不同繩股結(jié)構(gòu)及鎖繩塊表面織構(gòu)對提升鋼絲繩鎖緊力的影響
發(fā)布時(shí)間:
2024-07-31
來源:
針對礦井提升機(jī)調(diào)繩系統(tǒng)中鎖繩器繩槽與鋼絲繩間的滑動(dòng)摩擦問題,開展不同捻向、不同結(jié)構(gòu)鋼絲繩與不同表面結(jié)構(gòu)鎖繩器繩槽摩擦行為研究。建立鋼絲繩與鎖緊器繩槽接觸模型,通過有限元軟件模擬了不同捻向、不同結(jié)構(gòu)鋼絲繩在不同表面結(jié)構(gòu)繩槽作用下鎖繩器對鋼絲繩鎖緊能力的變化規(guī)律,并通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的極差、方差分析找到最優(yōu)工況。結(jié)果表明:同向捻比交互捻鎖緊能力更強(qiáng);橢圓股比三角股鎖緊能力更強(qiáng),三角股比圓股更強(qiáng);繩槽表面凸包時(shí)對鋼絲繩鎖緊能力最強(qiáng),凹坑時(shí)次之,光滑時(shí)鎖緊能力最弱。通過極差和方差分析發(fā)現(xiàn):捻向、股型和繩槽表面對鎖繩能力都有影響,同向捻橢圓股鋼絲繩在繩槽表面凸包工況時(shí)摩擦性能最好,鎖繩能力最強(qiáng)。
提升機(jī)是聯(lián)系地面和井下的主要設(shè)備,是煤礦安全生產(chǎn)中的重要組成部分,在我國的礦山生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。鎖繩機(jī)構(gòu)是立井提升系統(tǒng)的重要組成部分,對提升機(jī)主繩快速、有效、可靠的固定與鎖緊是解決目前重載深井工況調(diào)繩工序繁瑣、安全隱患多等問題的一種方法。對于摩擦式提升機(jī)來說,楔形鎖繩器能夠更快速達(dá)到自鎖,是由增大鋼絲繩與鎖繩器鎖緊塊繩槽之間的摩擦因數(shù)實(shí)現(xiàn)的;鋼絲繩與鎖緊塊繩槽摩擦性能的好壞,與其本身的性質(zhì)、工作環(huán)境及接觸時(shí)的狀態(tài)等因素有關(guān)。利用兩者間的摩擦力使鎖緊機(jī)械對鋼絲繩鎖緊,是實(shí)現(xiàn)摩擦式提升機(jī)調(diào)繩和換繩的主要手段。提高鋼絲繩與鎖緊塊繩槽接觸界面的摩擦性能、降低磨損,是實(shí)現(xiàn)鎖緊器鎖繩能力提升的重要方法。
鋼絲繩的捻向、結(jié)構(gòu)之間差異,會影響鋼絲繩與鎖緊塊繩槽構(gòu)成的對偶摩擦副的摩擦性能。由于鋼絲纏繞成股,按照股纏繞成繩的方式不同,可分為同向捻鋼絲繩和交互捻鋼絲繩;按照鋼絲繩中繩截面的形狀差異,可分為圓股、三角股以及橢圓股等不同類型鋼絲繩。徐蕾等人通過實(shí)際試驗(yàn),總結(jié)得到鋼絲繩捻向與襯墊磨損差異之間的關(guān)系。符宏軍等人通過試驗(yàn)機(jī)模擬,總結(jié)得到了繩的不同捻向與襯墊間有著不同的摩擦特性。孫換等人研究了鋼絲繩不同股型結(jié)構(gòu)與襯墊摩擦性能關(guān)系。
隨著研究的不斷深入,表面微造型技術(shù)和微結(jié)構(gòu)的發(fā)展為改善材料表面摩擦性能提供了新思路。Segu等人用激光儀器在鋼材表面刻蝕一定深度和表面積相同的孔洞,通過球盤試驗(yàn)研究凹坑織構(gòu)對耐磨性的影響,得到加工微織構(gòu)能有良好的摩擦性能。Wang等人運(yùn)用銷盤試驗(yàn)機(jī),對線接觸下的微織構(gòu)做摩擦試驗(yàn),并進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)微凹坑直徑在小的范圍內(nèi)時(shí)有著較好的摩擦效果。Podgornik 等人結(jié)合摩擦學(xué)試驗(yàn)、表面粗糙度分析以及二維有限元建模仿真等手段,研究總結(jié)出了微織構(gòu)深淺、大小、面積占比等對摩擦的影響規(guī)律。將表面微織構(gòu)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)中,利用其改善工程實(shí)際中的摩擦效果,提升工程安全和可靠性,已成為近年來的研究熱點(diǎn)。研究顯示,合理的表面織構(gòu)有利于增加繩與繩槽表面實(shí)際接觸面積,改善繩槽表面的摩擦特性,進(jìn)而使鎖緊機(jī)構(gòu)工作更高效可靠。
