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走進(jìn)中實(shí)中實(shí)洛陽機(jī)械工程科技有限公司（原中實(shí)洛陽工程塑料有限公司）于2017年11月01日更名成立,，注冊資金5000萬元。專門從事摩擦襯墊的研制,、開發(fā)和生產(chǎn),，以及礦山設(shè)備、配件的生產(chǎn),。
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產(chǎn)品中心提升機(jī)配件：摩擦襯墊,、天輪導(dǎo)向輪襯墊,、猴車襯墊,、天輪襯墊,、滾筒襯板、過渡塊,、無石棉閘瓦,、壓塊、固定塊,、超高分聚乙烯板,、電纜掛鉤、導(dǎo)繩板,、滾筒襯塊等,。
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技術(shù)實(shí)力是中國礦業(yè)大學(xué)礦山機(jī)械摩擦材料科研基地、教學(xué)實(shí)習(xí)基地,，是河南科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研基地,，是中國重型機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)員單位，是摩擦襯墊,、塑料襯板等五項(xiàng)產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定者,。
摩擦式提升機(jī)防過卷保護(hù)鋼絲繩應(yīng)力分析
發(fā)布時(shí)間：
2024-09-26
來源：
隨著礦山開采量和開采強(qiáng)度的不斷增大,，井下機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)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(jī)電液一體化裝備，主要由驅(qū)動(dòng)裝置,、制動(dòng)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(jī)電設(shè)備,。鋼絲繩是整個(gè)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(yùn)行過程中,，摩擦式提升機(jī)容易出現(xiàn)過卷故障,，此時(shí)鋼絲繩的受力比較復(fù)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(yùn)行，國內(nèi)很多學(xué)者研究了提升機(jī)防過卷保護(hù)裝置,。賈福音等人通過對摩擦式提升機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析,，設(shè)計(jì)了一種保護(hù)裝置對提升過程的制動(dòng)進(jìn)行緩沖，減少了鋼絲繩受到的沖擊力,；但是,，摩擦式提升機(jī)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(yīng)力變化特性,，無法得出鋼絲繩在受到作用力時(shí)的應(yīng)力分布規(guī)律,。本研究基于礦井摩擦式提升機(jī)結(jié)構(gòu)組成，應(yīng)用了一種應(yīng)對特殊工況的防過卷保護(hù)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(yīng)力，并得到了應(yīng)力分布規(guī)律。
1 摩擦式提升機(jī)和過卷保護(hù)裝置
1.1 多繩摩擦式提升機(jī)
礦井多繩摩擦式提升機(jī)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(shè)備和物料。該提升系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)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(dòng)裝置由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)和聯(lián)軸器等部分組成,，可將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,，實(shí)現(xiàn)對罐籠的提升和下放；上下天輪用于對鋼絲繩進(jìn)行改向,。提升鋼絲繩在天輪位置會(huì)出現(xiàn)彎曲變形,，鋼絲繩的應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)突變。
圖1 多繩摩擦式提升系統(tǒng)
1.驅(qū)動(dòng)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(hù)裝置
當(dāng)?shù)V井提升機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)傳感器失效,、制動(dòng)系統(tǒng)失靈以及突然斷電時(shí),，非常容易引起過卷。過卷發(fā)生后,，鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力瞬間增大,，導(dǎo)致提升機(jī)罐籠出現(xiàn)嚴(yán)重振動(dòng)，有可能引起墜罐事故,。為此,，提升機(jī)防過卷裝置應(yīng)運(yùn)而生。防過卷保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
圖2 防過卷保護(hù)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(gè)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(gè)緩沖液壓缸支撐,，且沿垂直方向等距布置,。每一個(gè)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(jìn)行固定,。防過卷保護(hù)裝置通過鋼帶吸收應(yīng)變能,，從而在過卷時(shí)對罐籠進(jìn)行緩沖，并且利用緩沖壓輥降低制動(dòng)沖擊力,。該裝置能對鋼絲繩進(jìn)行可靠制動(dòng),，并且有效防止鋼絲繩出現(xiàn)過卷；但在實(shí)際進(jìn)行制動(dòng)時(shí),，鋼絲繩的應(yīng)力也會(huì)受防過卷裝置的影響,。
