超深矿井提升机多层缠绕机理与圈间过渡设计理论

发布时间：2020-06-02 01:24

【摘要】：缠绕式提升机进行超深矿井提升须通过钢丝绳多层缠绕实现,钢丝绳多层缠绕不可避免地要进行圈间过渡和层间过渡。圈间过渡及层间过渡是否平稳,两圈间过渡区布局是否合理,以及层间过渡装置的结构直接关系到钢丝绳振动、排绳的整齐均匀程度、钢丝绳寿命和工程安全。针对这些问题,本文在国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“超深矿井提升系统的变形失谐规律与并行驱动同步控制研究”(课题编号2014CB049403)的资助下,以多层缠绕卷筒的绳槽和层间过渡装置为主要研究对象,对多层缠绕绳槽型式、合理的圈间过渡区长度、恰当的两圈间过渡区布局及理想的层间过渡装置结构展开全面的理论和实验研究。以期为将来我国超深矿井提升机多层缠绕卷筒的绳槽及层间过渡装置的设计提供可靠的理论支撑。论文主要研究内容及结果如下:(1)确定平行折线绳槽为超深井提升钢丝绳多层缠绕的绳槽型式。在研究分析提升钢丝绳在卷筒绳槽上缠绕运动状态的基础上,根据圈间过渡时上下层钢丝绳的微分几何关系和各力的平衡关系,利用曲面沿非测地线稳定缠绕的条件,推导出圈间过渡区对应圆心角弧度的数学计算公式。得出圈间过渡区对应圆心角的弧度和绳槽间隙、钢丝绳间的摩擦系数、卷筒半径、钢丝绳半径这四个因素相关。当确定卷筒直径与钢丝绳直径时,绳槽间隙与圈间过渡区长度成正比;当选定绳槽间隙时,圈间过渡区长度与摩擦系数的取值成反比;若绳槽间隙和钢丝绳间的摩擦系数确定,卷筒直径与钢丝绳直径的绳径比与圈间过渡区长度成反比。(2)钢丝绳在对称或非对称绳槽上多层缠绕会引发不同的边界激励,从而导致提升系统有不同的动态响应。基于Hamilton原理建立了矿井提升系统的振动方程,推导出绳槽过渡区按不同非对称系数布置时的边界激励函数,将激励函数带入振动方程并求解,其数值仿真结果显示:两圈间过渡区非对称布置引发悬绳横振小于对称布置;悬绳横振的最大值随着非对称系数的增加呈“U”字形变化,当两圈间过渡区非对称布置且非对称系数κ=0.8时,悬绳的沿卷筒直径方向振动和沿卷筒轴线方向振动的最大值均为最小,且相邻点振幅无突变,有利于钢丝绳有序多层缠绕。(3)在研究分析提升钢丝绳沿卷筒绳槽进行层间过渡运动状态和特征的基础上,提出并设计了一种新的与钢丝绳接触面均为凹状面层间过渡装置,使钢丝绳在层间过渡时与其均是面接触,进而减小层间过渡装置的局部压力,减少钢丝绳磨损;新的层间过渡装置使钢丝绳在层间过渡时始终有支撑,进而消除卡绳的可能;将圈间过渡区长度和绳槽布置型式的研究结果引入到层间过渡装置结构的推导运算中,得到层间过渡装置各部分的参数计算公式,其计算公式和钢丝绳直径、绳槽深度、绳槽间隙、过渡区对应圆心角弧度、直线区对应圆心角弧度和任意截面位置对应圆心角弧度几个参数有关。钢丝绳在重大研制的层间过渡装置上缠绕其层间过渡加速度比南非标准Lebus层间过渡装置小。(4)根据项目设计建造的“多绳多层缠绕式提升机实验平台”设计、加工了四套不同结构参数的绳槽和层间过渡装置,采用一种检测钢丝绳横向振动的有效方法,分别检测了实验台安装这四套绳槽时在一个完整的提升循环过程中的悬绳横向振动,并根据不同的研究要求对实验数据采取了不同的处理方法,分别验证了本文研究的圈间过渡及层间过渡相关理论的正确性。结果显示:边界激励下提升系统的振动模型是有效的;无论是对称绳槽还是非对称绳槽,钢丝绳在重大研制的层间过渡装置上缠绕时,悬绳固定点处的沿卷筒直径方向振动位移均小于Lebus层间过渡装置;重大非对称绳槽及过渡装置是引起悬绳横振最小的绳槽及过渡装置。(5)根据经过实验验证的边界激励下提升系统振动模型,将本文确定的绳槽及层间过渡装置参数代入边界激励函数,仿真研究不同提升速度、不同提升载荷下悬绳横向振动规律,得出悬绳横振的最大值随着提升速度的增加呈一个倒“U”字变化,提升速度为19m/s时,悬绳横振响应最小;空载时悬绳的横振响应最大,随着负载的增加悬绳的横振响应逐渐变小,半满载时悬绳横振响应为最小,之后随着负载的增加悬绳的横振响应最大值有轻微波动。
【图文】：

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图 1.1 多绳摩擦式提升机示意图Fig.1.1 The sketch map of multi-rope friction hoist绳缠绕式提升装备通过钢丝绳在卷筒上缠绕实现物料的提升和下放由于缠绕式提升装备没有钢丝绳和摩擦衬垫之间的比压限制，又可绳降低钢丝绳交变应力水平，其提升深度可以大于 1000 m。其总的容器和钢丝绳自重等构成，该载荷全部由提升钢丝绳承担。当井深超荷达到 100 ton 时，为保证提升装备安全和稳定运行，提升钢丝绳的20 mm，钢丝绳自重超过 140 ton。此外，钢丝绳长度及其直径的增大直径和宽度增大，并且缠绕层数会达到 4～6 层甚至更多[6]。如此巨现有生产条件下是难以满足的，同时这样的钢丝绳使得提升设备的缠绕以及维护十分困难，提升设备的制造与运行成本大大增加，因提升方案不能用于超深矿井提升。

示意图,单绳缠绕式提升机,示意图,提升装备

1-卷筒； 2-钢丝绳； 3-天轮； 4-井架； 5-钢丝绳罐道； 6-提升容器图 1.2 单绳缠绕式提升机示意图Fig.1.2 The sketch map of single rope winding hoist上所述，在本项目提出的超深（井深>1500 m）、重载（负载=80 to度>18 m/s）的提升要求下，采用多层缠绕、多点提升组合拓扑结构井提升装备的有效型式，其结构如图 1.3 所示[11]。由于每一个提升容多根钢丝绳负责提升，可以大大提高有效提升载荷，减少钢丝绳直效率，，是超深矿井提升的有效解决方案。但是该类型提升装备会因高速缠绕过程的产生的周期扰动、缠绕误差等引起钢丝绳多层缠绕升时钢丝绳间的运动不同步，钢丝绳之间产生张力差，造成提升系作，甚至造成断绳等重大事故。多层缠绕卷筒的绳槽及层间过渡装井提升装备中至关重要的部件，其绳槽形状及其布置型式、层间过曲面形状是多层缠绕能否平稳、顺利进行和提升装备安全、高效运。所以必须对超深矿井提升机的绳槽及层间过渡装置进行深入的理
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD534

【参考文献】