基于动力学的煤矿立井摩擦提升系统安全性研究

摘要

煤矿立井提升系统的安全性是广义的，既包括所有设备部件和控制元件的安全可靠性，也包括整个系统的安全可靠性，同时还包括阻止各种菲正常因素引起事故扩大的能力。立井提升的安全可分为主动安全和被动安全。从动力学的角度出发，研究提升系统的设备与装备的设计、系统的控制、操作、使用、维护等，是提高提升系统安全性的基础，也是处理安全性与生产效率矛盾的重要途径。 本文将尾绳作为独立自由度，且考虑钢丝绳阻尼，采用拉格朗日方法建立离散系统多自由度立井摩擦提升系统动力学模型。在此基础上根据钢丝绳匀质特性等实际情况简化模型，分别建立了5自由度塔式提升、7自由度落地式提升、以及2自由度单边系统动力学模型，作为进一步研究安全性的基础。与此同时，将摩擦因素作为随机变量，将提升附加阻力作为模糊变量，首次将模糊可靠性理论应用于摩擦提升的防滑计算，建立了基于模糊可靠性理论的钢丝绳防滑安全评价方法。 在以上理论研究的基础上，对曲轨卸载过程进行了动力学分析，并给出了曲轨及其系统的设计方法；结合现场采集的数据对原煤卸载规律及卸载时间预测方法进行了研究，得出了预测卸载时间的经验公式；对井上卸载、井下装载的协同性进行了分析，为主井提升系统的合理设计提供了理论基础；在防滑安全性验算方面结合动力学和可靠性理论进行，有利于提高系统的安全性，预知可靠性；并在工程实际中得到了应用，取得了良好的效果。研究表明任意吨位箕斗在理论上都可以采用曲轨卸载方式。 在副井罐笼承接过程的安全性应用研究方面，将装置弹簧的预压缩变形、预压缩装置弹性、钢丝绳的阻尼等作为建模考虑因素，对罐笼的承接过程进行了动力学研究。仿真表明罐笼在承接过程中，其最大加速度和提升偏移量在一定范围内近似成线性关系；在满足罐笼不被弹性提起、钢丝绳不松绳、不打滑以及正常的提升偏差前提下，偏移量的取值宜小：降低承接装置刚度有力于减小承接装置最大冲击力，对于保护设备，降低设备损坏率有益。 将被动安全保护问题作为系统问题进行研究，从而提升了立井摩擦提升系统安全性研究的深度和全面性。建模与仿真表明：过卷、过放侧制动行程主要取决于各自的保护装置设定力的大小，过卷侧制动力应大于过放侧；从不增加过卷、过放侧保护装置总体负担，以及不增加井架或井塔高度角度出发，过放侧不宜提前进入制动保护，合理的方式应该是两侧同时进入制动保护。由于楔形木罐道失效具有很大不确定性，从安全性角度考虑，楔形木罐道不宜和过卷保护装置同时设置。

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文摘

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章绪论

1.1概述

1.2煤矿立井摩擦提升系统安全性的特点

1.3基于动力学的煤矿立井摩擦提升系统安全性研究现状

1.3.1提升系统动力学理论及一般安全问题的研究

1.3.2提升机及其系统装备安全研究

1.3.3曲轨安全卸载技术研究

1.3.4副井罐笼安全承接技术研究

1.3.5被动安全保护技术研究

1.3.6系统安全可靠性理论研究

1.3.7安全性研究需要进一步深化的地方

1.4本论文的研究内容、目的、意义

1.4.1课题来源

1.4.2本论文研究的目的、意义

1.4.3本论文的主要研究工作和主要安排

第二章煤矿立井摩擦提升系统动力学模型

2.1引言

2.2塔式摩擦提升系统动力学模型

2.2.1多自由度模型

2.2.2五自由度模型

2.2.3二自由度模型

2.3落地式摩擦提升系统动力学模型

2.4防滑问题分析

2.5钢丝绳的弹性模量E和阻尼系数c的确定方法

2.6动力学模型的数值解法及其实例分析

2.7尾绳自由度动力学模型比较分析

2.8本章小结

第三章煤矿立井摩擦提升系统安全可靠性研究

3.1引言

3.2钢丝绳与摩擦轮之间摩擦力和提升阻力的特性分析

3.3钢丝绳防滑可靠性分析方法

3.3.1模糊变量变换向当量随机变量的变换

3.3.2可靠性分析方法

3.4钢丝绳防滑可靠性分析

3.5本章小结

第四章煤矿立井主提升系统安全卸载研究与应用

4.1引言

4.2卸载过程动力学分析

4.2.1相关部件的几何关系

4.2.2受力分析

4.3系统设计的相关问题的研究

4.3.1装卸载规律与卸载时间预测

4.3.2装卸载协同性分析

4.4装卸载过程摩擦防滑安全性研究

4.5曲轨卸载研究应用实例

4.5.1曲轨卸载系统设计的整体思路

4.5.2主要参数的确定

4.5.3曲轨设计

4.5.4受力计算与分析

4.5.5防滑问题分析

4.5.6测试结果分析

4.5.7协同性分析

4.5.8工程实施情况

4.6速度对受力影响与安全性分析

4.7本章小结

第五章煤矿立井设备和人员提运安全性研究

5.1引言

5.2承接过程动力学模型

5.3实例分析

5.4有关参数对承接过程的影响分析

5.4.1速度与偏移量对加速度的影响

5.4.2载重量与偏移量对加速度的影响

5.4.3刚度与偏移量对加速度的影响

5.5钢丝绳与摩擦轮防滑安全分析

5.6承接装置安全保障措施

5.7本章小结

第六章煤矿立井被动安全保护技术研究

6.1引言

6.2过卷保护装置原理与过卷分类

6.2.1过卷保护装置类型

6.2.2过卷原因

6.2.3过卷分类

6.3过卷缓冲动力学模型

6.3.1过卷条件

6.3.2系统建模

6.4实例分析

6.5有关安全问题的讨论

6.5.1过卷过放侧制动力匹配问题

6.5.2过放侧提前制动保护问题

6.5.3楔形木罐道组合作用问题

6.5.4电机转动对过卷影响

6.5.5制动系统对过卷影响

6.6本章小结

第七章总结和展望

7.1总结

7.2主要创新点

7.3本文工作的局限和后续工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位之前发表的与博士论文内容相关的论文

攻读博士学位期间的主要科研

攻读博士学位期间的获奖