深井垂悬钢丝绳扭转特性及回收装置研究

摘要

多绳摩擦提升机在竖井中应用广泛，既负责设备、人员等的下放，又负责煤矿以及矸石等的提升。垂悬在井筒中的提升钢丝绳经过一定时间使用后，根据煤矿安全规程要进行更换。在更换、回收钢丝绳时，尤其深井井下回收，存在一定的安全问题：提升钢丝绳内部积聚有一定的扭矩，内部扭矩释放时，快速扭转的钢丝绳容易互相缠绕，更甚者窜动的绳端打伤作业人员；依靠人力拉拽回收钢丝绳，效率低，劳动力成本投入大。针对井下回收垂悬钢丝绳存在的问题，本课题在研究垂悬钢丝绳扭转特性的基础上，开发设计了一种回收装置，可以控制钢丝绳内部扭矩释放，利用机械力代替人力回收钢丝绳。
　　本文以井下回收钢丝绳工艺为背景，从提升钢丝绳螺旋结构入手，阐述垂悬钢丝绳形成内部扭力的原因。结合垂悬钢丝绳静力学方程，对积聚在内部的扭矩和钢丝绳的弹性变形进行分析。以垂悬长度为650m，直径为46.50mm的钢丝绳为例，利用回归公式计算积聚在钢丝绳内部的扭矩，约为560N·m，以及钢丝绳下端处于平衡位置时，扭转位移约为118圈。
　　从垂悬长度为650m的钢丝绳上截取七个区段进行仿真，得到区段扭转角的最大值和稳定值与区段距井底距离近似呈负线型比例关系。对七个区段的扭转角利用线性插值计算得到井底钢丝绳下端在扭转过程中最大角位移约为209.2圈，平衡位置的角位移约118.3圈。并对井底处19m长的钢丝绳进行仿真，得到扭力释放时间为240s时，钢丝绳分段的离心力可以减小到18.7N。提出了在井底钢丝绳下端设置控制扭力释放机构以降低钢丝绳扭转速度。
　　设计了回收装置的驱动机构、夹紧机构、排绳与扭力释放机构。建立回收装置装配模型，在满载6.5t工况下利用RecurDyn对连续回收装置进行动力学仿真，得到钢丝绳与绳盘作用力在220N附近小幅度波动，与排绳器作用力在30N~50N之间变化，表明回收过程比较平稳。对回收装置机架进行模态分析，得到机架最小固有振动频率为28.877Hz，高于绳盘对机架的冲击激励频率2.34Hz。对机架进行瞬态动力学分析，得到在装置启动过程中机架最大位移为1.1891mm，最大应力为78.473MPa，远小于机架材料的屈服极限235MPa。通过上述研究证明本课题设计的连续回收装置应用于井下回收钢丝绳是合理可行的。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 钢丝绳回收装置国内外研究现状

1.3 钢丝绳扭转特性及仿真技术研究动态

1.4 课题研究意义和内容

第二章 垂悬钢丝绳扭转分析

2.1 垂悬钢丝绳扭转机理

2.2 垂悬钢丝绳静平衡分析

2.3 垂悬钢丝绳扭转计算

2.4 本章小结

第三章 垂悬钢丝绳建模及扭转仿真分析

3.1 钢丝绳建模方法

3.2 建立基于柔性梁连接的钢丝绳模型

3.3 仿真结果分析

3.4 井底钢丝绳扭转离心力仿真分析

3.5 本章小结

第四章 连续回收装置整体方案研究

4.1 设计思路及目标

4.2 连续回收装置整体方案设计

4.3 装置功能结构设计

4.4 连续回收装置装配模型的建立

4.5 本章小结

第五章 连续回收装置动力学仿真研究

5.1 回收装置动力学仿真

5.2 机架模态分析

5.3 机架瞬态动力学分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文