礦井柔性提升系統(tǒng)運(yùn)行過程中鋼絲繩橫向振動(dòng)的
發(fā)布時(shí)間：2022-02-07 17:00 文章來源：未知 文章作者：admin 點(diǎn)擊數(shù)：
礦井提升系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著煤炭、人員及各種設(shè)備材料的運(yùn)送任務(wù)，是煤炭生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，其功能是通過鋼絲繩在垂直方向做往返軸向運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的0-。鋼絲繩作為柔性元件，常被用
礦井提升系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著煤炭、人員及各種設(shè)備材料的運(yùn)送任務(wù)，是煤炭生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，其功能是通過鋼絲繩在垂直方向做往返軸向運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的0-。鋼絲繩作為柔性元件，常被用作提升系統(tǒng)的承載設(shè)備。由于較大負(fù)載的存在，在運(yùn)行過程中鋼絲繩會(huì)發(fā)生長度的變化，進(jìn)而加劇振蕩的發(fā)生。尤其是鋼絲繩的橫向振動(dòng)，過大會(huì)發(fā)生跳繩、剩繩等情況，如果振幅超過相鄰鋼絲繩間距的一半，會(huì)造成鋼絲繩纏在一起-3目前對提升系統(tǒng)的研究多把鋼絲繩看作具有黏彈性的弦線，其運(yùn)動(dòng)過程中的橫向振動(dòng)問題受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。KaczmarczykS5-通過對纏繞提升系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，建立了鋼絲繩三維振動(dòng)模型，并著重對重載深井進(jìn)行了分析。通過把連續(xù)鋼絲繩離散化。嚴(yán)世格”對提升系統(tǒng)下放時(shí)鋼絲繩的變形規(guī)律和張力變化進(jìn)行了仿真，研究了變剛度變質(zhì)量系統(tǒng)對鋼絲繩的影響。曹國華9-18建立了提升系統(tǒng)在裝載過程中沖擊載荷作用下的耦合振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并分析了算斗裝載和罐籠處的振動(dòng)特性。
Yao 等郵結(jié)合多時(shí)間尺度和Galerkin 截?cái)喾椒ㄑ芯苛硕嗝}沖激勵(lì)下軸向弦線運(yùn)動(dòng)帶參數(shù)激勵(lì)的非線性動(dòng)力學(xué)行為·賈福音借助Matlab對提升鋼絲繩彈性力進(jìn)行了分析，并提出采用限力補(bǔ)償方式可以消除或控制反彈力。蔣玉強(qiáng)0建立了柔性提升系統(tǒng)空間6自由度耦合動(dòng)力學(xué)模型，并對罐籠處的非線性耦合特性開展了研究。
提升系統(tǒng)中的鋼絲繩因其具有黏彈性，常被看成柔性元件，在運(yùn)行的過程中鋼絲繩會(huì)發(fā)生長度變化，這在建模的過程中不可忽略。包繼虎04以曳引電梯提升系統(tǒng)為對象，建立了變長度提升系統(tǒng)鋼絲繩橫向振動(dòng)模型，分析了鋼絲繩在有無外界激勵(lì)作用下的變形情況。張鵬09將柔性提升系統(tǒng)簡化為一端附加有一定質(zhì)量的軸向運(yùn)動(dòng)弦線，并通過Hamliton 方程建立系統(tǒng)縱向振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，揭示了高速運(yùn)移中的強(qiáng)振動(dòng)現(xiàn)象。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，將平衡鋼絲繩的質(zhì)量等效在提升罐籠上，結(jié)合Kelvin 黏彈性模型，利用Hamliton方程建立了柔性提升系統(tǒng)鋼絲繩橫向振動(dòng)的偏微分振動(dòng)方程，并利用無線加速度位置傳感器在多個(gè)煤礦開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，大量的測試數(shù)據(jù)不僅驗(yàn)證了模型的正確性，也為提升系統(tǒng)運(yùn)行過程中降低鋼絲繩橫向振動(dòng)以避免事故發(fā)生具有指導(dǎo)意義。
1振動(dòng)模型
假設(shè)鋼絲繩的張力決定了其橫向剛度，忽略鋼絲繩在運(yùn)動(dòng)過程中通過滾筒的抗彎剛度，在此只考慮鋼絲繩垂直運(yùn)移過程中的橫向振動(dòng)情況。圖l給出了提升系統(tǒng)建模示意，將提升鋼絲繩看作一根做軸向運(yùn)動(dòng)的弦線，長度為L，線密度為p，吊重簡化為一個(gè)質(zhì)量為m的重物懸掛在鋼絲繩的下端。在鋼絲繩上端
假設(shè)一個(gè)簡支約束邊界條件，以簡支約束處為坐標(biāo)原點(diǎn)，取豎直向下為正方向，在鋼絲繩x處！時(shí)刻的橫向振動(dòng)位移為u（x，）。
tc.）導(dǎo)就
圖l提升系統(tǒng)模型簡化示意
Fig.lSimplified diagram of hoist system model對于弦線模型，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和剪切變形可以忽略不
計(jì)，假設(shè)弦線的黏彈性材料是均勻的，結(jié)合Kelvin黏彈性模型得到本構(gòu)定律為
0=Ee+n5=g.+o.（1）
式中，n為動(dòng)態(tài)黏滯系數(shù)；s為應(yīng)變；，和w，分別為恒定應(yīng)力和時(shí)變應(yīng)力。
