多繩纏繞式提升機試驗臺設計研究

發布時間：

2024-11-20

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多繩纏繞式提升機試驗臺設計研究

礦山資源需求的日益增加，給世界范圍內礦山裝備技術進步帶來了巨大壓力，同時也推動了重型礦山裝備的發展。淺部資源的逐漸減少，迫使礦山開采深度不斷增加，這也加快了超深井提升裝備的研發速度。近幾年，國內礦井的開采深度已達到1200～ 1500多m，再到 1900多m，這也使得國內制造企業不斷尋求提升方式上的突破，以實現重載、高速、高效及高安全性的協調統一。

目前，我國現有的單繩纏繞式提升機和多繩摩擦式提升機，因其設備存在的自身缺陷，并不適用于超深井提升，需要研發一種新型提升裝備——多繩纏繞式提升機，來突破現有技術方案的束縛，以滿足深部礦產資源開采的需求。多繩纏繞式提升機的設計制造及應用在國內還是空白。中信重工機械股份有限公司依托國家重點基礎研究發展計劃 (973 計劃) 支撐，建設了多繩纏繞式提升機模擬試驗平臺，既可以驗證提升機設計制造方案的可行性，也能為其后續的設計制造及應用起到重要的指導作用。

1 系統總體方案設計

多繩纏繞式提升機試驗平臺主要由井架、主機系統 (主軸裝置、減速器及電動機等)、液壓制動系統、鋼絲繩、罐籠、浮動天輪裝置、檢測儀表及傳感器、電控系統、數據采集處理系統、配套試驗專用設備等組成，如圖1 所示。

圖1 多繩纏繞式提升機試驗平臺

2 試驗臺系統選型

2.1 相似理論

以相似理論為基礎，利用幾何相似性、力學相似性及動態相似性等建立的相似模型，通常能夠準確地反映出實際工程的特征。模型模擬試驗主要步驟有：①依據研究對象，確定模擬方程與參數；②采用第二定理建立相似準則，確定相似比；③完成試驗模型工程設計；④處理試驗數據，利用試驗結論指導實際生產制造。

相似第二定理是指任何一個物理量過程，如包括n 個物理量，涉及到 m 個基本因次，則這個物理過程可由 (n -m) 個無因次量所表達的關系式來描述。按照相似第二定理則有

式(1) 是由物理方程轉化而成的準則關系式。當試驗模型與原結構相似時，每個對應點和對應時刻上的相似準則同值。此時，對應點和對應時刻上的相似準則也具有相同的關系式，即：

式中：Π₁_m=Π₁_p，Π₂_m=Π₂_p，…，Π₍_n_-_k₎_m=Π₍_n_-_k₎_p；p 為原型；m 為模型。

相似第二定理實質上就是 Π 定理，任何物理方程均可轉換為無量綱量之間的關系方程，公式中的各項就是相似準則，不必利用相似指標導出。

2.2 多繩纏繞式提升機樣機

依托超深井大型提升裝備設計制造及安全運行的基礎研究 (973 計劃) 和國家安全監管總局超大規模超深井金屬礦山開采安全關鍵技術研究 (雙超) 項目，設定樣機設備參數為：提升高度達到 1 500 m 以上；提升速度大于 18 m/s；終端載荷大于 2 400 kN 等。通過提升機設備拓撲方案選型計算，得到多繩纏繞式提升機樣機規格及主要技術參數如表1 所列。

表1 樣機主要技術參數

2.3 試驗臺選型

依據相似理論基礎，使試驗臺與樣機滿足幾何相似、運動相似、鋼絲繩安全系數相近、D/d 和載荷滿足煤安要求、纏繞層數相同等條件。綜合考慮建設與維護成本，確定幾何相似比為 1∶10。試驗平臺主機規格及主要技術參數如表2 所列。

