ，t h ew i r er o p e ，a st h em a i ns t r e s sc o m p o n e n t s ， h a sc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xs t r e s sv a r i a t i o na n d e a s yo c c u r r e n c ee l a s t i c b e a t i n g t h em a i nr e a s o no fd a m a g eo fw i r er o p ei sf r e q u e n ta n ds e v e r ec h a n g e o ff o r c e s of a rt h e r eh a sn om a t u r em e c h a n i c a ld e v i c ew h i c hc a ni m p r o v et h e l o a da n ds a f e t yo fi n c l i n e ds h a f th o i s t i n gw i r er o p e t h e r e f o r e ，t h es a f e t ya n d r e l i a b i l i t yo fi n c l i n e ds h a f tl i f t i n gf a c ec h a l l e n g e s t h i sp a p e r ，a f t e rc o m b i n i n gw i t ht h ei n c l i n e ds h a f t h o i s t i n gi n d u s t r i a l p r o c e s sa n ds i t el a y o u t ，d e s i g n e das e to fa n t i d e t a c h m e n td e v i c e ，w h i c hc a n c o o p e r a t ew i t hs h e a v e ，a n dh a sa d v a n t a g e so fr e l i a b i l i t ya n ds t r o n ga d a p t a b i l i t y t h ed e v i c ec o n s i s t so ft h r e ep a r t s ，w h i c hi st h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h e e l a s t i cr o p e p r e s s i n gr o l l e rd e v i c e ，h y d r a u l i cd r i v e nr a p i dr e a c t i o nl i m i t i n g d e v i c ea n dt h ep l ca st h ec o r eo ft h es t a t ed e t e c t i o nm o d u l e 太原理一人学硕十研究生学位论文 b a s e do ns e v e r a lt y p i c a l w o r k i n gc o n d i t i o n s o fs l a c kr o p ea n dr o p e r e l e a s i n g ，r e a s o na n dm e c h a n i s mo f s l a c kr o p ew e r ea n a l y s e d ，w h i c hg i v eb a s i c t h e o r e t i c a l s u p p o r to nd e t e r m i n i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fe l a s t i cr o p e p r e s s i n gr o l l e rd e v i c ea n dl i m i t i n gd e v i c e ；b a s e do ns t u d yo fk e yf a c t o r so f t h e f l e x i b l ew i r er o p ej u m p i n g ，t h ea p p l i c a t i o no fc o m b i n i n ge l a s t i cr o p ep r e s s i n g d e v i c ea n dl i m i t i n gd e v i c ew a sp u tf o r w a r d ，t op r e v e n tt h ep h e n o