超深矿井提升机卷筒及钢丝绳变形失谐分析及优化

摘要

矿产资源是各国战略资源的重要部分，随着对深部矿产资源探测、开发、开采的需求日益增加，我国矿产资源开采不断向深部发展。矿井提升装备作为将矿产资源从矿井中运送到地面的主要设备装置，不但要求有良好的提升能力，还需要有足够的安全性。目前我国矿井提升装备的设计制造能力，在1000m以内的浅井提升上较为成熟，但对于井深超过1500m的深井、超深井，由于传统缠绕式提升机需要直径巨大的钢丝绳及卷筒，摩擦式提升机钢丝绳的交变应力幅过大，导致过早疲劳，故均不能满足超深井提升高速、重载、高效、高安全性带来的挑战。为此，本文针对提出的超深井矿井提升装备主轴装置结构，对钢丝绳在卷筒上的出绳方式进行对比分析，并通过改变绳槽的布置位置，优化布槽型式；分析卷筒结构对多点提升、多层缠绕钢丝绳提升同步性的影响，并提出减小失谐量的解决方案；建立为分析钢丝绳间挤压冲击时内部受力情况的离散体有限元模型。
　　本文研究主要包括以下五个方面：
　　①针对钢丝绳在提升机缠绳区绳槽上不同的出绳口位置，对比分析其对主轴的受力影响情况，利用有限元法对比研究各圈缠绕时主轴受力变形规律，提出双筒单绳提升机右出绳位置的正确性，并将分析方法运用于超深矿井单筒双绳提升机出绳口位置的选择，结果表明，两绳区右出绳为最合理方式。
　　②筒壳上绳槽有不同的设计宽度、布置位置等，通过将布置型式分为对称型和非对称型分别进行主轴结构有限元计算，对比研究提升过程主轴受力变形极值，结果表明，非对称布置型绳槽、内侧挡绳板与同侧腹板间绳槽数较多为合理的设计型式。
　　③针对超深矿井提升机钢丝绳在卷筒绳槽内多绳提升、多层缠绕的特点，推导计算钢丝绳层间、圈间拉力降低系数，建立钢丝绳与卷筒的耦合变形模型，结果表明，层间缠绕对钢丝绳拉力降低系数的影响远大于圈间缠绕。
　　④超深矿井提升机主轴装置卷筒结构变形，造成两缠绳区缠绕钢丝绳的不同步性，分析提升钢丝绳间变形失谐的成因，理论与仿真结合，得到失谐量波动特征。并提出为保证提升同步性，减小失谐量的有效优化结构；
　　⑤为分析钢丝绳在绳槽中多钢丝绳间堆叠挤压、高速缠绳时的冲击行为，计算钢丝绳内部受力情况，建立计算此受力过程的离散体有限元模型，并对简化模型进行有限元显式动力学仿真分析。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1课题背景及目的

1.2矿井提升装备现状

1.3 国内外研究现状

1.4主要研究内容

2 主轴及出绳口位置分析

2.1引言

2.2单绳双筒提升机出绳口位置分析

2.3超深矿井提升机出绳口位置分析

2.4最优绳槽布置型式探讨

2.5本章小结

3 卷筒及钢丝绳变形失谐分析

3.1引言

3.2缠绕钢丝绳拉力降低

3.3拉力降低系数的计算

3.4.考虑拉力降低系数的卷筒有限元分析

3.4本章小结

4 钢丝绳多绳挤压有限元法建模

4.1引言

4.2钢丝绳的离散体有限元模型

4.3离散体接触快速检测法

4.4离散体接触力快速算法

4.5 钢丝绳接触挤压有限元计算法

4.6 钢丝绳接触模型有限元仿真

4.7 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文和专利目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目