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技術(shù)實力是中國礦業(yè)大學礦山機械摩擦材料科研基地,、教學實習基地，是河南科技大學產(chǎn)學研基地,，是中國重型機械工業(yè)協(xié)會會員單位,，是摩擦襯墊,、塑料襯板等五項產(chǎn)品行業(yè)標準制定者,。
摩擦式提升機防過卷保護鋼絲繩應力分析
發(fā)布時間：
2024-09-26
來源：
隨著礦山開采量和開采強度的不斷增大，井下機電設備的穩(wěn)定運行對于保證產(chǎn)量和企業(yè)的效益至關(guān)重要,。多繩摩擦式提升系統(tǒng)是井下常用的機電液一體化裝備,，主要由驅(qū)動裝置、制動裝置,、多根鋼絲繩及天輪等部分組成,，是礦山領(lǐng)域的關(guān)鍵機電設備。鋼絲繩是整個提升系統(tǒng)的承載構(gòu)件,，用于提升和下放罐籠并且承受載荷作用,。在運行過程中，摩擦式提升機容易出現(xiàn)過卷故障,，此時鋼絲繩的受力比較復雜,，容易造成鋼絲繩內(nèi)部斷絲或突然斷裂，引起煤礦提升事故,。
為了保證提升系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,，國內(nèi)很多學者研究了提升機防過卷保護裝置。賈福音等人通過對摩擦式提升機結(jié)構(gòu)特點進行分析,，設計了一種保護裝置對提升過程的制動進行緩沖,，減少了鋼絲繩受到的沖擊力；但是,，摩擦式提升機的過卷裝置受外部的影響較大,，沒有分析鋼絲繩的內(nèi)部應力變化特性，無法得出鋼絲繩在受到作用力時的應力分布規(guī)律。本研究基于礦井摩擦式提升機結(jié)構(gòu)組成,，應用了一種應對特殊工況的防過卷保護裝置,，利用有限元分析軟件 Pro/Engineer 建立了鋼絲繩仿真模型，仿真鋼絲繩內(nèi)部應力,，并得到了應力分布規(guī)律,。
1 摩擦式提升機和過卷保護裝置
1.1 多繩摩擦式提升機
礦井多繩摩擦式提升機是我國礦井領(lǐng)域最常用的提升裝備，主要用于提升人員,、設備和物料,。該提升系統(tǒng)主要由驅(qū)動裝置、多根鋼絲繩,、上下天輪及罐籠等部分組成,，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中,，驅(qū)動裝置由電動機,、減速機和聯(lián)軸器等部分組成，可將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,，實現(xiàn)對罐籠的提升和下放,；上下天輪用于對鋼絲繩進行改向。提升鋼絲繩在天輪位置會出現(xiàn)彎曲變形,，鋼絲繩的應力會出現(xiàn)突變,。
圖1 多繩摩擦式提升系統(tǒng)
1.驅(qū)動裝置；2.鋼絲繩,；3.天輪,；4.罐籠；5.下方容器,；6.尾繩,。
1.2 防過卷保護裝置
當?shù)V井提升機在運行中出現(xiàn)傳感器失效、制動系統(tǒng)失靈以及突然斷電時,，非常容易引起過卷,。過卷發(fā)生后，鋼絲繩內(nèi)部應力瞬間增大,，導致提升機罐籠出現(xiàn)嚴重振動,，有可能引起墜罐事故。為此,，提升機防過卷裝置應運而生,。防過卷保護裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
圖2 防過卷保護裝置結(jié)構(gòu)示意
1.上支架,；2.耐磨鋼帶；3.基礎(chǔ)；4.緩沖液壓缸組,；5.水平支撐橫梁,；6.立柱；7.鋼帶,；8.罐籠,；9.壓輥耳座；10.壓輥,；11.托罐梁,；12.托罐爪；13.彈簧,；14.壓輥組,。
整個防過卷裝置由井架、支撐立柱,、壓輥組以及鋼帶等部分組成,。該裝置由 5 個緩沖液壓缸支撐，且沿垂直方向等距布置,。每一個緩沖液壓缸活塞桿上都裝有鋼帶,，且鋼帶在各緩沖液壓缸由活塞桿進行固定。防過卷保護裝置通過鋼帶吸收應變能,，從而在過卷時對罐籠進行緩沖,，并且利用緩沖壓輥降低制動沖擊力。該裝置能對鋼絲繩進行可靠制動,，并且有效防止鋼絲繩出現(xiàn)過卷,；但在實際進行制動時，鋼絲繩的應力也會受防過卷裝置的影響,。
2 提升鋼絲繩應力數(shù)值分析
在實際運行過程中,，提升鋼絲繩張力最大的位置往往在彎曲部位。鋼絲繩展開結(jié)構(gòu)如圖3 所示,。模擬真實工況下采用防過卷裝置后鋼絲繩的纏繞工況,，繩股纏繞在天輪上，鋼絲繩處于純彎曲的狀態(tài),。
圖3 鋼絲繩展開結(jié)構(gòu)
張家銘研究了纏繞式提升機鋼絲繩的振動和繩鼓力學特性,。假設沒有進行捻制的鋼絲繩直徑為 δ，鋼絲繩在直徑為 D 的摩擦輪 (天輪) 上彎曲,，此時,，鋼絲繩的彎曲應力
任意取一點作為密切平面,，則
對式 (2) 進行變換，可以得到主法線表達式為
此時,，通過空間曲線可以計算出鋼絲繩的最大彎曲應力
以6×36WS+IWRC 鋼絲繩為研究對象,，計算鋼絲繩的應力時,，仿真設定參數(shù)如表1 所列。
表1 仿真設定參數(shù)