表2 試驗臺主要技術參數

注：①幾何相似比為 1:10；②滿足 3 層纏繞時有效容繩寬度；③幾何相似比為 1:10；④兩值近似相等；⑤轉速相同；⑥運動相似比為 1:10。

3 試驗目的及方法

3.1 繩槽結構及層間過渡裝置研究

繩槽結構類型主要有螺旋繩槽、非對稱雙過渡平行折線繩槽和對稱雙過渡平行折線繩槽，如圖2所示。其中，平行折線繩槽又可分為平底圈間過渡和繩槽圈間過渡兩種，同時也可形成多種繩槽結構與過渡裝置的組合形式。利用試驗平臺對不同的繩槽結構、過渡裝置、繩槽半徑、繩槽深度、繩槽節距等進行研究，以確定一種適用于多繩纏繞式提升機的最佳方案。

圖2 繩槽結構類型

將設計參數不同的繩槽及過渡裝置安裝在試驗機卷筒上。試驗時，排繩檢測裝置可分析排繩整齊度，以及是否有卡繩、調繩等情況。同時，鋼絲繩振動與張力檢測裝置，可記錄與分析鋼絲繩與卷筒接觸和分離、層間過渡、纏繞半徑變化時鋼絲繩動張力、速度、加速度的變化等數據。分析所得到的試驗數據，可以為繩槽結構的選型以及設計計算提供指導。

3.2 多繩多層纏繞對卷筒應變應力場影響研究

在多繩纏繞式提升機試驗平臺上，可以對不同鋼絲繩結構、不同繩槽結構、不同層間過渡裝置下多層纏繞過程中筒殼的應力應變進行測試，如圖3 所示。圖中，①～ ④為應變片的位置。對應力應變數據進行整理分析，可以得到以下研究結果：卷筒測試各點在一個提升循環過程中的應力應變曲線；卷筒在各個時刻，筒殼的整體應力應變情況；鋼絲繩在圈間過渡、層間過渡時，動載荷對卷筒應力應變的影響。

圖3 應變應力測試系統布置

1.卷筒；2.應變片；3.導線；4.無線動靜態應變儀；5.軸承座；6.測試數據接收裝置。

將測得的數據再與理論分析相結合，研究和驗證多層纏繞卷筒應變 (應力) 規律，探尋最危險工況與最危險位置，比較不同結構鋼絲繩、不同繩槽型式、不同層間過渡裝置對筒殼應力的影響，為卷筒結構優化設計提供數據支持。

3.3 鋼絲繩張力平衡調整性能研究

多繩纏繞式提升機不同于多繩摩擦式與單繩纏繞式提升機，其最大的技術難題是鋼絲繩的同步纏繞。因鋼絲繩材質不均勻及制造誤差、卷筒加工誤差和過渡差異等，使得鋼絲繩在纏繞過程中必然產生不同步現象。目前，解決鋼絲繩纏繞不同步問題有多種有效的方案，主要是浮動天輪和懸掛裝置。其中，鋼絲繩懸掛裝置已是成熟的技術方案，主要應用在多繩摩擦提升系統中。該試驗平臺主要研究浮動天輪對纏繞不同步的糾偏能力。

多繩纏繞式提升機浮動天輪裝置主要由輪體、支架、U 形框架、液壓缸、直線導軌、銷軸傳感器等組成，如圖4 所示。浮動天輪的張力調整主要有主動調整和自調整兩種方式。其中，主動調整是通過實時檢測鋼絲繩之間的張力差異，利用與輪體支撐液壓缸相連接的液壓站，主動供油或回油，使得輪體上升或下放，實現 2 根鋼絲繩張力平衡，其原理如圖5 所示。而自調整是將輪體支撐液壓缸用高壓管路連接，利用連通器原理來實現 2 根鋼絲繩張力平衡。

圖4 浮動天輪結構

1.輪體；2.銷軸傳感器；3.U 形框架；4.直線導軌；5.液壓缸裝置；6.支架。