提升机钢丝绳损伤检测装置结构设计研究

摘要

钢丝绳作为矿井提升系统的主要承载构件，其健康状态是煤矿安全运营的重要保证。本文在分析了大量文献后，发现现有钢丝绳损伤检测装置中针对励磁和检测单元在结构设计方面的研究较少，本文将基于有限元的方法对钢丝绳励磁与检测单元的结构进行研究。 首先，推导了钢丝绳的中心线的参数方程，建立了钢丝绳的三维模型；运用麦克斯韦的基本理论，得出了钢丝断丝漏磁场泄露主要从钢丝断口侧面泄露的结论，并基于此结论提出钢丝绳断丝漏磁场空间形状近似为椭球状；分析了钢丝绳断丝损伤的主要形式，阐述了钢丝绳的检测标准；对比了钢丝绳的三种励磁方式并选择永磁励磁的方式，对比了四种漏磁场的检测方法并选择霍尔检测法，最终确立了基于永磁励磁霍尔元件检测的钢丝绳损伤检测装置设计方案。 其次，分析了现有的两种钢丝绳的励磁结构，包括单回路励磁结构和多回路励磁结构，并对其进行建模仿真，对比了两种励磁结构的磁化性能的优劣；针对现有两种励磁结构磁化性能的不足之处，设计了一种环形励磁结构，并对其进行建模仿真，分析环形励磁结构相对现有两种励磁结构在磁化性能方面的优势，最后设计了励磁单元的壳体。 然后，建立了7种不同断丝数量的钢丝绳漏磁场模型；根据所建模型，分析了钢丝绳漏磁场特性与断丝数量和提离值的关系，包括漏磁场径向分量、周向分量和轴向分量与断丝数量和提离值的关系；根据钢丝绳的漏磁场变化特性，确定霍尔元件的提离值并对钢丝绳损伤检测装置检测单元进行结构设计。 最后，针对矿井提升机钢丝绳运行过程中摆动现象对检测结果的影响，设计了一种钢丝绳损伤检测装置随动机构；同时，基于本文设计的钢丝绳励磁单元和检测单元设计实验系统，并对预先处理有不同断丝数量的钢丝绳进行损伤检测实验，分析实验所得结果并验证本文所设计的励磁单元和检测单元对钢丝绳的损伤检测具有实用性。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2钢丝绳损伤检测国内外研究现状

1.2.1 钢丝绳损伤检测主要方法和特点

1.2.2 钢丝绳电磁检测技术国内外研究状况

1.2.3 钢丝绳损伤检测存在的不足

1.3 研究内容及章节安排

2 钢丝绳结构和建模及损伤检测原理

2.1 钢丝绳结构和建模

2.1.1 钢丝绳各丝中心线参数之间的关系

2.1.2 钢丝绳各丝中心线参数方程的求解

2.1.3 钢丝绳的模型建立

2.2 钢丝绳损伤检测原理

2.2.1 钢丝绳损伤形式和检测标准

2.2.2 钢丝绳断丝漏磁场理论分析

2.2.3 钢丝绳损伤检测装置基本方案

2.3 本章小结

3 钢丝绳励磁单元结构设计

3.1 励磁单元设计的理论基础

3.1.1 钢丝绳的磁化特性分析

3.1.2 励磁结构中永磁体材料的选取

3.1.3 钢丝绳励磁结构设计的基本要求

3.2单回路励磁结构和多回路励磁结构对比分析

3.2.1 单回路励磁结构设计与仿真

3.2.2 多回路励磁结构设计与仿真

3.2.3 对比分析

3.3 环形励磁结构设计

3.3.1 环形励磁结构设计方案

3.3.2 环形励磁结构的仿真和分析

3.4 励磁单元壳体设计

3.5 本章小结

4 基于钢丝绳漏磁场特性的检测单元结构设计

4.1 不同断丝数量的钢丝绳漏磁场模型搭建

4.1.1 建立不同断丝数量的钢丝绳三维模型

4.1.2 不同断丝数量的钢丝绳漏磁场仿真

4.1.3 霍尔元件检测磁场方式

4.2 钢丝绳漏磁场特性与断丝数量的关系

4.2.1 漏磁场径向分量Bx与断丝数量N的关系

4.2.2 漏磁场周向分量By与断丝数量N的关系

4.2.3 漏磁场轴向分量Bz与断丝数量N的关系

4.3 钢丝绳漏磁场特性与提离值的关系

4.3.1 漏磁场径向分量Bx与提离值R的关系

4.3.2 漏磁场周向分量By与提离值R的关系

4.3.3 漏磁场轴向分量Bz与提离值R的关系

4.4 检测单元结构设计

4.4.1 霍尔元件的选型

4.4.2 霍尔元件提离值的确定

4.4.3 检测单元的结构设计

4.4.4 检测单元壳体设计

4.5 本章小结

5 钢丝绳随动机构设计与损伤检测实验

5.1 钢丝绳随动机构设计

5.1.1 单绳缠绕式提升机钢丝绳随动机构设计

5.1.2 多绳摩擦式提升机钢丝绳随动机构设计

5.2 钢丝绳损伤检测实验

5.2.1 钢丝绳损伤检测实验台的搭建

5.2.2 实验结果分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简历

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