2 提升鋼絲繩應(yīng)力數(shù)值分析
在實(shí)際運(yùn)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(shí)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(jī)鋼絲繩的振動(dòng)和繩鼓力學(xué)特性。假設(shè)沒有進(jìn)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(shí)，鋼絲繩的彎曲應(yīng)力
任意取一點(diǎn)作為密切平面,，則
對式 (2) 進(jìn)行變換,，可以得到主法線表達(dá)式為
此時(shí),，通過空間曲線可以計(jì)算出鋼絲繩的最大彎曲應(yīng)力
以6×36WS+IWRC 鋼絲繩為研究對象,，計(jì)算鋼絲繩的應(yīng)力時(shí)，仿真設(shè)定參數(shù)如表1 所列,。
表1 仿真設(shè)定參數(shù)
將鋼絲繩纏繞在直徑為 2 m 的天輪上,，在實(shí)際求解時(shí)，將計(jì)算內(nèi)部接觸點(diǎn)位置作為求解的計(jì)算點(diǎn),。此時(shí),，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(shí)針方向進(jìn)行標(biāo)記,，標(biāo)記出第 1,、2、3,、4 股,。仿真分析得到的鋼絲繩應(yīng)力分布如圖4 所示。
圖4 右側(cè)同向捻外股鋼絲繩彎曲應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力較大,。為了研究提升鋼絲繩的應(yīng)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(jìn)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(yīng)力分布,。
3 基于 Pro/Engineer 的鋼絲繩應(yīng)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(shí)對鋼絲繩的一進(jìn)行固定,，添加固定約束,，求解鋼絲繩的應(yīng)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(jìn)行仿真求解時(shí)，需要對各個(gè)層進(jìn)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(shè)定求解參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(yīng)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(shí),，此時(shí)的等效應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力比其他同股的應(yīng)力較大，此時(shí)最大值為 761.97 MPa,，最大應(yīng)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(yīng)力比較大,，最大應(yīng)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(yīng)力主要集中在鋼絲繩的外側(cè),，不同繩股層的鋼絲繩應(yīng)力值不同。
通過仿真結(jié)果可以看出,，鋼絲繩的應(yīng)力集中在繩芯處,，在 Pro/Engineer 中添加求解項(xiàng)，計(jì)算鋼絲繩股內(nèi)的變形以及鋼絲繩和天輪接觸部位的應(yīng)力,，可以得到如圖7 所示的計(jì)算結(jié)果,。
圖7 應(yīng)力分布規(guī)律
實(shí)際加載時(shí),，右同向捻的鋼絲繩一端固定，在鋼絲繩的一端進(jìn)行加載,。從圖7(a) 可以看出,，此時(shí)，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(yīng)力較大,，這個(gè)應(yīng)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(shí)是比較小的,。此外，整個(gè)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(yīng)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(diǎn)內(nèi)側(cè)表現(xiàn)為壓應(yīng)力,，外側(cè)表現(xiàn)為拉應(yīng)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(yīng)力表現(xiàn)出等幅波動(dòng),，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(dǎo)致應(yīng)力突然集中，在端面位置的等效應(yīng)力其實(shí)是大于股內(nèi)鋼絲其他位置的等效應(yīng)力,。
4 結(jié)論
(1) 針對多繩摩擦式提升機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的過卷故障,，采用防過卷保護(hù)裝置，可有效吸收應(yīng)變能,，從而在過卷時(shí)對罐籠進(jìn)行緩沖,，對鋼絲繩進(jìn)行可靠制動(dòng)，防止鋼絲繩出現(xiàn)過卷現(xiàn)象,。
(2) 采用防過卷保護(hù)裝置后,，鋼絲繩的應(yīng)力也會(huì)受到影響。仿真結(jié)果表明：鋼絲繩截面位置的應(yīng)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(yīng)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(yīng)力呈現(xiàn)出等幅波動(dòng)。
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