提升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程中取運(yùn)動(dòng)速度c為常數(shù)，則任
意一點(diǎn)的絕對速度可表示為
要=c++些（2）T=e+a+
利用Hamilton原理國建立提升系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，其數(shù)學(xué)狀態(tài)方程為
f（6r-6U+8）dt=0（3）
式中，T為系統(tǒng)的動(dòng)能；U為彈性應(yīng)變能；W為系統(tǒng)阻尼力所做的功。
oU=（o.6sdV=o.osdr（4）
8W=-（mg-o，）8sdr（5）
r=fjoardx=o（e+eu.+w，）Pdr（6）
6r=6o（c+eu.+w，）2dr（7）
將方程（4），（5）和（7）代入方程（3）得到fM（c+eu.+u）'-mg6e-oeldudl=0
（8）時(shí)間邊界條件為
8u（x，14）=6u（x，t2）=0（9）
位移邊界條件為
u（0，1）=u（L，）=0（10）
2試驗(yàn)驗(yàn)證
2.1試驗(yàn)方法
鋼絲繩的橫向振動(dòng)是通過綁定在鋼絲繩上的ICP型加速度傳感器測定，現(xiàn)場安裝如圖2所示，在4根鋼絲繩上分別綁上一個(gè)傳感器，在中央的鋼絲繩上固定好電源以方便給傳感器供電。
圖2傳感器現(xiàn)場安裝
Fig.2Sensors installation diagram傳感器的工作原理是通過相對于中央（提升系統(tǒng)垂線）的變化來計(jì)算動(dòng)靜態(tài)的加速度，并通過一次積分得到速度變化和通過二次積分得到振幅變化。數(shù)據(jù)采集使用北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的無線信號INV30605數(shù)據(jù)采集儀，現(xiàn)場控制臺(tái)如圖3所示。
數(shù)據(jù)處理采用DASP-V10智能數(shù)據(jù)采集與信號分析軟件，其控制原理如圖4所示。使用高速AD對該模擬信號進(jìn)行到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號便可以經(jīng)過USB2.0通訊模塊傳回計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對采回的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理并記錄。該方法具有測量精度高操作簡便性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，適合于惡劣的工作環(huán)境。
2.2試驗(yàn)結(jié)果
以某煤礦立井塔式提升系統(tǒng)（6根鋼絲繩）為例對模型進(jìn)行分析，提升系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)（提升高度、運(yùn)行速度、加速度和加加速度）的上限分別為：
5l8m，9m/s，1m/s'和lm/s3。提升系統(tǒng)質(zhì)量為14500kg，鋼絲繩線密度為4.53kg/m。數(shù)值模型以圖5所示的提升系統(tǒng)運(yùn)行控制曲線為輸入，利用Mat-lab軟件分析輸出結(jié)果；試驗(yàn)是通過現(xiàn)場測試得到，圖6給出了罐籠上方2m處鋼絲繩橫向振動(dòng)位移的相應(yīng)曲線。
由圖6可以看出，無論是上行運(yùn)行還是下行運(yùn)行，數(shù)值模擬和試驗(yàn)測試得到的變化規(guī)律基本一致，驗(yàn)證了提升系統(tǒng)鋼絲繩橫向振動(dòng)模型的正確性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)存在較大的波動(dòng)，且實(shí)測結(jié)果略大于模擬結(jié)果，這是因?yàn)樵诮r(shí)忽略了一些環(huán)境中不確定因素的影響，但這并不會(huì)影響基本規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。
上行運(yùn)行和下行運(yùn)行的鋼絲繩橫向振動(dòng)不同。
上行運(yùn)行時(shí)，鋼絲繩在絞車的牽引下被逐漸的拉伸至最長，之后慢慢的回縮且能量得以釋放，可見鋼絲繩在經(jīng)過相對平穩(wěn)的過度之后，振動(dòng)開始加??；下行運(yùn)行正好與之相反，鋼絲繩在運(yùn)行的過程中逐漸變長，在制動(dòng)過程時(shí)才得以恢復(fù)，導(dǎo)致振動(dòng)先加劇后慢慢趨于穩(wěn)定。對比上行和下行可知：上行時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度明顯高于下行時(shí)，并且上行時(shí)的鋼絲繩縮短造成的振動(dòng)能量很大，易造成提升系統(tǒng)失穩(wěn)現(xiàn)象，這也正是上行發(fā)生事故較多的原因。
4結(jié)論
（1）根據(jù)礦井提升系統(tǒng)運(yùn)行過程中鋼絲繩長度變化的特性，結(jié)合Kelvin黏彈性模型，建立了基于Hamliton方程的柔性提升系統(tǒng)鋼絲繩橫向振動(dòng)控制方程。
（2）利用無線加速度位置傳感器在多個(gè)煤礦開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，并與數(shù)值模型所得結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了模型的正確性。
（3）分析了橫向振動(dòng)分別與測點(diǎn)位置和提升高度的關(guān)系，得到越靠近罐籠處振動(dòng)越大，礦井深度的增加會(huì)增大振動(dòng)幅度，提升系統(tǒng)上行運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)較下行運(yùn)動(dòng)大。