基于以上文獻(xiàn)內(nèi)容及其他相關(guān)領(lǐng)域成果分析,結(jié)合礦用提升機(jī)鎖繩裝置的工作原理,本研究建立礦井鎖繩器三維簡化模型,并通過 ANSYS 軟件研究分析不同捻向鋼絲繩、不同織構(gòu)鋼絲繩在楔形自鎖鎖繩器鎖緊塊不同繩槽表面結(jié)構(gòu)鎖繩時(shí)所體現(xiàn)的作用與規(guī)律,通過正交試驗(yàn)對比研究鋼絲繩與繩槽表面接觸時(shí)的增摩特性,通過極差和方差分析力圖得到鎖繩效果最優(yōu)的組合,為后續(xù)無損鎖繩研究提供參考。
1 楔形鎖緊器及其工作原理
目前礦用鎖緊機(jī)構(gòu)主要是楔形鎖繩器。楔形鎖繩機(jī)構(gòu)主要利用繩槽與鋼絲繩之間正壓力產(chǎn)生的摩擦達(dá)到自鎖,進(jìn)而完成對鋼絲繩的鎖緊。楔形鎖繩器能夠滿足重載深井工況下調(diào)繩、換繩時(shí)對鎖緊力的要求。在工作過程中,鎖繩機(jī)構(gòu)必須保證鎖緊楔形塊與主繩之間實(shí)現(xiàn)自鎖,對主繩越鎖越緊,并保證其不會出現(xiàn)滑繩、溜繩等鎖緊失效情況。因此,必須合理確定鎖緊楔形塊的楔形角,使鎖緊楔形塊對主繩產(chǎn)生自鎖。
鎖繩機(jī)構(gòu)中楔形鎖緊塊自鎖原理如圖 1 所示。
圖1 鎖繩機(jī)構(gòu)的自鎖原理
只有當(dāng)摩擦力 µ2 N2≥F2 時(shí),鎖繩機(jī)構(gòu)才能自鎖,并夾緊鋼絲繩不產(chǎn)生相對滑動(dòng)。鎖繩機(jī)構(gòu)達(dá)到自鎖的條件為
式中:N2 為鋼絲繩對鎖緊塊的正壓力;F1 為滾子對鎖緊塊的摩擦力;α 為鎖緊塊的傾角;µ1 為鎖緊塊與滾子之間的摩擦因數(shù);F2 為鎖緊機(jī)構(gòu)承受的載荷;N1為滾子對鎖緊塊的正壓力;µ2 為鎖緊塊與滾子之間的摩擦因數(shù)。
鎖緊塊對鋼絲繩實(shí)現(xiàn)自鎖的傾角條件為
鎖緊塊的傾角 α 必須滿足式 (3),才能使鎖緊塊自鎖。
查機(jī)械手冊,不同接觸情況下的摩擦因數(shù)如表 1所列,可得:µ2=0.15。
表1 不同接觸形式下的摩擦因數(shù)
對于滾子位于鎖緊塊和卡位塊之間的情況,其受力如下:
式中:N 為鎖緊塊與滾子間的正壓力;F 為克服滾子滾動(dòng)摩擦阻力所需牽引力;d 為滾子直徑;k、k1 為滾子與兩鎖緊塊之間的滾動(dòng)摩擦力臂。
由式 (4) 可推出,滾子與鎖緊塊間的摩擦因數(shù)
查機(jī)械手冊得:k=k1=0.5 mm;滾子直徑 d=20 mm。代入式 (5),可得 µ1=0.05。將摩擦因數(shù) µ1、µ2 代入式 (3),可得 α≤5.67°。因此,取鎖緊塊傾角 α=5°,可滿足鎖緊塊自鎖條件。
2 基于 SolidWorks 軟件建模與模型簡化
2.1 楔形鎖繩器簡化模型
鎖繩機(jī)構(gòu)主要由鋼絲繩、楔形塊鎖緊和楔形卡位塊三部分組成。為了后續(xù)在有限元軟件中有效準(zhǔn)確地計(jì)算分析,得到其工作狀態(tài)下鎖繩規(guī)律與變化,將模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕Pㄐ捂i繩機(jī)構(gòu)簡化前后的模型如圖 2 所示。
圖2 楔形鎖繩器及其簡化模型
2.2 不同結(jié)構(gòu)、不同捻向鋼絲繩建模
鎖緊機(jī)構(gòu)在鎖緊鋼絲繩時(shí),對不同捻向、不同結(jié)構(gòu)鋼絲繩鎖緊能力不同。為了進(jìn)一步研究楔形鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊鋼絲繩時(shí)的規(guī)律與變化,對不同捻向、不同結(jié)構(gòu)鋼絲繩進(jìn)行簡化建模。不同結(jié)構(gòu)鋼絲繩橫截面如圖3 所示。不同捻向的鋼絲繩如圖 4 所示。