m e n o no fw i r e r o p eo f fa n dr o p er a n d o m ；an e wm o n i t o r i n gm o d u l ew i t hc h a r a c t e r i c so fb a s i n g o np l cc o n t r o lt e c h n o l o g y ，a n dc o m b i n i n gw i t ht h es e n s o rt e c h n i q u e ，w h i c hc a n a l a r mi nw a y so fs o u n da n dl i g h t ，w a sd e s i g n e d t h i sp a p e rs t u d i e do na n t i - d e t a c h m e n td e v i c eo fm e c h a n i c a la n dh y d r a u l i c c o m b i n e ds i m u l a t i o nw i t ha d a m ss o f t w a r e u n d e rs e v e r a lt y p i c a l w o r k i n g c o n d i t i o n s ，w o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ep r e s sr o p ew h e e ld e v i c ea r ea n a l y z e d i n a d d i t i o n ，t h ep r e s s u r ea n df l o wo ft h eh y d r a u l i cm o d u l eo ft h er a p i dr e a c t i o n li m i td e v ic ea r ea n a l y s e d s i m u l a t i o nr e s e a r c ha n di n d u s t r i a lt e s ts h o wt h a t ，t h ec o o p e r a t i o no fe l a s t i c r o p ep r e s s i n gw h e e ld e v i c ea n dl i m i t i n gd e v i c ec a ne f f e c t i v e l yd e a lw i t hv a r i o u s c o m p l i c a t e ds i t u a t i o n si ni n c l i n e ds h a f th o i s t i n g ，a n dc a np l a yav e r yi m p o r t a n t r o l ei nt h ei m p r o v e m e n to fi n c l i n e ds h a f th o i s t i n gt r a n s p o r ts a f e t y , i nr e d u c i n g t h ei n c l i n e db r o k e nr o p e ，a n di ns h e d d i n ga c c i d e n tp r o b a b i l i t y k e yw o r d s ：i n c l i n e ds h a f th o i s t i n g ，w i r er o p e ，p r e s sr o p ew h e e l ，a d a m s i v 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 】1 研究背景 第一章概述 煤炭作为能源世界的主角，被誉为工业的粮食，并且还是重要的化工原料，它的作 用已经渗透到人类社会的各个领域3 。煤炭是我国的主体能源，在我国国民经济发展中 一直占有重要的位置，不但煤炭储存量居世界首位，而且我国煤炭的生产数量和消费数 量也位于世界各国的前列。2 0 0 9 年世界煤炭丌采量为6 5 9 7 亿吨，我国为3 0 5 亿吨， 而我国的消费总量则高达3 1 3 亿吨，净进口1 0 3 亿吨心1 。在世界新型能源尚未达到 普遍开发和利用之时，煤炭作为主要能源将延续较长一段时间，是我国安全可靠的能源。 建国后特别是改革开放以来，我国煤炭工业发展迅速，煤炭产量大幅增长，已多年位居 世界第一，其产量的快速增长为经济社会持续快速发展提供了必要的能源保障，为我国 经济和社会可持续发展奠定了坚实的基础。 矿井提升系统是矿井生产的咽喉，直接制约着生产n 1 。它直接连接着井下和地面， 承担着提升煤炭和矸石的重要任务。