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多繩纏繞式提升機(jī)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)研究

發(fā)布時(shí)間：

2024-11-20

來源：

多繩纏繞式提升機(jī)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)研究

多繩纏繞式提升機(jī)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)研究

 

礦山資源需求的日益增加，給世界范圍內(nèi)礦山裝備技術(shù)進(jìn)步帶來了巨大壓力,，同時(shí)也推動(dòng)了重型礦山裝備的發(fā)展,。淺部資源的逐漸減少，迫使礦山開采深度不斷增加,，這也加快了超深井提升裝備的研發(fā)速度,。近幾年，國內(nèi)礦井的開采深度已達(dá)到1200～ 1500多m,，再到 1900多m,，這也使得國內(nèi)制造企業(yè)不斷尋求提升方式上的突破，以實(shí)現(xiàn)重載,、高速,、高效及高安全性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

目前,，我國現(xiàn)有的單繩纏繞式提升機(jī)和多繩摩擦式提升機(jī),，因其設(shè)備存在的自身缺陷，并不適用于超深井提升,，需要研發(fā)一種新型提升裝備——多繩纏繞式提升機(jī),，來突破現(xiàn)有技術(shù)方案的束縛，以滿足深部礦產(chǎn)資源開采的需求,。多繩纏繞式提升機(jī)的設(shè)計(jì)制造及應(yīng)用在國內(nèi)還是空白,。中信重工機(jī)械股份有限公司依托國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973 計(jì)劃) 支撐,，建設(shè)了多繩纏繞式提升機(jī)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，既可以驗(yàn)證提升機(jī)設(shè)計(jì)制造方案的可行性,，也能為其后續(xù)的設(shè)計(jì)制造及應(yīng)用起到重要的指導(dǎo)作用,。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

多繩纏繞式提升機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)主要由井架、主機(jī)系統(tǒng) (主軸裝置,、減速器及電動(dòng)機(jī)等),、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、鋼絲繩,、罐籠,、浮動(dòng)天輪裝置、檢測儀表及傳感器,、電控系統(tǒng),、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、配套試驗(yàn)專用設(shè)備等組成,，如圖1 所示,。

圖1 多繩纏繞式提升機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

2 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)選型

2.1 相似理論

以相似理論為基礎(chǔ)，利用幾何相似性,、力學(xué)相似性及動(dòng)態(tài)相似性等建立的相似模型,，通常能夠準(zhǔn)確地反映出實(shí)際工程的特征。模型模擬試驗(yàn)主要步驟有：①依據(jù)研究對(duì)象,，確定模擬方程與參數(shù),；②采用第二定理建立相似準(zhǔn)則，確定相似比,；③完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸こ淘O(shè)計(jì),；④處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用試驗(yàn)結(jié)論指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)制造,。

相似第二定理是指任何一個(gè)物理量過程,，如包括n 個(gè)物理量，涉及到 m 個(gè)基本因次,，則這個(gè)物理過程可由 (n -m) 個(gè)無因次量所表達(dá)的關(guān)系式來描述,。按照相似第二定理則有

式(1) 是由物理方程轉(zhuǎn)化而成的準(zhǔn)則關(guān)系式。當(dāng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原結(jié)構(gòu)相似時(shí),，每個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻上的相似準(zhǔn)則同值,。此時(shí)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻上的相似準(zhǔn)則也具有相同的關(guān)系式,，即：

式中：Π1m=Π1p,，Π2m=Π2p，…，Π(n-k)m=Π(n-k)p,；p 為原型,；m 為模型。

相似第二定理實(shí)質(zhì)上就是 Π 定理,，任何物理方程均可轉(zhuǎn)換為無量綱量之間的關(guān)系方程,，公式中的各項(xiàng)就是相似準(zhǔn)則，不必利用相似指標(biāo)導(dǎo)出,。

2.2 多繩纏繞式提升機(jī)樣機(jī)

依托超深井大型提升裝備設(shè)計(jì)制造及安全運(yùn)行的基礎(chǔ)研究 (973 計(jì)劃) 和國家安全監(jiān)管總局超大規(guī)模超深井金屬礦山開采安全關(guān)鍵技術(shù)研究 (雙超) 項(xiàng)目,，設(shè)定樣機(jī)設(shè)備參數(shù)為：提升高度達(dá)到 1 500 m 以上；提升速度大于 18 m/s,；終端載荷大于 2 400 kN 等,。通過提升機(jī)設(shè)備拓?fù)浞桨高x型計(jì)算，得到多繩纏繞式提升機(jī)樣機(jī)規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)如表1 所列,。

表1 樣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.3 試驗(yàn)臺(tái)選型

依據(jù)相似理論基礎(chǔ),，使試驗(yàn)臺(tái)與樣機(jī)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似,、鋼絲繩安全系數(shù)相近、D/d 和載荷滿足煤安要求,、纏繞層數(shù)相同等條件,。綜合考慮建設(shè)與維護(hù)成本，確定幾何相似比為 1∶10,。試驗(yàn)平臺(tái)主機(jī)規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)如表2 所列,。

表2 試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

注：①幾何相似比為 1:10；②滿足 3 層纏繞時(shí)有效容繩寬度,；③幾何相似比為 1:10,；④兩值近似相等；⑤轉(zhuǎn)速相同,；⑥運(yùn)動(dòng)相似比為 1:10,。

