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走進(jìn)中實(shí)中實(shí)洛陽機(jī)械工程科技有限公司（原中實(shí)洛陽工程塑料有限公司）于2017年11月01日更名成立，注冊資金5000萬元。專門從事摩擦襯墊的研制、開發(fā)和生產(chǎn)，以及礦山設(shè)備、配件的生產(chǎn)。
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產(chǎn)品中心提升機(jī)配件：摩擦襯墊、天輪導(dǎo)向輪襯墊、猴車襯墊、天輪襯墊、滾筒襯板、過渡塊、無石棉閘瓦、壓塊、固定塊、超高分聚乙烯板、電纜掛鉤、導(dǎo)繩板、滾筒襯塊等。
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技術(shù)實(shí)力是中國礦業(yè)大學(xué)礦山機(jī)械摩擦材料科研基地、教學(xué)實(shí)習(xí)基地，是河南科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研基地，是中國重型機(jī)械工業(yè)協(xié)會會員單位，是摩擦襯墊、塑料襯板等五項產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定者。
摩擦式提升機(jī)防過卷保護(hù)鋼絲繩應(yīng)力分析
發(fā)布時間：
2024-09-26
來源：
隨著礦山開采量和開采強(qiáng)度的不斷增大，井下機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行對于保證產(chǎn)量和企業(yè)的效益至關(guān)重要。多繩摩擦式提升系統(tǒng)是井下常用的機(jī)電液一體化裝備，主要由驅(qū)動裝置、制動裝置、多根鋼絲繩及天輪等部分組成，是礦山領(lǐng)域的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備。鋼絲繩是整個提升系統(tǒng)的承載構(gòu)件，用于提升和下放罐籠并且承受載荷作用。在運(yùn)行過程中，摩擦式提升機(jī)容易出現(xiàn)過卷故障，此時鋼絲繩的受力比較復(fù)雜，容易造成鋼絲繩內(nèi)部斷絲或突然斷裂，引起煤礦提升事故。
為了保證提升系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，國內(nèi)很多學(xué)者研究了提升機(jī)防過卷保護(hù)裝置。賈福音等人通過對摩擦式提升機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，設(shè)計了一種保護(hù)裝置對提升過程的制動進(jìn)行緩沖，減少了鋼絲繩受到的沖擊力；但是，摩擦式提升機(jī)的過卷裝置受外部的影響較大，沒有分析鋼絲繩的內(nèi)部應(yīng)力變化特性，無法得出鋼絲繩在受到作用力時的應(yīng)力分布規(guī)律。本研究基于礦井摩擦式提升機(jī)結(jié)構(gòu)組成，應(yīng)用了一種應(yīng)對特殊工況的防過卷保護(hù)裝置，利用有限元分析軟件 Pro/Engineer 建立了鋼絲繩仿真模型，仿真鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力，并得到了應(yīng)力分布規(guī)律。
1 摩擦式提升機(jī)和過卷保護(hù)裝置
1.1 多繩摩擦式提升機(jī)
礦井多繩摩擦式提升機(jī)是我國礦井領(lǐng)域最常用的提升裝備，主要用于提升人員、設(shè)備和物料。該提升系統(tǒng)主要由驅(qū)動裝置、多根鋼絲繩、上下天輪及罐籠等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，驅(qū)動裝置由電動機(jī)、減速機(jī)和聯(lián)軸器等部分組成，可將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)對罐籠的提升和下放；上下天輪用于對鋼絲繩進(jìn)行改向。提升鋼絲繩在天輪位置會出現(xiàn)彎曲變形，鋼絲繩的應(yīng)力會出現(xiàn)突變。