在煤炭生产中，提升运输所占的比重最大，所占用 的设备不仅类型多而且数量大。此外提升运输费用在煤炭生产成本中占有很大的比重， 提升运输机械耗电量占全部生产用电量的3 0 - - 4 0 。因此，高效、可靠的提升运输系统 对提高矿井的经济、技术指标具有重大意义。 1 2 煤矿斜井提升系统概述 斜井提升系统是指在井筒倾角小于9 0 。的矿井中所使用的提升设备，提升容器多使 用箕斗或矿车h 3 。按照提升容器的不同可分为斜井箕斗提升系统和斜井串车提升系统两 类。 1 2 1 斜井箕斗提升系统 箕斗提升系统可分为单箕斗提升与双箕斗提升两种类型。斜井箕斗提升系统如图 卜1 所示。井下煤车将煤由翻笼1 中的翻车机卸入井底煤仓2 ，操纵装载阀门3 ，就可以 将煤装入斜井箕斗4 中；在地面栈桥6 上的另一个箕斗，则通过卸载曲轨7 可将闸门打 太原理i ：人学硕+ 研究生学位论文 一 丌，从而可将煤卸入地面煤仓8 中。钢丝绳得一段经过天轮1 0 与卷筒连接，另一犏、_ t t l 币q 4 - 1 - 动箕斗在井筒5 中往复运动，进行提升。 1 一翻笼垌室2 一井。f 煤仓3 一装载i 嘲门4 一斜井箕斗5 一井1 萄6 一栈桥 7 - 卸载! f 1 轨8 - 地面煤仓9 - 立柱1 0 一天轮1 卜提升机卷筒12 一提升机房 图1 - 1 斜井箕斗提升系统 f i g 1 1s k i pi n c l i n e ds h a f th o i s t i n gs y s t e m 其特点有：重心低、运行平稳。多数情况下，由于斜井箕斗的轨距比矿车的轨距 宽，重心较低，加之自重较大，所以稳定性较好，可以提高运行速度，从而大大增强提 升能力。运行平稳可靠。由于矿石不容易撒落在轨道上因此箕斗极少掉道，而且牵引 钢丝绳与箕斗之间是固定连结，不会像串车提升那样由于摘挂钩误操作导致跑车等事故 的发生。容易实现自动化。与斜井串车相比，由于斜井箕斗采用机械化操作，便于管 理且容易实现自动化控制，从而大大降低了劳动强度哺1 。 1 2 2 斜井串车提升系统 卜提升机卷简2 一铜丝绳3 一天轮4 一井架5 一矿车6 一矿井7 一轨道 图1 - 2 斜井串车提升系统 f i g 1 2i n c l i n e ds h a f tl i f t i n gs y s t e m 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 斜井串车提升系统如图卜2 所示，既可作为主井提升，又可作为辅助提升。在上下 运输物料时，提升容器多采用矿车和运料车，在上下运送人员时可将串车摘掉，挂上人 车。矿车在井下被装满后，拉到斜井口然后转为水平地面轨道，再经人工摘钩后转入道 翁，再挂上空车或料车等待下井。 斜井串车提升系统主要有单钩提升和双钩提升两种类型。单钩提升具有井筒断面小， 投资小，维护费用较低，能够实现多水平提升等优点，缺点是生产能力低，电能消耗大： 双钩提升具有产量高，电耗小等优点，缺点是井筒断面大，井上下车场复杂，投资大，不容 易实现多水平提升| 6 1 。 1 2 3 出现的主要问题及原因 提升系统是煤矿生产过程中的一个重要环节，在矿井提升中主要的承载元件是提升 钢丝绳，提升钢丝绳在工作过程中会经受各种载荷的作用，例如弯曲、拉伸、扭转、动 载荷以及接触应力等。因此，钢丝绳的安全运行直接关系到提升设备的安全性和可靠性。 ( 1 ) 1 9 8 3 年4 月1 5 日，某建井处在某矿采区轨道上山施工。由于把钩工违章，在松 绳8m 9m 的情况下，即把挂上的重车推过变坡点送入斜坡道，产生极大的松绳冲击 力，造成断绳跑车事故，撞伤下口信号工，经抢救无效而死亡。 ( 2 ) 2 0 0 8 年1 2 月1 4 日凌晨2 时，位于沈阳市苏家屯区的沈阳煤业集团公司主力矿 井红菱煤矿发生事故，拽着2 0 吨钢架的绞车钢丝绳突然脱落，由于惯性，坠落的钢丝 绳击中井下5 5 0 米作业的四名工人，造成一死三伤。 ( 3 ) 2 0 1 0 年3 月2 3 日，黑龙江省七台河市勃利县亿达选煤有限责任公司下属某煤矿 的地面主提绞车在下放矿车时绞车钢丝绳发生断绳跑车事故，3 人死亡、1 人受伤。 提升钢丝绳是一个弹性体，在提升机速度发生急剧改变时即：加、减速或紧急制动 时，钢丝绳会吸收或释放能量，从而会产生较大的动应力波动。 对于松绳、脱绳的发生原因大体上有以下几种情况： ( 1 ) 重载提升发生紧急制动时，提升机和钢丝绳立即停止，而矿车由于惯性力的作 用继续上移，造成矿车与井口的距离小于钢丝绳的伸出量而产生松绳。 ( 2 ) 下放重物时，如果提升机启动加速度过大，放绳速度大于推车速度，从而导致 放绳量超过推车距离产生松绳。 ( 3 ) 在平车场矿车挂钩推车时，由于该阶段钢丝绳处于松绳状态，人为扰动钢丝绳 太原理i ：人学硕十研究生! 学位论文 也会导致脱绳。 