缠绕式多点提升系统钢丝绳变形失谐动力学分析及主动控制

摘要

世界经济和社会发展对矿产资源的需求日益增加，我国现在正在转向地球的深部开采，开采井深深度将达到1500米以上的超深井。目前，我国矿井提升装备主要采用单绳缠绕式提升机和摩擦式提升机，均不能同时满足超深井“超深”和“重载”的需求。为了解决这一难题，多钢丝绳的多点提升组合拓扑结构有望成为超深井提升装备的有效型式。同时，由于钢丝绳物理性能的差异、动态变形、缠绕误差都会造成钢丝绳间运动不同步，导致钢丝绳张力差急剧加大，影响提升钢丝绳的使用寿命和安全性。对于多钢丝绳多层缠绕式提升机的一种型式，双绳缠绕式提升机，本文定义这种现象为“双绳间提升钢丝绳变形失谐”，简称“钢丝绳变形失谐”。为了对缠绕式多点提升系统钢丝绳变形失谐进行控制，本文首先对变形失谐机理进行了研究，得到了提升容器的动态响应情况和钢丝绳张力、张力差变化情况，同时设计了一种主动自动张力平衡装置，对提升钢丝绳间张力不平衡进行实时调节，并对其调节特性进行了相关分析与研究。
　　本研究主要内容包括：⑴采用瑞利法对钢丝绳质量进行处理并将其等效为刚度随绳长变化且具有一定阻尼的粘弹性体，建立了缠绕式多点提升系统纵向振动数学模型，并采用Matlab编程对模型进行数值求解，得到提升容器纵向振动速度、加速度变化规律和钢丝绳张力、钢丝绳间张力差随缠绕半径误差变化规律。⑵采用离散化的思想将钢丝绳表示为由广义力耦合成的质量球模型，并运用多体动力学软件对多点提升系统分别进行静力学建模和动力学建模，分析得到钢丝绳间张力、张力差在静态和动态时变化情况，同时将动态时提升容器纵向响应特性结果和数值计算结果进行对比，以验证所建立数学模型的正确性；最后对非定常工况下提升系统进行了动力学模型的建立，并分析其响应特性。⑶针对钢丝绳变形失谐设计了一种钢丝绳主动自动张力平衡装置，并对装置进行了机械液压联合仿真分析，对在液压仿真系统里给定位移信号和在动力学仿真系统里实际位移信号进行比较，以验证所建立联合仿真模型的有效性；同时得到钢丝绳张力、钢丝绳间张力差和调节液压缸压力、流量变化情况，并对得到的结果进一步的分析，以验证所建立联合仿真模型控制系统的有效性。