圖1 多繩摩擦式提升系統(tǒng)
1.驅(qū)動裝置；2.鋼絲繩；3.天輪；4.罐籠；5.下方容器；6.尾繩。
1.2 防過卷保護(hù)裝置
當(dāng)?shù)V井提升機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)傳感器失效、制動系統(tǒng)失靈以及突然斷電時，非常容易引起過卷。過卷發(fā)生后，鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力瞬間增大，導(dǎo)致提升機(jī)罐籠出現(xiàn)嚴(yán)重振動，有可能引起墜罐事故。為此，提升機(jī)防過卷裝置應(yīng)運(yùn)而生。防過卷保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 防過卷保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意
1.上支架；2.耐磨鋼帶；3.基礎(chǔ)；4.緩沖液壓缸組；5.水平支撐橫梁；6.立柱；7.鋼帶；8.罐籠；9.壓輥耳座；10.壓輥；11.托罐梁；12.托罐爪；13.彈簧；14.壓輥組。
整個防過卷裝置由井架、支撐立柱、壓輥組以及鋼帶等部分組成。該裝置由 5 個緩沖液壓缸支撐，且沿垂直方向等距布置。每一個緩沖液壓缸活塞桿上都裝有鋼帶，且鋼帶在各緩沖液壓缸由活塞桿進(jìn)行固定。防過卷保護(hù)裝置通過鋼帶吸收應(yīng)變能，從而在過卷時對罐籠進(jìn)行緩沖，并且利用緩沖壓輥降低制動沖擊力。該裝置能對鋼絲繩進(jìn)行可靠制動，并且有效防止鋼絲繩出現(xiàn)過卷；但在實(shí)際進(jìn)行制動時，鋼絲繩的應(yīng)力也會受防過卷裝置的影響。
2 提升鋼絲繩應(yīng)力數(shù)值分析
在實(shí)際運(yùn)行過程中，提升鋼絲繩張力最大的位置往往在彎曲部位。鋼絲繩展開結(jié)構(gòu)如圖3 所示。模擬真實(shí)工況下采用防過卷裝置后鋼絲繩的纏繞工況，繩股纏繞在天輪上，鋼絲繩處于純彎曲的狀態(tài)。
圖3 鋼絲繩展開結(jié)構(gòu)
張家銘研究了纏繞式提升機(jī)鋼絲繩的振動和繩鼓力學(xué)特性。假設(shè)沒有進(jìn)行捻制的鋼絲繩直徑為 δ，鋼絲繩在直徑為 D 的摩擦輪 (天輪) 上彎曲，此時，鋼絲繩的彎曲應(yīng)力
任意取一點(diǎn)作為密切平面，則
對式 (2) 進(jìn)行變換，可以得到主法線表達(dá)式為
此時，通過空間曲線可以計算出鋼絲繩的最大彎曲應(yīng)力
以6×36WS+IWRC 鋼絲繩為研究對象，計算鋼絲繩的應(yīng)力時，仿真設(shè)定參數(shù)如表1 所列。
表1 仿真設(shè)定參數(shù)
將鋼絲繩纏繞在直徑為 2 m 的天輪上，在實(shí)際求解時，將計算內(nèi)部接觸點(diǎn)位置作為求解的計算點(diǎn)。此時，選取位于摩擦天輪繩槽上下兩側(cè)和右側(cè)的部分繩股作為研究對象，并且沿著順時針方向進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記出第 1、2、3、4 股。仿真分析得到的鋼絲繩應(yīng)力分布如圖4 所示。
圖4 右側(cè)同向捻外股鋼絲繩彎曲應(yīng)力分布
由圖4 可知，鋼絲繩第 1 至第 4 股內(nèi)第 1 層至第3 層鋼絲的總體應(yīng)力為 94.08、90.08、71.20 和 117.80 MPa。從圖中可以看出，鋼絲繩芯中心軸的對稱軸位置處，第 1 股和第 4 股的鋼絲繩應(yīng)力是沿著左右方向?qū)ΨQ分布的；右同向捻和右交互捻鋼絲繩靠近繩芯的位置彎曲應(yīng)力較大。為了研究提升鋼絲繩的應(yīng)力分布及分布規(guī)律，采用有限元分析法建立鋼絲繩物理模型并進(jìn)行數(shù)值模擬，可以直觀得到鋼絲繩內(nèi)部以及繩股之間的應(yīng)力分布。
3 基于 Pro/Engineer 的鋼絲繩應(yīng)力仿真