矿井提升运输事故的发生主要在于其运输系统的复杂性，以及恶劣的工作条件。矿 井提升运输事故是仅次于项板事故的第二大事故，而由于松绳脱绳导致的断绳跑车事故 又是矿井提升运输中最为严重的类型之一，根据全国煤矿提升运输事故的统计，断绳事 故占2 0 。煤矿斜井提升时刻受到松绳、脱绳的影响，由松绳导致的事故不仅损毁提升 运输设备，而且给矿工的生命安全构成巨大威胁。斜井提升运输的安全管理，是每一个 矿井安全生产的重要环节。提高煤矿斜井提升运输的可靠性和故障监控水平，对整个煤 炭安全生产而言有着极其重要的意义。 1 3 钢丝绳提升系统发展过程 矿井提升方式中应用最为广泛的当属钢丝绳提升，其特点是使用钢丝绳牵引容器在 井筒中按规定的速度完成加速、匀速、减速和爬行等升降过程，要求准确停车。设备功 率较大，整套机电系统必须具备优良的控制和保护性能。 钢丝绳提升是由原始的提水工具逐步发展演变而来的。早在公元前一千年左右中国 就利用桔槔汲水。早在战国初期手摇辘轳就被用作采矿的提升工具。公元前约2 0 0 年， 四川使用畜力绞车汲卤。在1 4 世纪的明代，我国的采煤业已经很发达。明代科学家宋 应星的自然科学名著天工开物对当时的地下采煤工艺技术做了系统的总结如图卜3 所示，详细的描述了寻煤、开拓、支护、运输、提升、通风、排水、照明等有关技术n 1 ， 这充分说明了我国当时的手工采煤技术已经趋于成熟。 图卜3 ( ( 天工开物中的采煤图 f i g 1 3mi n i n gm a pi n ”h e a v e n l yc r e a t i o n s ” 4 太原理i 一人宁硕士研究生! 学位论文 早在公元1 5 5 6 年，艾古单科纳的一幅关于矿山的油画，就鲜明地反映出在那个时 代绳索在采矿运输上的重要用途。1 9 世纪初期，德国制出第一台蒸汽机拖动的木结构缠 绕式提升机1 。大约在1 8 2 4 1 8 3 8 年，德国克劳斯塔尔的一名采矿工程师，阿尔伯特一 直试图解决矿山运输的难题。他注意到了麻绳的优点就是受力都是沿着纤维方向平行的 传递。另一方面，铁链具有非常高的强度。他试图将两种提升工具的优点结合到一起的 想法，是钢丝绳诞生的第一个念头。】8 2 7 年又出现钢结构提升机。1 8 7 7 年德国设计出 第+ 台单钢丝绳( 单绳) 摩擦式( 戈培) 提升机；1 9 0 5 年德国又制出电力拖动的提升机。 如今钢丝绳的发明，就可以造出1 0 0 0 i 吊装能力的移动式起重机。对于吊装几百吨的重 物，对那些经营吊装设备的专业公司来说，可以说是是轻而易举。 1 4 相关技术的研究进展 】4 1 钢丝绳振动理论的研究进展 东北大学的闻邦春和严世榕教授，对斜井钢丝绳提升进行了非线性振动分析，他们 认为：在提升过程中，位于不同位置地辊上钢丝绳的振动形式是不同的，尤其是在井口附 近或矿车轨道不平整的地方，钢丝绳拍击地辊的现象更为突出，这不仅使绳受到额外附 加冲击力的作用，而且还改变了其振动频率旧1 ，其抗疲劳能力大大降低。钢丝绳振动与托 辊的相互撞击会产生一种非线性振动，进一步的研究发现该种非线性振动会产生一系列 弦的分岔运动。由于这种分岔运动是有害的，因此他们还在寻找避免的可行方法。 中煤国际工程设计研究总院的李玉瑾研究员给出了矿井提升机粘弹性振动方程的 位移解及动张力的计算方法”。他采用多种线形加速度( 主要有矩形、梯形、正弦形和 抛物线形) 研究了钢丝绳的动张力特性，给出了减少和消除粘弹性振动的方法。他还研 究了在加减速情况下绳内的动张力特性，通过设计最佳的起动和停车控制曲线，来达到 有效限制或消除钢丝绳的弹性振动，以及减小钢丝绳动张力的目的，从而提高安全性和 可靠性。 淮南矿业学院的龚国芳教授对提升机绳弦的振动进行了分析，发现绳弦通常是整条 钢丝绳中振动摄剧烈的部位。持续的、剧烈的钢丝绳振动，不但会严重影响钢丝绳的使 用寿命，而且还给整个提升系统一额外动载荷，从而影响天轮和卷筒等设备的使用寿命。 另外，钢丝绳的振动直接影响到提升设备运行的稳定性和可靠性。绳弦过长是引起绳弦 的振动重要原因，因此通常的处理措施是把弦长限制在6 0 m 以内。超过6 0 r n 时，可加设 太原理j 。人学硕+ 研究生! 学位论文 托轮，以便减少绳弦振动。龚国芳教授从分析引起钢丝绳剧烈振动的主要原因出发， 论证了这种做法的得失。 西南科技大学的王中琪、李显寅教授对矿井提升钢丝绳在动负荷下的振动情况进行 了研究。钢丝绳的摆动是影响提升系统工作不稳定和钢丝绳的负荷及其变化的重要因 素，产生的冲击应力也降低了提升钢丝绳的强度，钢丝绳振动及负荷的变化，还会使钢 丝绳产生滑动。当振动幅度较大时，几根钢丝绳可能会发生互相拍打，进一步加剧振动 ”川。分析得出钢丝绳的摆动是影响摩擦式提升机提升高度的重要原因之一。 山东矿业学院的肖林京教授研究了钢丝绳载荷系统的纵向振动【13 | 。