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超深矿井提升机最佳出绳时钢丝绳与绳槽的接触特性和滑移行为

宁显国  
【摘要】:煤矿资源是我国的主要能源,随着国民经济的发展,浅层煤矿日益消耗,使得我国矿产资源逐渐向深部开采。矿井提升机作为运输煤矿资源的有效设备,不仅需要有良好的提升运行能力,还需保证足够的安全可靠性。现阶段,我国对于应用于浅井(1000 m以内)的单绳缠绕式和多绳摩擦式提升机的设计制造技术趋于成熟,而对于超深(大于1500 m)矿井的提升,若采用传统提升设备,会使单绳缠绕式提升机钢丝绳和卷筒直径极大,摩擦式提升机钢丝绳交变应力幅过大,均不适用于超深井提升。经研究,多绳缠绕式提升机是满足超深矿井重载(150 t)、高速(18 m/s)、高效和高安全性的最有效提升设备。本文针对多绳缠绕式提升机用于超深井提升遇到的难题,以形成抑制提升系统变形失谐技术和安全可靠理论为目的,探讨多种工况下钢丝绳的出绳对主轴的影响并提出钢丝绳的最佳出绳型式;考虑提升循环中钢丝绳的张力时变,分析钢丝绳与绳槽的接触压力分布和内应力分布特征;以及探究不同摩擦系数下忽略节距和考虑节距时钢丝绳与绳槽的相对滑移规律。本文主要研究包括:(1)针对钢丝绳的出绳型式影响提升机主轴承载的优劣问题,建立了主轴受力的力学模型,推导了钢丝绳变载荷的计算通式,编写了16种工况下的计算程序,并通过建立有限元模型验证了数值结果的正确性,最终比较提出了钢丝绳的最佳出绳型式,结果表明,腹板对称或非对称(L_8、L_1 _0差值150 mm以内)时,均宜采用游筒两绳区左、下出绳和固筒两绳区右、上出绳。(2)针对钢丝绳在整个提升循环中张力降低量、张力及径向力的变化,建立了多层缠绕时钢丝绳与卷筒的受力模型,推导出了一层和多层缠绕时张力变化的计算式,同时考虑了卷筒变形、钢丝绳变形及腹板支撑的影响,求解得出了钢丝绳张力等的变化规律,结果表明,加减速阶段对张力影响较大,左右绳区同一绳圈离左右腹板距离差值越大引起的张力差亦越大。(3)针对钢丝绳与平行折线绳槽的协调表面接触,建立了直线区和折线区的协调表面无摩擦接触模型,给出了接触压力分布、接触半角和应力场的表达式,并通过数值方法得到了封闭型式的解,结果表明,钢丝绳与绳槽的接触半角仅受钢丝绳径向力影响,钢丝绳与绳槽接触边界处因局部应力集中易发生疲劳破坏。(4)针对钢丝绳与绳槽运行过程中的微动滑移,建立了钢丝绳与绳槽考虑节距和忽略节距时的滑移模型,给出了滑移弧度、滑移量和摩擦功的解析式并得到了封闭型式的数值解,最后分析了不同摩擦系数下无节距和有节距时钢丝绳与绳槽的滑移特性,结果表明,绳槽节距远小于卷筒直径时可忽略节距的影响,钢丝绳与绳槽间摩擦系数不小于0.2较好。


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