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多繩纏繞式提升機試驗臺設(shè)計研究

發(fā)布時間：

2024-11-20

來源：

多繩纏繞式提升機試驗臺設(shè)計研究

多繩纏繞式提升機試驗臺設(shè)計研究

 

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)進步帶來了巨大壓力，同時也推動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和多繩摩擦式提升機，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，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。多繩纏繞式提升機的設(shè)計制造及應(yīng)用在國內(nèi)還是空白。中信重工機械股份有限公司依托國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃 (973 計劃) 支撐，建設(shè)了多繩纏繞式提升機模擬試驗平臺，既可以驗證提升機設(shè)計制造方案的可行性，也能為其后續(xù)的設(shè)計制造及應(yīng)用起到重要的指導(dǎo)作用。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

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

圖1 多繩纏繞式提升機試驗平臺

2 試驗臺系統(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)確地反映出實際工程的特征。模型模擬試驗主要步驟有：①依據(jù)研究對象，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?zāi)Ｐ凸こ淘O(shè)計；④處理試驗數(shù)據(jù)，利用試驗結(jié)論指導(dǎo)實際生產(chǎn)制造。

相似第二定理是指任何一個物理量過程，如包括n 個物理量，涉及到 m 個基本因次，則這個物理過程可由 (n -m) 個無因次量所表達的關(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?zāi)Ｐ团c原結(jié)構(gòu)相似時，每個對應(yīng)點和對應(yīng)時刻上的相似準(zhǔn)則同值。此時，對應(yīng)點和對應(yīng)時刻上的相似準(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 多繩纏繞式提升機樣機

依托超深井大型提升裝備設(shè)計制造及安全運行的基礎(chǔ)研究 (973 計劃) 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) 項目，設(shè)定樣機設(shè)備參數(shù)為：提升高度達到 1 500 m 以上；提升速度大于 18 m/s；終端載荷大于 2 400 kN 等。通過提升機設(shè)備拓?fù)浞桨高x型計算，得到多繩纏繞式提升機樣機規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)如表1 所列。

表1 樣機主要技術(shù)參數(shù)

2.3 試驗臺選型

依據(jù)相似理論基礎(chǔ)，使試驗臺與樣機滿足幾何相似、運動相似、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)與維護成本，確定幾何相似比為 1∶10。試驗平臺主機規(guī)格及主要技術(shù)參數(shù)如表2 所列。

表2 試驗臺主要技術(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運動相似比為 1:10。

3 試驗?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、非對稱雙過渡平行折線繩槽和對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。利用試驗平臺對不同的繩槽結(jié)構(gòu)、過渡裝置、繩槽半徑、繩槽深度、繩槽節(jié)距等進行研究，以確定一種適用于多繩纏繞式提升機的最佳方案。

圖2 繩槽結(jié)構(gòu)類型

將設(shè)計參數(shù)不同的繩槽及過渡裝置安裝在試驗機卷筒上。試驗時，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，鋼絲繩振動與張力檢測裝置，可記錄與分析鋼絲繩與卷筒接觸和分離、層間過渡、纏繞半徑變化時鋼絲繩動張力、速度、加速度的變化等數(shù)據(jù)。分析所得到的試驗數(shù)據(jù)，可以為繩槽結(jié)構(gòu)的選型以及設(shè)計計算提供指導(dǎo)。

3.2 多繩多層纏繞對卷筒應(yīng)變應(yīng)力場影響研究

在多繩纏繞式提升機試驗平臺上，可以對不同鋼絲繩結(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)變進行測試，如圖3 所示。圖中，①～ ④為應(yīng)變片的位置。對應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進行整理分析，可以得到以下研究結(jié)果：卷筒測試各點在一個提升循環(huán)過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線；卷筒在各個時刻，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，動載荷對卷筒應(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，研究和驗證多層纏繞卷筒應(yīng)變 (應(yīng)力) 規(guī)律，探尋最危險工況與最危險位置，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筒殼應(yīng)力的影響，為卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 鋼絲繩張力平衡調(diào)整性能研究

多繩纏繞式提升機不同于多繩摩擦式與單繩纏繞式提升機，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。該試驗平臺主要研究浮動天輪對纏繞不同步的糾偏能力。

多繩纏繞式提升機浮動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。浮動天輪的張力調(diào)整主要有主動調(diào)整和自調(diào)整兩種方式。其中，主動調(diào)整是通過實時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，主動供油或回油，使得輪體上升或下放，實現(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現(xiàn) 2 根鋼絲繩張力平衡。

圖4 浮動天輪結(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)相對比較復(fù)雜，除上述研究內(nèi)容外，本試驗平臺還可以開展的研究有：①鋼絲繩振動檢測方式；②提升容器加速度、沖擊信號及姿態(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提升機罐道實時橫向振動的測量；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械同步等。

 

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