他把提升设备的 提升钢丝绳和尾绳均看作线弹性体来对待，综合分析了钢丝绳载荷在任意干扰力及不同 初始条件下的纵向振动，得到了其纵向振动的一般解。应用该一般解的公式，代入安全 制动或卸载时的已知数据即可求出钢丝绳的纵向振动响应，最后求解得出钢丝绳在任意 时刻的动张力的大小。 1 4 2 钢丝绳乱绳、跳槽问题的研究进展 图1 4 断绳、咬绳 图1 5 压绳、垒绳 f i g 1 4b r o k e nr o p e ，r o p eb i t ef i g 1 5t h ep r e s sr o p e ，r o p eb a r r i e r 云南易门矿务局张锡平工程师结合工作实际，利用杠杆重锤式变力平衡机 构：附加一套游动跟随装置，靠重力平衡提升钢丝绳作用在卷筒衬木上增大的轴向分力， 使提升钢丝绳正常缠绕。解决了平衡力与变化的轴向分力相匹配的技术难题，简单、 实用，安装使用后解决了提升钢丝绳的跳槽问题。 中国矿业大学高建荣、白献波教授研究了顺槽连续牵引在现场使用时出现的弹绳现 6 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 象，揭示出弹绳现象的实质，并且提供了解决弹绳问题的一些具体方法引。 重庆大学的龚宪生教授综合运用多种数学和物理方法推导出降低圈间过渡钢丝绳 振动的两个重要公式圈问过渡长度和过渡角度的理论计算公式引。通过实验室试验 与工业试验，证明了理论公式应用于现实的可行性，通过合理设计绳槽过渡区的方法，可 显著降低圈间过渡钢丝绳的冲击振动和磨损。他还总结归纳了影响钢丝绳多层缠绕的多 种因素：缠绕方式( 即绳槽类型及布置方式) 绳间过渡方式及相关几何参数；圈 问过渡方式及相应的长度和角度；提升速度和加速度；钢丝绳的内外偏角值；钢 丝绳的内部结构。 1 4 3 钢丝绳模型的研究进展 西北核技术研究所的王定贤、殷亮、李颖、陈思林、杨丹研究员根据a d a m s 软件提 供的有关模块，研究出钢丝绳的3 种不同的建模方法，重点分析了利用轴套力进行建模 的原理和方法，并通过实例对该方法的仿真过程进行了详细说明。利用轴套力建模能够 较为真实地模拟钢丝绳的运动，在研究钢丝绳缠绕和振动时选用该方法效果会更佳。但 该方法要求学会a d a m s 二次开发的基本方法，熟悉整个系统的逻辑关系并能合理的选择 参数1 。 太原理工大学的尹海轮、杨兆建等利用p r o e 建模，在a d a m s 中建立矿井提升机钢 丝绳的虚拟样机，并对其进行了动力学分析。文章通过对提升机的虚拟样机进行分析， 发现：在正常载荷作用下，工作时的悬垂长度直接影响着钢丝绳的速度波动：钢丝绳受 力的主要影响因素不仅有提升箕斗的重量，还有钢丝绳与天轮和滚筒的摩擦等因素； 在非正常载荷作用下，例如在提升箕斗被卡住时钢丝绳所受的力很大，极易引起钢丝绳 断裂。在这种情况下，钢丝绳受力的主要因素有系统的惯性、钢丝绳的自重、不同位置 段钢丝绳所受到的冲击力等n 8 | 。 武汉大学动力与机械学院的夏钱平和石端伟教授应用m a t l a b 和p r o e 给钢丝绳建 模应用m a t l a b 丰富的函数库和精确的计算功能以及p r o e 灵活、便捷的建模技术生成 矿井提升用的模拟钢丝绳，为矿用钢丝绳结构分析、研究提供了一项便捷的建模技术。 p r o e 是当前主流的三维设计软件之一，其主要特点是能够把多个部门同时整合到同一 产品设计过程当中，但由于其用于生成曲线的方程函数有限，致使其在按照数学表达式 生成复杂的实体方面遇到瓶颈。而m a t l a b 是一款著名的数学软件，它的强项在于拥有 太原理ji ：人学硕十研究生学位论文 丰富的命令和数学函数。利用m a t l a b 强大的函数库以及其对复杂曲线进行数学处理和 计算的功能，然后将处理后的数据导入p r o e ，这样就大大扩展p r o e 对复杂曲线设计 的能力。钢丝绳是矿井提升中的主要受力元件，根据其实体结构，首先利用m a t l a b 编写源程序并生成i b l 文件，然后利用p r o e 生成钢丝绳的轨迹曲线。 华南理工大学机械与汽车工程学院的谢小鹏、贾尚雨、牛高产教授对不旋转钢丝绳 力学模型和力学特性进行了研究。他们首先分析了不旋转钢丝绳外股钢丝的受力，寻找 出钢丝磨损深度与外载荷的数学关系，最后建立了内层钢丝绳的力学模型憎”1 。 1 5 主要研究内容及技术路线 1 5 1 主要研究内容 ( 1 ) 分析煤矿斜井提升系统的组成结构及提升运输的工作流程，从工作流程中进 一步分析可能导致钢丝绳弹性振动的激振源； ( 2 ) 分析钢丝绳的内部结构，在钢丝绳是弹性体的前提下，分析斜井提升运输过 程中产生松绳的几种典型工况，利用机械振动学的相关理论，建立了单自由度系统的振 动力学模型。 ( 3 ) 利用三维实体建模软件s o i d w o r k s 2 0 0 7 ，结合工业现场实际，建立防脱绳装 置机械系统的三维模型，并对装置中的关键元部件进行有限元分析，依据分析结果针对 性地进行结构优化设计； ( 4 ) 运用多体系统动力学a d a m s 仿真软件，建立防脱绳装置的虚拟样机，对装置 的机械系统进行运动学和动力学的仿真研究，检验装置的缓冲吸振和防脱绳效果。在同 一软件的界面中，进一步建立装置的液压系统，在机械、液压系统同时参与仿真的基础 上，对防脱绳装置的整体性能进行仿真研究，寻找出影响液压系统的因素，进而优化液 压系统的相关参数； ( 5 ) 在计算机仿真研究的基础上，制作装置样机，在煤矿应用现场进行试验研究， 详细记录提升运输过程中的有关数据，对装置的设计参数进行最后调整，整理本课题的 研究材料并对研究成果进行科学总结。 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 1 5 2 技术路线 1 6 本章小结 图1 - 6 技术路线流程图 f i g 1 6t e c h n i c a lr o u t ec h a r t 本章首先介绍了研究的背景及必要性，即煤炭工业对国民经济发展的重要作用，其 次概述了两种不同的斜井提升系统，然后简要介绍了钢丝绳提升系统的发展历史，紧接 9 太原理r 人学硕十研究生! 学位论文 着对目前钢丝绳相关技术的研究进展进行了概述，最后提出了本课题的主要研究内容和 具体实施的技术路线。 l o 太原理jl ：人学硕+ 研究生学位论文 2 1 钢丝绳的结构 第二章钢丝绳振动机理 钢丝绳是按照绳一股丝的系统结构组成的。具体来说就是由多层钢丝捻成股，再 以绳芯为中- t l , ，由一定数量的股捻绕制成螺旋状的绳。钢丝绳具有较高的抗拉强度、较 轻的自重、工作平稳可靠、不容易发生整根折断等优良特点。在煤矿工业生产中，钢丝 绳( 提升钢丝绳) 又称主绳，起着连接提升机和提升容器，并承担传递动力的作用，是 煤矿提升系统的重要组成部分。 2 】1 钢丝 钢丝的好坏决定了钢丝绳的性能。矿用钢丝绳的钢丝直径一般为0 4 4 毫米，更细 的钢丝易于磨损和腐蚀，直径超过4 毫米的钢丝在生产中难以保证理想的抗拉强度和疲 劳性能。制作钢丝的主要材料是碳素钢或合金钢，经过冷拉或冷轧等工艺制作成丝材， 具有极高的强度和韧性，根据使用环境条件不同还可对钢丝进行相应的表面处理，能够 进一步增强其适用性能。 2 1 2 绳芯 缌 图2 - 1 钢丝绳结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo fw i r er o p e 绳芯的主要作用是提高铜丝绳弹性和韧性、使钢丝得到润滑、减少钢丝绳内部摩擦， 从而达到提高使用寿命的目的。绳芯的材料一般用剑麻，剑麻有较大的抗挤压能力和较 太原理一f ：人学硕十研究生学位论文 好的抗损坏性能，但我国出产剑麻较少，所以只好用黄麻代替。黄麻的性能不及剑麻。 尼龙合成k 维绳芯近几年来发展很快，它具有改善钢丝绳的工作性能，提高钢丝绳的 寿命等一系列优点，国外一些国家已经采用。一般制作绳芯的材料通常是石棉芯( h i g h t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n ) ，有机纤维( l i k eh e m p ，c o t t o n ) 、合成纤维、或软金属等材料。 2 1 3 钢丝绳的分类 钢丝绳的类型是指钢丝绳股的数量、捻距、捻向以及绳股内钢丝的数目、排列方式 及直径大小等综合参数。这些参数直接决定着钢丝绳的使用寿命和物理力学性能。钢 丝绳可分为单捻、复捻和三次捻。单捻钢丝绳，是指钢丝经一次捻转而形成的钢丝束。 复捻是指先把钢丝围绕成钢丝芯，再捻成绳股。三次捻钢丝绳是先把钢丝捻成绳股，然 后把绳股捻成细小钢丝，最后把钢丝捻成细小钢丝绳1 2 2 】。 图2 - 2 不同结构的钢丝绳 f i g 2 2t h ed i f f e r e n ts t r u c t u r eo ft h ew i r er o p e 绳股在钢丝绳中或钢丝绳在绳股中，根据捻转方向的不同，主要有左向捻和右向捻 两种。顺捻或平行捻转是指绳股在钢丝绳中按相同的方向捻转；交叉转则是指按相对方 向的捻转。 顺捻钢丝绳与交叉捻钢丝绳各有千秋：绳扰向性大以及具有较大的支撑表面是顺捻 钢丝的特点，但是很容易扭转，在任何情况下都无法把钢丝绳放下；交叉捻钢丝绳基本 不发生扭转。摩擦轮主动轮的衬垫多为木质，它对不平行轴线的钢丝绳摩擦系数较大， 当钢丝绳轻微地压入轮衬时，理论上使用顺捻钢丝绳比交叉捻钢丝绳效果好，但是由于 其存在扭转倾向致使悬挂困难，所以一般采用交叉捻钢丝绳。 钢丝绳的绳股形状主要有：圆形股、扁平股和封闭结构。 