圖3 不同結(jié)構(gòu)鋼絲繩的橫截面
圖4 不同捻向的鋼絲繩
2.3 不同結(jié)構(gòu)繩槽表面建模
通過分析礦井常用的楔形鎖繩機(jī)構(gòu)的工作原理,得到了提高鎖繩能力的途徑,即增大鋼絲繩與繩槽表面接觸面積進(jìn)而提高鎖繩器鎖緊能力。為驗(yàn)證此猜想是否正確,暫且設(shè)計(jì)了新的圓柱凸包結(jié)構(gòu)與圓柱凹坑結(jié)構(gòu)繩槽表面。圖 5 所示為不同表面結(jié)構(gòu)鎖緊塊三維模型。
圖5 不同表面結(jié)構(gòu)的鎖緊塊
3 有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真前處理
3.1 模型導(dǎo)入和各參數(shù)定義
將建好的不同類型楔形自鎖裝置三維模型導(dǎo)入到ANSYS LS-DYNA 模塊中,根據(jù)自鎖裝置在實(shí)踐中的應(yīng)用,對鋼絲繩、繩槽和卡位塊的材料屬性、材料類型、楊氏模量、泊松比等進(jìn)行定義。各參數(shù)定義如表2 所列。
表2 不同結(jié)構(gòu)材料參數(shù)及類型
3.2 對模型網(wǎng)格劃分
鋼絲繩在鎖緊塊繩槽表面的相對滑動(dòng)是重點(diǎn)仿真對象,需通過對其動(dòng)態(tài)仿真得出可靠的結(jié)論規(guī)律。鋼絲繩結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,其網(wǎng)格劃分最為細(xì)致,鎖緊塊網(wǎng)格劃分可適當(dāng)調(diào)整,鋼絲繩與鎖緊塊繩槽接觸表面要進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分,卡位楔形塊網(wǎng)格可以適當(dāng)劃分粗略一些,以便減少仿真運(yùn)行時(shí)間,降低仿真軟件報(bào)錯(cuò)概率。圖 6 所示為網(wǎng)格劃分前后有限元模型。
圖6 網(wǎng)格劃分前后的鎖繩器模型
3.3 定義接觸、施加約束與載荷
在有限元軟件中,將鎖緊塊與鋼絲繩之間的接觸定義為摩擦接觸。由機(jī)械手冊可查,動(dòng)、靜摩擦因數(shù)均為 0.15。由于兩鎖緊塊在實(shí)際中通過滾子連接,模型中加入滾子后,會增大仿真難度。本研究主要以總結(jié)不同類型鋼絲繩與不同織構(gòu)表面繩槽之間鎖緊能力變化規(guī)律為目標(biāo),所以將鎖緊塊與卡位塊之間定義為摩擦接觸,其摩擦因數(shù)在數(shù)值上等于實(shí)際中加了滾子的摩擦因數(shù)。由機(jī)械手冊可查,動(dòng)、靜摩擦因數(shù)均為0.05。
在楔形鎖緊塊和主繩實(shí)際動(dòng)作過程中,鎖緊塊由于受到前后壓板的限制,只在垂直方向和左右水平方向有位移,而鋼絲繩只有垂直方向上的位移,因而,必須對兩者施加位移約束設(shè)置。分別選中各部件需要施加約束的面,并進(jìn)行逐一定義位移約束,定義情況如表 3 所列。
表3 位移約束情況
楔形自鎖機(jī)構(gòu)主要受到鋼絲繩向下的載荷,該載荷包括鋼絲繩自重以及繩端罐籠或箕斗的自重。以千米礦井四繩提升機(jī)為例進(jìn)行估算,副井鎖繩機(jī)構(gòu)所承受的重量約為 40 t,主井鎖繩機(jī)構(gòu)所承受的重量約為50 t,故在有限元軟件中對鋼絲繩三維模型端面施加500 000 N 豎直向下的力,來進(jìn)行鎖繩器自鎖仿真,如圖 7 所示。
圖7 鋼絲繩所受載荷
4 結(jié)果與討論
4.1 鋼絲繩捻向、股型和鎖緊塊表面結(jié)構(gòu)的影響