3 試驗(yàn)?zāi)康募胺椒?/font>

3.1 繩槽結(jié)構(gòu)及層間過渡裝置研究

繩槽結(jié)構(gòu)類型主要有螺旋繩槽、非對(duì)稱雙過渡平行折線繩槽和對(duì)稱雙過渡平行折線繩槽,，如圖2所示,。其中，平行折線繩槽又可分為平底圈間過渡和繩槽圈間過渡兩種,，同時(shí)也可形成多種繩槽結(jié)構(gòu)與過渡裝置的組合形式,。利用試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)不同的繩槽結(jié)構(gòu)、過渡裝置,、繩槽半徑,、繩槽深度、繩槽節(jié)距等進(jìn)行研究，以確定一種適用于多繩纏繞式提升機(jī)的最佳方案,。

圖2 繩槽結(jié)構(gòu)類型

將設(shè)計(jì)參數(shù)不同的繩槽及過渡裝置安裝在試驗(yàn)機(jī)卷筒上,。試驗(yàn)時(shí)，排繩檢測裝置可分析排繩整齊度,，以及是否有卡繩,、調(diào)繩等情況。同時(shí),，鋼絲繩振動(dòng)與張力檢測裝置,，可記錄與分析鋼絲繩與卷筒接觸和分離、層間過渡,、纏繞半徑變化時(shí)鋼絲繩動(dòng)張力,、速度、加速度的變化等數(shù)據(jù),。分析所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù),，可以為繩槽結(jié)構(gòu)的選型以及設(shè)計(jì)計(jì)算提供指導(dǎo)。

3.2 多繩多層纏繞對(duì)卷筒應(yīng)變應(yīng)力場影響研究

在多繩纏繞式提升機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上,，可以對(duì)不同鋼絲繩結(jié)構(gòu),、不同繩槽結(jié)構(gòu)、不同層間過渡裝置下多層纏繞過程中筒殼的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行測試,，如圖3 所示,。圖中，①～ ④為應(yīng)變片的位置,。對(duì)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,，可以得到以下研究結(jié)果：卷筒測試各點(diǎn)在一個(gè)提升循環(huán)過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線；卷筒在各個(gè)時(shí)刻,，筒殼的整體應(yīng)力應(yīng)變情況,；鋼絲繩在圈間過渡、層間過渡時(shí),，動(dòng)載荷對(duì)卷筒應(yīng)力應(yīng)變的影響,。

圖3 應(yīng)變應(yīng)力測試系統(tǒng)布置

1.卷筒；2.應(yīng)變片,；3.導(dǎo)線,；4.無線動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀；5.軸承座,；6.測試數(shù)據(jù)接收裝置,。

將測得的數(shù)據(jù)再與理論分析相結(jié)合，研究和驗(yàn)證多層纏繞卷筒應(yīng)變 (應(yīng)力) 規(guī)律,，探尋最危險(xiǎn)工況與最危險(xiǎn)位置,，比較不同結(jié)構(gòu)鋼絲繩,、不同繩槽型式、不同層間過渡裝置對(duì)筒殼應(yīng)力的影響,，為卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持,。

3.3 鋼絲繩張力平衡調(diào)整性能研究

多繩纏繞式提升機(jī)不同于多繩摩擦式與單繩纏繞式提升機(jī)，其最大的技術(shù)難題是鋼絲繩的同步纏繞,。因鋼絲繩材質(zhì)不均勻及制造誤差,、卷筒加工誤差和過渡差異等，使得鋼絲繩在纏繞過程中必然產(chǎn)生不同步現(xiàn)象,。目前,，解決鋼絲繩纏繞不同步問題有多種有效的方案，主要是浮動(dòng)天輪和懸掛裝置,。其中,，鋼絲繩懸掛裝置已是成熟的技術(shù)方案，主要應(yīng)用在多繩摩擦提升系統(tǒng)中,。該試驗(yàn)平臺(tái)主要研究浮動(dòng)天輪對(duì)纏繞不同步的糾偏能力,。

多繩纏繞式提升機(jī)浮動(dòng)天輪裝置主要由輪體、支架,、U 形框架,、液壓缸、直線導(dǎo)軌,、銷軸傳感器等組成,，如圖4 所示。浮動(dòng)天輪的張力調(diào)整主要有主動(dòng)調(diào)整和自調(diào)整兩種方式,。其中,，主動(dòng)調(diào)整是通過實(shí)時(shí)檢測鋼絲繩之間的張力差異,，利用與輪體支撐液壓缸相連接的液壓站，主動(dòng)供油或回油,，使得輪體上升或下放,，實(shí)現(xiàn) 2 根鋼絲繩張力平衡,，其原理如圖5 所示。而自調(diào)整是將輪體支撐液壓缸用高壓管路連接,，利用連通器原理來實(shí)現(xiàn) 2 根鋼絲繩張力平衡,。

圖4 浮動(dòng)天輪結(jié)構(gòu)

1.輪體；2.銷軸傳感器,；3.U 形框架,；4.直線導(dǎo)軌；5.液壓缸裝置,；6.支架,。

圖5 張力平衡液壓原理

3.4 其他相關(guān)研究

多繩纏繞提升系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，除上述研究內(nèi)容外，本試驗(yàn)平臺(tái)還可以開展的研究有：①鋼絲繩振動(dòng)檢測方式,；②提升容器加速度,、沖擊信號(hào)及姿態(tài)；③主軸應(yīng)力檢測及故障診斷,；④罐籠位置精準(zhǔn)檢測,；⑤提升機(jī)罐道實(shí)時(shí)橫向振動(dòng)的測量；⑥鋼絲繩同步纏繞檢測裝置,；⑦兩套主軸裝置同步方式,，如電氣控制方式和機(jī)械同步等。

 

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