太原理一人学硕十研究生学位论文 图2 - 3 不同的绳股 f i g 2 3d i f f e r e n tr o p e s 和圆股钢丝绳相比，封闭结构和扁平股的钢丝绳由于拥有较大的接触面积和较小的 磨损，使用寿命从而得到较大提高。特殊的结构使得封闭结构钢丝绳具有很强的抗弯刚 性。 2 2 松脱绳机理研究 斜井提升运输系统由于加、减速的速度不平稳、故障时的紧急制动等多种原因，都 能引起钢丝绳的弹性跳动，若跳动过大的话，有可能引起钢丝绳从天轮中脱落。下面从 针对几种典型工况的分析出发，对钢丝绳松绳、脱绳的产生原因进行具体研究。 2 2 1 变坡点处钢丝绳振动研究 图2 - 4 矿车过变坡点 f i g 2 - 4t r a m e a r a f t e rg r a d ec h a n g ep o i n t 当推动矿车向斜井口移动时，如图2 4 所示，经过变坡点一瞬间，车辆会抖动，从 而导致挂在矿车上的钢丝绳也会振动，由于钢丝绳是一弹性体，在此振动下必然会产生 一波动，沿着钢丝绳传递，如果振幅太大的话，当波动传到天轮时，极有可能造成钢丝 绳的脱落。 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 另外，当矿车在起伏不平的斜井巷道中移动时，类似于矿车连续经过多个变坡点， 矿车也就会不停的抖动，与矿车相连接的钢丝绳也随之振动，这就相当于在钢丝绳的一 端有一振源，而钢丝绳是弹性体，满足了机械波产生的两个基本条件，因此，形成的机 械波会由近及远传播出去，同样，当机械波传到天轮时，也可能会引起钢丝绳的脱落。 2 2 2 紧急制动情况下的松绳研究 图2 - 5 紧急制动简图 f i g 2 5e m e r g e n c yb r a k i n g 如图2 5 所示，当矿车以速度v 上升时，提升机突然紧急制动，提升机和钢丝绳会 立刻停止，矿车依靠惯性仍然向上运动，运动位移是 l = y 2 、 (2一1)2 9 ( s i n o + l u c o s o ) “ 当矿车在重力和阻力共同作用下开始下滑，钢丝绳在这种动力冲击的作用下就会发 生振动。钢丝绳的最大变形为s 。从开始到结束，矿车的移动距离为l + s 。根据动能定 理，列出方程： ( 馏s i n 9 一l u m g c o s p ) ( 上+ s ) 一去您2 ：0 ( 2 - - 2 ) 化简可得s m g ( s i n o - , u k c o s o ) ( 1 + j ；i 三蒿) c 2 3 ， 其中，m 一矿车的质量； g 一重力加速度； 0 一提升倾角； l l 一矿车与轨道的摩擦系数： 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 s 一钢丝绳的最大变形量； k 一钢丝绳的弹性系数。 还有一种需要考虑的情况，在下放重物时，提升机启动加速度过大。开始下放矿车 时，如果提升机的启动加速度过大，使得放绳速度大于推车速度，这时也会因松绳而产 生动力冲击1 2 3 1 。 假设矿车进入井筒的起始速度为v o ，松绳的长度为d 。由动能定理，可得： m g ( d ( s i n 臼- , c o s o ) 一三2h 2 = 吾坍嘧( 2 - - 4 ) 解方程可得 型专幽+ 郦舞丽一研岛l ( 2 _ s ) 2 2 3 提升加速运动情况下的钢丝绳振动分析 提升机启动后，矿车从静止以某一加速度开始运动。钢丝绳和矿车在突加作用力和 钢丝绳弹性恢复力的共同作用下将一起发生振动。重物提升前，钢丝绳处于无张紧力的 松弛状态。提升后，钢丝绳逐渐张紧，当钢丝绳的拉力小于重物的等效重力时，重物不 会运动，此时只有电动机带动卷筒转动。只有当钢丝绳的拉力等于重物重力的瞬时，重 物开始沿着斜井上升。 斜井巷道中的矿车在静力作用下，钢丝绳发生s ，的静变形。在惯性力作用下，矿 车在平衡位置“0 ”附近上下自由振动，矿车振动在运动阻尼的作用下，振幅将会逐渐 衰减直至消失。矿车振动的最大振幅就是钢丝绳的最大变形量。振动分析如图2 - 6 所示： 图2 - 6 提升加速运动 f i g 2 6p r o m o t ea c c e l e r a t e dm o t i o n 1 5 太原理1 ：火学硕十研究生学位论文 由于该振动系统在静平衡位置“0 ”和最大振幅位置的速度都为0 ，根据动能定理可 列出方程 朋g ( s i n 臼一c 。s 臼) ( 是一s ) 一三尼( 雩一砰) = o ( 2 - - 6 ) s ，一钢丝绳静变形； s ：一钢丝绳最大变形。 解上述方程可得s 2 ：2 m g ( s i n o i - t c o s 0 ) 一s t ( 2 - - 7 ) 2 3 力学模型的建立 工程实际中的机械系统是非常复杂的，要对一个实际的复杂机械系统进行精确的振 动分析往往非常困难，甚至是不可能实现的，因此有必要对复杂的系统进行简化。 