由圖 8 可見,所有的鋼絲繩位移在前 0.6 s 內(nèi)都隨著時(shí)間的增大而呈近乎線性增長。從鋼絲繩捻制方面來說,同向捻鋼絲繩比交互捻鋼絲繩表現(xiàn)出了更好的摩擦特性,不同結(jié)構(gòu)同向捻鋼絲繩在不同表面結(jié)構(gòu)鎖緊塊上達(dá)到完全鎖緊時(shí)所需的位移均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于不同結(jié)構(gòu)交互捻鋼絲繩在不同表面結(jié)構(gòu)鎖緊塊上完全鎖緊時(shí)所需的位移。這是因?yàn)樵阡摻z繩與鎖緊塊表面繩槽線接觸彈流狀態(tài)下,同向捻鋼絲繩和交互捻鋼絲繩隨著時(shí)間的增大會與接觸表面形成黏著,鋼絲繩與鎖緊塊表面將處于彈塑性接觸狀態(tài),但由于同向捻捻制形成的鋼絲繩其內(nèi)部間隙會比交互捻捻制的鋼絲繩大,所以同向捻鋼絲繩接觸區(qū)域接觸點(diǎn)尺寸和數(shù)目會大于交互捻鋼絲繩的,因此同向捻鋼絲繩會引起摩擦因數(shù)增加,達(dá)到完全鎖緊時(shí)所需的位移均小于交互捻鋼絲繩。
圖8 不同表面結(jié)構(gòu)的鎖緊塊鎖緊時(shí)鋼絲繩的位移
從鋼絲繩股型方面來說,橢圓股鋼絲繩在達(dá)到完全鎖緊時(shí)所需的位移最小,其表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)性能最優(yōu),三角股鋼絲繩表現(xiàn)次之,圓股鋼絲繩結(jié)構(gòu)性能最弱。其原因是鋼絲繩與鎖緊塊表面產(chǎn)生相對滑動(dòng)時(shí),形成的接觸點(diǎn)會受到黏附力和變形力的剪切作用。橢圓股鋼絲繩表面結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜,三角股鋼絲繩表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,圓股鋼絲繩表面結(jié)構(gòu)最簡單,因此橢圓股鋼絲繩與鎖緊塊表面形成的接觸點(diǎn)最多,三角股鋼絲繩次之,圓股鋼絲繩接觸點(diǎn)最少。在鋼絲繩鎖緊過程中,鋼絲繩與鎖緊塊產(chǎn)生相對滑動(dòng),橢圓股鋼絲繩需要克服的剪切力會比三角股和圓股鋼絲繩需要克服的更大,同理,三角股鋼絲繩會比圓股鋼絲繩需要克服的剪切力更大,因此橢圓股鋼絲繩與鎖緊塊表面的摩擦力更高。
從繩槽表面織構(gòu)來說,圓股交互捻鋼絲繩在光滑表面結(jié)構(gòu)鎖緊塊上達(dá)到完全鎖緊時(shí)需要的滑動(dòng)位移最大,橢圓股同向捻鋼絲繩在凸包表面結(jié)構(gòu)鎖緊塊上達(dá)到完全鎖緊時(shí)需要的滑動(dòng)位移最小。通過對比排除鋼絲繩捻向和結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)了 3 個(gè)不同表面結(jié)構(gòu)鎖緊塊對鎖緊裝置鎖繩能力的影響,其中凸包微造型表現(xiàn)出了最好的鎖繩特性,其次是凹坑結(jié)構(gòu),光滑表面鎖繩特性最差。這說明合理的表面微造型對改善線接觸摩擦副的摩擦特性有一定的積極作用。研究發(fā)現(xiàn)凸包微造型一部分可以與鋼絲繩間隙發(fā)生嵌合現(xiàn)象,增大鋼絲繩與鎖緊塊表面的接觸面積,進(jìn)而增強(qiáng)鎖繩器鎖緊時(shí)摩擦性能和鎖繩能力;鋼絲繩與鎖緊塊接觸中一定會產(chǎn)生少量的磨屑,這些磨屑會造成鋼絲繩與鎖緊塊表面實(shí)際接觸面積的減小,凹坑微造型可以適當(dāng)儲存一些鋼絲繩與鎖緊塊摩擦接觸產(chǎn)生的磨屑,進(jìn)而提高鎖繩器鎖緊能力;光滑表面結(jié)構(gòu)鎖緊塊沒有微造型,所以其表現(xiàn)出的鎖繩能力最弱。
綜上,鎖緊塊表面微結(jié)構(gòu)有序化、合理化將有效提高鎖緊裝置鎖繩能力的提高,為深井提升機(jī)鎖繩時(shí)接觸摩擦學(xué)行為及無損鎖繩機(jī)理研究打下可靠的基礎(chǔ)。
4.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