選用 6×36WS+IWRC 鋼絲繩作為分析對象，定鋼絲繩的初張力為 85 N，仿真時對鋼絲繩的一進(jìn)行固定，添加固定約束，求解鋼絲繩的應(yīng)力分布6×36WS+IWRC 鋼絲繩的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2 所列，絲繩模型如圖5 所示。
表2 6×36WS+IWRC 鋼絲繩結(jié)構(gòu)參數(shù)
圖5 鋼絲繩仿真模型
從表2 可以看出，鋼絲繩主要分為 3 層，中心股、內(nèi)股和外股；3 股的直徑不同，并且股捻距也存在一定的差異。在進(jìn)行仿真求解時，需要對各個層進(jìn)行定義。
在有限元分析軟件中建立 6×36WS+IWRC 鋼絲繩仿真模型，設(shè)定求解參數(shù)進(jìn)行計算，并劃定求解單元，可以得到如圖6 所示的求解結(jié)果。
圖6 鋼絲繩應(yīng)力分布規(guī)律及云圖
從圖6(a) 可以看出，鋼絲繩在受載作用時，此時的等效應(yīng)力呈現(xiàn)出不均勻的分布形式，且存在層狀分布；鋼絲繩的應(yīng)力受到空間位置和相位變化的影響，在繩槽的中心軸線上下部分分布不均勻；從圖6(b) 可以看到，鋼絲繩截面上應(yīng)力近似呈現(xiàn)對稱層狀分布，彈性區(qū)域和塑性區(qū)域相互交叉。鋼絲繩的外股層和接觸位置的應(yīng)力比其他同股的應(yīng)力較大，此時最大值為 761.97 MPa，最大應(yīng)力分布在靠近中心軸軸線上半部分的左右兩側(cè)。鋼絲繩的交互捻外層股二次捻制鋼絲繩中，靠近繩芯的位置應(yīng)力比較大，最大應(yīng)力是1 121.78 MPa，分布在繩槽中心軸線上半部分。通過對比圖4 可以看出，最大應(yīng)力主要集中在鋼絲繩的外側(cè)，不同繩股層的鋼絲繩應(yīng)力值不同。
通過仿真結(jié)果可以看出，鋼絲繩的應(yīng)力集中在繩芯處，在 Pro/Engineer 中添加求解項，計算鋼絲繩股內(nèi)的變形以及鋼絲繩和天輪接觸部位的應(yīng)力，可以得到如圖7 所示的計算結(jié)果。
圖7 應(yīng)力分布規(guī)律
實(shí)際加載時，右同向捻的鋼絲繩一端固定，在鋼絲繩的一端進(jìn)行加載。從圖7(a) 可以看出，此時，加載端的鋼絲繩產(chǎn)生與繩股捻制方向相反的變形，并且在繩槽底部接觸位置的應(yīng)力較大，這個應(yīng)力是使鋼絲繩出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形的主要原因。所以說，靠近繩槽底部的變形其實(shí)是比較小的。此外，整個系統(tǒng)中位于繩槽位置處的位移變化相對較大。從圖7(b) 可以看出，鋼絲繩和天輪在接觸位置處受到集中應(yīng)力的作用，呈現(xiàn)出層狀的分布規(guī)律；在鋼絲繩和天輪接觸點(diǎn)內(nèi)側(cè)表現(xiàn)為壓應(yīng)力，外側(cè)表現(xiàn)為拉應(yīng)力，并且同向捻制鋼絲繩股內(nèi)變形大于右交互捻；鋼絲繩的外層絲等效應(yīng)力表現(xiàn)出等幅波動，幅度變化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性；在鋼絲繩模型加載位置端和約束端面上，受到約束作用，導(dǎo)致應(yīng)力突然集中，在端面位置的等效應(yīng)力其實(shí)是大于股內(nèi)鋼絲其他位置的等效應(yīng)力。
4 結(jié)論
(1) 針對多繩摩擦式提升機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)的過卷故障，采用防過卷保護(hù)裝置，可有效吸收應(yīng)變能，從而在過卷時對罐籠進(jìn)行緩沖，對鋼絲繩進(jìn)行可靠制動，防止鋼絲繩出現(xiàn)過卷現(xiàn)象。
(2) 采用防過卷保護(hù)裝置后，鋼絲繩的應(yīng)力也會受到影響。仿真結(jié)果表明：鋼絲繩截面位置的應(yīng)力呈現(xiàn)出層狀分布，內(nèi)側(cè)為壓力，外側(cè)為拉力；同向捻鋼絲繩股內(nèi)變形大于右交互捻鋼絲繩；應(yīng)力集中部位在鋼絲繩的彎曲位置；鋼絲繩的外層股絲等效應(yīng)力呈現(xiàn)出等幅波動。
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