多绳缠绕式超深井提升系统制动特性仿真

摘要

矿井提升机是联系井下与井上的重要设施，担负着矿物、设备和工人的输送，其重要性不言而喻。煤炭资源具有不可再生性，由于人类的不间断需求与开采，浅层煤矿日渐减少，因此不得不朝着更深的地下开采。而矿井深度的增加带来了一系列难题：对于多绳摩擦式提升机，井深的增加引起钢丝绳的增长，进而导致钢丝绳与摩擦衬垫间比压的增大，严重制约了摩擦衬垫的使用寿命；当采用单绳缠绕式提升机时，为满足一定提升能力必然要增大提升钢丝绳直径，根据D/d≥80的要求（D：卷筒直径，d：提升钢丝绳直径），就会使提升机卷筒直径大幅增加，这对提升机的生产制造与安装带来不便。本文中所要研究的多绳缠绕式提升机正能弥补上述两种提升机在超深井提升中的不足：首先多绳缠绕式提升机不需要摩擦衬垫；再者多绳缠绕式提升机可以通过增加提升钢丝绳根数来减小钢丝绳直径，进而减小提升机卷筒直径。
　　超深井提升机的设计提升高度为1500 m，多绳缠绕式提升机和1500 m提升深度在国内均是首次出现，这对提升机的设计提出了新的挑战。而矿井提升机的制动器是提升系统中的关键设备，与提升机的安全性有直接的关系，因此必须对提升机制动器予以高度重视。
　　为研究提升机紧急制动过程中的制动特性，首先运用建模软件 CATIA建立提升机的三维模型，然后导入到多体系统动力学软件 RecurDyn中建立其虚拟样机模型，对提升机在两种特殊工况下（1.满载提升容器在井口而空载提升容器在井底，2.满载提升容器在井底而空载提升容器在井口）的紧急制动进行仿真分析，得到了提升机的紧急制动响应（包括速度、位移等变化曲线）；并采用控制变量的方法，分析了同一工况下不同的制动比压和闸瓦摩擦特性对提升机紧急制动的影响。研究结果表明：在保证安全制动减速度的情况下，当满载提升容器在井口而空载提升容器在井底的紧急制动需要施加较大的制动比压（制动比压0.5 MPa，制动时间6.28 s，制动距离58.30 m），而空载提升容器在井口同时满载提升容器在井底的紧急制动需要采用二级制动（一级制动比压0.1 MPa，二级制动比压0.8 MPa，制动时间5.13 s，制动距离47.18 m）；同一种工况下的紧急制动，制动时间和制动距离会随着制动比压和制动副间摩擦系数的增大而减小。
　　为研究提升机紧急制动过程中制动器的温度场和应力场的大小与分布规律，利用有限元分析软件WORKBENCH构建了提升机盘形制动器的三维瞬态有限元模型，并把动力学仿真中得到的速度变化曲线作为边界条件施加给制动盘，采用热-结构直接耦合法分析得到了两种极端工况下紧急制动过程中制动器的温度场和应力场。结果表明：制动器的最高温度分布于闸瓦摩擦面中心区域，摩擦面边缘温度次之，最大应力出现在制动盘的摩擦面上（满载提升容器在井口而空载提升容器在井底的紧急制动最高温度为75.625℃，最大应力23.069 MPa；满载提升容器在井底而空载提升容器在井口的紧急制动最高温度为36.078℃，最大应力6.356 MPa），且应力沿周向分布不均匀。提升容器在井中的位置不同紧急制动后得到的温度场与应力场有差异；而提升容器在井中同一位置处的紧急制动，比压和摩擦系数减小制动结束后制动副温度与应力亦相应减小。分析结果对制动比压的选择具有指导意义。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 提升机制动器发展概况

1.3 制动器的选择

1.4 课题意义和研究的主要内容

1.5 国内外研究现状

1.6 本章小结

第2章 多体系统动力学理论与虚拟样机技术

2.1 多体系统动力学的研究状况

2.2 多体系统动力学的建模与求解

2.3 虚拟样机技术

2.4 本章小结

第3章 提升机虚拟样机建模与紧急制动动力学仿真

3.1 提升机模型简化与建立

3.2 双卷筒提升机边界条件施加和虚拟样机建模

3.3 双卷筒提升机紧急制动特性仿真

3.4 本章小结

第4章 盘形制动器热-结构耦合分析的理论基础

4.1 有限元理论

4.2 有限元建模

4.3 热分析

4.4 热应力计算模型

4.5 本章小结

第5章 提升机盘形制动器紧急制动过程热-结构耦合分析

5.1 盘形制动器热-结构耦合模型建立

5.2 制动过程中的载荷及边界条件施加

5.3 紧急制动工况下制动器的热-结构仿真计算与分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果