连续系统的离散化。实际机械系统的结构元件的质量和弹性都是分布的，即所谓的 连续系统，为分析计算的方便，而有必要将连续系统离散化，具体做法是：对于弹性较 小、质量较大的构件，将其弹性忽略不计，仅考虑其质量；对于质量较小、弹性较大的 构件，将其质量忽略不计，仅考虑其弹性；同样道理，对于构件中阻尼特性较大的部分， 采取忽略质量和弹性的方法，将其视为仅有阻尼的元件。 非线性系统的线性化。严格意义上，质量、弹性、阻尼都与系统的运动状态成复杂 的数学关系。但在一定条件下，可将这些复杂的关系简化为线性关系，也就是线性化过 程。当位移和速度很小时，就可近似认为弹性力和阻尼力分别与位移和速度的一次方成 正比关系。 2 3 1 单自由度系统的有阻尼自由振动 单自由度振动系统是指用一个独立参量就可确定系统位置的振动系统。在单自由度 振动系统中，质量( q u a l i t y , a n d ) 、弹簧刚度( s p r i n gs t i f f n e s s ) 和阻尼系数( d a m p i n g c o e f f i c i e n t ) 是振动系统的三个基本要素。 取质量m 的上下运动轨迹为广义坐标方向，并取向下为正，广义坐标原点取在静平 衡位置，则由牛顿第二定律可得m5 - - m g c 童一k ( x + 8 甜) 1 6 太原理丁人学硕十研究生学倚论文 图2 7 力学模型 f i g 2 7m e c h a n i c a lm o d e l 将m g = k68 1 代入，并整理可得m 戈十c 戈+ k x = o ( 2 8 ) 这就是币自由度系统有阻尼自由振动的运动微分方程。 令n - c 2 m ，= 】 t 一 - ， i 图2 - 8 任意激振及其响厘 f i g 2 8r a n d o me x c i t a l i o na n dr e s p o n s e 带有阻尼的弹簧质量系统，在任意激振力f ( t ) 作用下，根据牛顿第二定律可得运 动微分方程为 m 叠+ c 文+ k x = f ( t )( 2 1 5 ) 把时间分成一系列的微间隔d _ r ，任意激振力f ( t ) 的作用相当于一系列微冲量 f ( r ) d r 的相继作用。在t = f 时的间隔d r 内，质量m 上将受到一个微冲量f ( r ) d r 的作用， 根据动量定理，在这个微冲量的作用下，质量m 在时间d r 内将有一速度增量 d v = f ( f ) d f m ，但还来不及产生位移。假定在t f 时，即在微冲量f ( f ) d f 作用之前，系 统的初速度和初位移均为0 ，则当t = , - 时，在微冲量f ( r ) d r 的作用下，系统相当于在x o = 0 ， ) c 0 = d v 的初始条件下的自由振动。在弱阻尼情况下， x ( f ) = 訾e - n i - r ) s i n 届i ( ，- ) ( 2 16 ) 聊、蟒一r l 此即系统对一个微冲量f ( r ) d t 的响应。则在任意激振力的作用下，系统的总响应 等于一系列，( f ) 卉从f ：0 到f 气分别连续作用下系统分响应的叠加，即有 壮丽1 ff ( r ) e - ( - r ) s i n 耵( h 胁( 2 - - 1 7 ) 此即为杜哈美积分( d u h a m e l ) ，是振动微分方程式( 2 1 4 ) 的全解，包括稳态振 动和瞬态振动。 太原理小人学硕十研究生学位论文 当阻尼很小而可以略而不计，即n = 0 时，式( 2 - - 1 6 ) 变为 川) 2 去n 小j n 啪_ ) d f ( 2 _ _ 1 8 ) 如果在丁2 0 激振力开始作用时，质量r f l 已有初位移x o 和初速度岛，则式( 2 - - 1 6 ) 枷协豳厮一厮+ 南弦唧一叫 力2 q x 。s i n t + x oc o s q h 去f ：以力如啪1 ) 卉q聊皑埘 2 4 本章小结 ( 2 1 9 ) 本章首先从钢丝绳的绳殷、绳芯入手，阐述了钢丝绳的内部结构。其次在钢丝绳是 弹性体的基础上，分析了产生松绳的几种典型工况。最后，利用机械振动学的相关理论， 建立了单自由度系统的振动力学模型。 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 2 0 太原理l 人学硕十研究生学位论文 第三章防脱装置设计 煤矿斜井提升具有情况复杂，斜井简较长，环节较多，钢丝绳受力复杂多变，容易 发生弹性跳动等特点。这些特点是影响斜井提升安全的重要原因。斜井提升过程中，钢 丝绳是重要的受力部件，同时也是易损件。频繁地、剧烈地受力变化是造成钢丝绳损坏 的主要原因。针对以上问题，本文设计了一套可以和天轮配套使用的，并且具有经济、 实用、可靠、自适应性强等优点的防脱绳装置。该装胃改善了钢丝绳的受力，提