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基于能量转换的防冲击首绳快速更换关键技术研究

张延军  
【摘要】:随着煤炭资源采掘量的不断增大和矿井开采深度的不断增加,素有井下向地面运输“咽喉”之称的立井提升系统,正朝着大型化、高效化、安全化方向不断发展。近年来大型矿井不断出现,提升高度不断增加,提升载荷也在不断增长,多绳摩擦提升机首绳更换难度日益增大。现有的提升机钢丝绳更换方法和更换装备技术越来越不能满足煤矿安全生产的要求,特别是国外钢丝绳更换装备价格昂贵,在国内没有得到应用。因此研究安全快捷且适用于重载深井提升工况,具有自主知识产权的多绳摩擦提升机钢丝绳更换关键技术具有重要意义。本课题是在国际合作专项“矿井提升系统安全运行关键技术及装备研究”(编号:2011DFA72120),以及2011年山西省高等学校创新团队的资助下开展的。针对现有多绳摩擦提升机首绳更换工艺方法及更换装备的问题,在分析立井多绳摩擦提升机运行机理和特点的基础上,研究了基于能量转换的防冲击首绳快速更换关键技术。论文中首先运用静力学方程分析因换绳方法不当而产生的附加扭转载荷问题,其次在建立振动数学模型的基础上研究了送绳防冲击问题,然后研究了将重力势能转换为液压能的少发热关键技术,并应用集总热容法对液压系统散热性能进行了仿真研究。这三方面研究为开发基于能量转换的防冲击首绳快速更换系统提供了重要的技术保障。论文运用联合静力学方程分析了提升机绳带绳并联换绳方法所产生的对提升机首绳运行不利的附加扭转载荷,提出了“新旧钢丝绳串联”钢丝绳能自由旋转释放内应力的首绳更换方法。在剖析主动给压式首绳更换装置送绳过程冲击及发热问题机理的基础上,提出了将钢丝重力势能转化为液压能的比例流量控制送绳油缸软起和软停防冲击首绳更换系统。论文对首绳快速更换装置的双四连杆夹绳机构和钢丝绳安全防跑装置楔形锁紧机构进行了仿真研究。双四连杆夹紧机构对钢丝绳的夹紧力随着液压系统压力的增加不断增大,钢丝绳的夹紧力与油缸的压力成正比,但当钢丝绳对摩擦衬垫比压达到材料极限值,夹紧力会急剧减小。钢丝绳与锁紧机构楔形块之间形成了“自锁”现象,即钢丝绳的自重载荷越大,钢丝绳与楔形块之间的锁紧力也会随之增大,最终达到稳绳抓捕的目的。随着对钢丝绳动态抓捕初始速度的增大,楔形锁紧机构需要克服能量不断增大,钢丝绳的加速时间也随之增长,钢丝绳最大速度不断增大,且钢丝绳减速至稳态速度值的时间增长,导致楔形锁紧机构动态快速抓捕可靠性降低,因此钢丝绳安全防跑装置动作阈值应设置在符合工程实际应用且保证安全的范围内。论文建立了送绳过程振动数学模型并进行了振动分析,得到了首绳快速更换送绳系统基波振动周期为(?),提出了梯形加速度曲线为最佳送绳控制曲线,且送绳变加速时间等于基波振动周期,整个加速阶段时间等于基波振动周期整数倍的防冲击关键技术,并通过AMESim和ADAMS软件进行机-液联合仿真分析了防冲击的效果。应用集中参数模型,建立了基于集总热容法的夹绳和送绳工况液压系统RC网络传热模型,并将夹绳和送绳过程液压系统分为13个流动节点和5个传热表面节点,建立了 18个一阶常微分方程,并结合换绳装备的运行工况定义了节点与节点之间、节点与环境之间的热阻。基于MATLAB软件对首绳快速更换装置夹绳和送绳工况液压系统热平衡进行仿真分析。液压系统发热主要来源在于克服钢丝绳重力势能做功,比例流量控制阀节点的热平衡温度值高于油箱平衡温度值,比例流量控制阀做功为整个液压系统主要热源,系统在此容易出现热量积聚。设定仿真环境温度后,液压系统在运行50分钟后,液压油箱的油温趋于热平衡,且平衡最高温度在液压系统允许工作范围内,整个系统运行平稳。本文研究成果对研发高效安全的多绳摩擦提升机钢丝绳更换装备提供了理论支撑。利用本文研究关键技术研制的基于能量转换的防冲击首绳快速更换系统在现场进行了工业性应用,解决了系统的发热问题,防止了换绳过程中冲击的出现,避免了因发热和冲击造成的安全隐患,对提高提升机首绳更换的安全性具有十分重要的意义。


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