將鋼絲繩纏繞在直徑為 2 m 的天輪上,，在實際求解時,，將計算內(nèi)部接觸點位置作為求解的計算點。此時,，選取位于摩擦天輪繩槽上下兩側(cè)和右側(cè)的部分繩股作為研究對象,，并且沿著順時針方向進行標記，標記出第 1,、2,、3、4 股,。仿真分析得到的鋼絲繩應力分布如圖4 所示,。
圖4 右側(cè)同向捻外股鋼絲繩彎曲應力分布
由圖4 可知，鋼絲繩第 1 至第 4 股內(nèi)第 1 層至第3 層鋼絲的總體應力為 94.08,、90.08,、71.20 和 117.80 MPa。從圖中可以看出,，鋼絲繩芯中心軸的對稱軸位置處,，第 1 股和第 4 股的鋼絲繩應力是沿著左右方向?qū)ΨQ分布的；右同向捻和右交互捻鋼絲繩靠近繩芯的位置彎曲應力較大,。為了研究提升鋼絲繩的應力分布及分布規(guī)律,，采用有限元分析法建立鋼絲繩物理模型并進行數(shù)值模擬,，可以直觀得到鋼絲繩內(nèi)部以及繩股之間的應力分布。
3 基于 Pro/Engineer 的鋼絲繩應力仿真
選用 6×36WS+IWRC 鋼絲繩作為分析對象,，定鋼絲繩的初張力為 85 N,，仿真時對鋼絲繩的一進行固定,，添加固定約束,，求解鋼絲繩的應力分布6×36WS+IWRC 鋼絲繩的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所列，絲繩模型如圖5 所示,。
表2 6×36WS+IWRC 鋼絲繩結(jié)構(gòu)參數(shù)
圖5 鋼絲繩仿真模型
從表2 可以看出,，鋼絲繩主要分為 3 層，中心股,、內(nèi)股和外股,；3 股的直徑不同，并且股捻距也存在一定的差異,。在進行仿真求解時,，需要對各個層進行定義。
在有限元分析軟件中建立 6×36WS+IWRC 鋼絲繩仿真模型,，設定求解參數(shù)進行計算,，并劃定求解單元，可以得到如圖6 所示的求解結(jié)果,。
圖6 鋼絲繩應力分布規(guī)律及云圖
從圖6(a) 可以看出,，鋼絲繩在受載作用時，此時的等效應力呈現(xiàn)出不均勻的分布形式,，且存在層狀分布,；鋼絲繩的應力受到空間位置和相位變化的影響，在繩槽的中心軸線上下部分分布不均勻,；從圖6(b) 可以看到,，鋼絲繩截面上應力近似呈現(xiàn)對稱層狀分布，彈性區(qū)域和塑性區(qū)域相互交叉,。鋼絲繩的外股層和接觸位置的應力比其他同股的應力較大,，此時最大值為 761.97 MPa，最大應力分布在靠近中心軸軸線上半部分的左右兩側(cè),。鋼絲繩的交互捻外層股二次捻制鋼絲繩中,，靠近繩芯的位置應力比較大，最大應力是1 121.78 MPa,，分布在繩槽中心軸線上半部分,。通過對比圖4 可以看出，最大應力主要集中在鋼絲繩的外側(cè),，不同繩股層的鋼絲繩應力值不同,。
通過仿真結(jié)果可以看出,，鋼絲繩的應力集中在繩芯處，在 Pro/Engineer 中添加求解項,，計算鋼絲繩股內(nèi)的變形以及鋼絲繩和天輪接觸部位的應力,，可以得到如圖7 所示的計算結(jié)果。
圖7 應力分布規(guī)律
實際加載時,，右同向捻的鋼絲繩一端固定,，在鋼絲繩的一端進行加載。從圖7(a) 可以看出,，此時,，加載端的鋼絲繩產(chǎn)生與繩股捻制方向相反的變形，并且在繩槽底部接觸位置的應力較大,，這個應力是使鋼絲繩出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形的主要原因,。所以說，靠近繩槽底部的變形其實是比較小的,。此外,，整個系統(tǒng)中位于繩槽位置處的位移變化相對較大。從圖7(b) 可以看出,，鋼絲繩和天輪在接觸位置處受到集中應力的作用,，呈現(xiàn)出層狀的分布規(guī)律；在鋼絲繩和天輪接觸點內(nèi)側(cè)表現(xiàn)為壓應力,，外側(cè)表現(xiàn)為拉應力,，并且同向捻制鋼絲繩股內(nèi)變形大于右交互捻；鋼絲繩的外層絲等效應力表現(xiàn)出等幅波動,，幅度變化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,；在鋼絲繩模型加載位置端和約束端面上，受到約束作用,，導致應力突然集中,，在端面位置的等效應力其實是大于股內(nèi)鋼絲其他位置的等效應力。
4 結(jié)論
(1) 針對多繩摩擦式提升機在實際運行過程中容易出現(xiàn)的過卷故障,，采用防過卷保護裝置,，可有效吸收應變能，從而在過卷時對罐籠進行緩沖,，對鋼絲繩進行可靠制動,，防止鋼絲繩出現(xiàn)過卷現(xiàn)象。
(2) 采用防過卷保護裝置后,，鋼絲繩的應力也會受到影響,。仿真結(jié)果表明：鋼絲繩截面位置的應力呈現(xiàn)出層狀分布，內(nèi)側(cè)為壓力,，外側(cè)為拉力,；同向捻鋼絲繩股內(nèi)變形大于右交互捻鋼絲繩,；應力集中部位在鋼絲繩的彎曲位置；鋼絲繩的外層股絲等效應力呈現(xiàn)出等幅波動,。
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