正交試驗(yàn)采用捻向、股型和繩槽表面結(jié)構(gòu) 3 個(gè)因素,分別用 A、B、C 表示,用 D 來表示誤差。設(shè)計(jì)各因素確定為三水平。正交試驗(yàn)因素與水平如表 4 所列,因?yàn)槟硐蛞蛩刂挥?2 個(gè)因子,因此采用“擬水平法”,不考慮因素之間的交互作用。選用 L9(34) 模式表設(shè)計(jì)試驗(yàn),正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表 5 所列。
表4 正交試驗(yàn)因素與水平
表5 正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果
4.3 正交試驗(yàn)極差分析
各因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次用極差值 R 的大小體現(xiàn)。R 值越大,表示該因素對指標(biāo)的影響越大。試驗(yàn)中的 R 值大小,反映捻向、股型和表面結(jié)構(gòu)對鋼絲繩位移影響的主次?;诒?5 中的正交試驗(yàn)結(jié)果,得到鋼絲繩位移的極差值。
表6 中,Q1、Q2、Q3 表示不同因素不同水平位移之和;q1、q2、q3 分別表示不同因素不同水平位移的平均值;R 為 q1、q2、q3 極差,不同因素的極差是根據(jù)其 3 個(gè)均值中最大值與最小值的差得到的。由表6 可知,捻向、股型和表面結(jié)構(gòu)三因素中,股型因素對應(yīng)的 R 值最大,其對鎖緊器鎖繩能力影響最大;捻向影響次之,表面結(jié)構(gòu)影響最小;排序?yàn)楣尚?> 捻向> 表面結(jié)構(gòu)。同時(shí),鋼絲繩位移越小,對應(yīng)的鎖繩器鎖繩能力越強(qiáng)。綜合可得,最優(yōu)解為 A3B3C2,即同向捻、橢圓股和凸包表面結(jié)構(gòu)工況下,鋼絲繩鎖緊時(shí)滑動(dòng)位移最短,鎖繩器鎖繩能力最強(qiáng)。
表6 鋼絲繩位移的極差分析結(jié)果
4.4 正交試驗(yàn)方差分析
為進(jìn)一步確定捻向、股型和繩槽表面結(jié)構(gòu)對鎖繩能力的機(jī)構(gòu)影響程度,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三因素?zé)o交互作用的方差分析,結(jié)果如表 7 所列。
表7 鋼絲繩位移的方差分析結(jié)果
采用 SPSS 軟件進(jìn)行多因素方差分析,可根據(jù) P值大小判斷各因素對鎖繩能力影響的顯著性。忽略三因素相互作用,只分析三因素單獨(dú)的影響程度,顯著性水平選擇為 α=0.05。由表 7 可知,捻向、股型、表面結(jié)構(gòu)的 P 值都大于 0.05,說明三因素不同水平都對鋼絲繩位移無顯著影響,但是三因素對鋼絲繩位移影響程度由大到小為股型、捻向、表面結(jié)構(gòu)。方差分析結(jié)果與極差分析結(jié)果一致。
5 結(jié)論
(1) 由折線圖分析得出鋼絲繩與鎖緊塊表面線接觸狀態(tài)下,同向捻捻向和橢圓股結(jié)構(gòu)鋼絲繩與鎖緊塊表面實(shí)際接觸面積會比其他情況下實(shí)際接觸面積大,具有良好的摩擦性能。
(2) 鎖繩器鎖緊塊繩槽表面結(jié)構(gòu)對鎖繩器的鎖緊能力影響,相較于鋼絲繩捻向、股型不太顯著。但其中不同的表面形貌其對應(yīng)的摩擦性能也有一定差異,但適當(dāng)?shù)奈⒃煨蜁休^好的增摩特性。本研究結(jié)果顯示圓柱凸包表面微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了最優(yōu)的摩擦特性。
(3) 通過極差和方差分析并結(jié)合鋼絲繩不同捻向、不同結(jié)構(gòu)和鎖緊塊表面不同微結(jié)構(gòu)各工況研究結(jié)果得出:同向捻橢圓股鋼絲繩在鎖緊塊凸包表面結(jié)構(gòu)時(shí)其對應(yīng)的鎖繩器鎖緊能力最強(qiáng),最適用于礦用提升機(jī)主繩的鎖緊與調(diào)繩工況。
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