超深井提升系统钢丝绳三维动力学建模及张力平衡控制研究

摘要

随着社会的快速发展，人类对矿产资源的需求越来越大，深部矿产资源的开采已成为各国的发展战略。而超深井提升机是深部开采矿产资源所需的关键装备，是连接地面和井下的咽喉设备。随着提升高度的增加，在满足安全运行的前提下，提升机将面临一系列问题，如张力过大，振动失谐等。在双绳提升时还会出现振动不同步，张力差过大等问题。基于双绳缠绕式提升机实际运行情况，本文运用理论分析、软件仿真验证以及实验验证相结合的研究方法，建立了超深井双绳缠绕式提升机的三维振动动力学模型，基于此动力学模型做一系列研究和验证，并引入张力被动控制的研究。主要研究内容如下：　　①基于Hamilton原理建立了双绳缠绕式超深井提升系统的精确分布参数模型。模型中考虑了钢丝绳的切向振动，横-轴向耦合振动，罐笼与柔性罐道在横向和切　　向振动的相互作用，以及滚简的等效时变转动惯量等，形成了大时变、变惯量、强耦合的无穷维分布参数系统模型。然后用有限差分的方法将无穷维参数模型离散成有限维模型，同时求得近似解。　　②基于超深井提升系统的三维动力学模型，针对提升钢丝绳的轴向振动、横向振动以及动张力的变化情况和二维动力学模型进行了对比分析研究。同时对提升钢丝绳的切向振动、罐笼的位姿、罐道的反作用力等进行了分析研究。　　③基于多体动力学仿真软件SIMPACK，建立提升系统的仿真模型，得到仿真结果并和动力学数值模型的计算结果作对比分析研究，进而验证数值模型的正确性。利用已搭建的提升机实验台，设计测试方案，得到提升钢丝绳的轴向振动和张力变化的实验数据，修改动力学模型参数，使之和实验台的参数一一对应，得到计算结果和实验数据作对比分析研究，从而对动力学模型进行实验验证。　　④针对双绳振动过大和不同步的问题，提出将支撑提升钢丝绳的天轮设置为浮动天轮并用连通器将其耦合的方法，实现双绳振动的被动控制，抑制提升钢丝绳以及所连接的罐笼的轴向振动，同时也减小双绳振动的不同步量和绳的张力差。　　通过上述工作，本文建立了超深井提升系统的三维振动动力学模型，并利用有限差分原理解出此动力学模型，并借助MATLAB软件计算出其数值解，得到超深井提升系统的三维振动状态，并对数值模型进行仿真验证和实验验证，最后再引出双绳振动不同步的被动控制。

目录

1 绪论

1.1 课题来源与研究背景

1.2 超深井提升机国内外研究现状

1.3 超深井提升系统建模研究现状

1.3.2超深井提升系统分布参数法建模分析研究

1.4 本文研究目标和研究内容

1.4.2本文的研究内容

2 超深井提升系统三维动力学模型的建立

2.1 引言

2.2 建立超深井提升系统的物理模型

2.3 建立超深井提升系统的动力学模型

2.3.1提升系统运动动能的研究

2.3.2提升系统势能的计算

2.3.3提升系统虚功的研究

2.4 提升钢丝绳振动的动力学方程

2.5 提升系统的边界条件

2.5.3在罐笼处的边界条件

2.6 罐道的动力学方程

2.7 提升系统分布参数模型离散化

2.8 小结

3 超深井提升系统的动力学仿真结果分析

3.1 前言

3.2 提升系统的仿真参数

3.3 振动特性仿真对比

3.3.1单绳的三维振动特性和二维振动特性对比

3.3.2双绳的三维振动特性和二维振动特性对比

3.4 动张力对比分析研究

3.4.2垂绳动张力分析比较

3.5 罐笼振动状态分析

3.5.1在罐笼UW平面作对比分析研究

3.5.2对罐笼第三个方向做分析研究

3.6 罐道振动状态分析

3.6.2对限制罐笼转动的罐道做分析研究

3.7 小结

4 提升机系统软件仿真验证及实验验证

4.1 前言

4.2 多体动力学模型的建立及仿真分析研究

4.2.2提升机系统建模及仿真分析

4.2.3提升机的拓扑图

4.2.4多体动力学模型建立

4.2.5解算器设定

4.2.6软件仿真和动力学模型作对比分析研究

4.3 超深井提升系统动力学模型的实验验证

4.3.2实验台测试方案设计

4.3.3实验结果对比分析

4.4 小结

5 基于浮动天轮的张力平衡控制研究

5.1 前言

5.2 浮动天轮张力平衡控制理论研究

5.3 仿真对比分析研究

5.3.2天轮处轴向振动对比

5.3.3天轮处张力和张力差的对比

5.3.4天轮系统不同参数对钢丝绳轴向振动的影响

5.4 小结

6 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文与专利

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C.学位论文数据集

致谢