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1、多绳摩擦式提升系统的动力学研究与设计,李玉瑾 中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,主要内容,概述提升钢丝绳弹性振动方程的求解与钢丝绳动张力解析解计算 在恒定加速度激励下提升钢丝绳动张力的计算 可控起动设计 可控安全制动设计摩擦式提升机的防滑安全设计 国外实验对理论的验证 结论,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,概述,摩擦式提升机是矿山重要的固定设备之一，它担负着矿井的煤炭、矸石、人员、各种材料和设备的提升和运送任务，是矿井生产中极为重要的一个环节。摩擦式提升机是依靠钢丝绳与摩擦轮衬垫间的摩擦力来传递动力的，它存在着摩擦传动失效（打滑）的问题。国内在进
2、行摩擦式提升机设计时一般都把提升钢丝绳看作刚体，而实际上提升钢丝绳是一个弹性体，在提升机加、减速或紧急制动时，钢丝绳会储存或释放能量，产生很大的动应力波动，造成提升容器剧烈震荡，这会导致摩擦传动的失效，国内已发生了许多次严重的打滑和跑车事故，造成了极其重大的经济损失。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,概述,本文的目的是在弹性动力学的基础上，弄清提升机在加速、减速和紧急制动过程中钢丝绳的动张力、提升机的防滑安全及可控起动和可控制动特性，有效限制或消除钢丝绳的弹性振动，减小钢丝绳动张力，以便对提升机系统进行优化设计，增加提升机运行的可靠性和经济性。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,提升
3、钢丝绳弹性振动方程的求解 与钢丝绳动张力解析解计算,粘弹性振动方程及边界条件、初始条件,u=u(x，t)动位移L钢丝绳长度E钢丝绳的弹性模量（N/mm2），A钢丝绳的面积（mm2）等效粘性阻尼q提升钢丝绳单位长度的质量（kg/m）a(t)提升机的加速度（m/s2），M绳端质量为j弹性波传播速度,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,提升钢丝绳弹性振动方程的求解 与钢丝绳动张力解析解计算,粘弹性振动方程及边界条件、初始条件,解,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,提升钢丝绳弹性振动方程的求解 与钢丝绳动张力解析解计算,式中,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,提升钢丝绳弹性振动方程的求解 与
4、钢丝绳动张力解析解计算,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,提升钢丝绳弹性振动方程的求解 与钢丝绳动张力解析解计算,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,钢丝绳动张力解析计算式,在过去的设计中提升机的加速度和减速度一般为恒定值，给定提升机加速阶段的运行时间为T，正常运行速度为V，则a（t）=am=V/T，并忽略阻尼，将a(t)代入式,代入钢丝绳动张力解析解计算式,在恒定加速度激励下提升钢丝绳动张力的计算,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,在恒定加速度激励下提升钢丝绳动张力的计算,由于,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,在恒定加速度激励下提升钢丝绳动张力的计算,0.3,1,中煤国际工程
5、集团北京华宇工程有限公司,在恒定加速度激励下提升钢丝绳动张力的计算,因此，在 1，x0时,简化,按刚体动力学计算的钢丝绳张力,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,在恒定加速度激励下提升钢丝绳动张力的计算,由左式可以看出，在恒定加速度激励下提升钢丝绳动张力约为按刚体动力学计算2倍，这么大的动张力足以导致摩擦传动失效，大大降低了摩擦提升的可靠性，因此，必须对摩擦式提升的动力学和防滑安全可靠性进行深入研究。,按刚体动力学计算的钢丝绳张力,恒定加速度激励下钢丝绳动张力,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控启动设计,传统的交、直流驱动的提升机的起动加速度曲线为阶跃特性，起动时加速度从零突然上升到
6、最大，加速度的变化率是不可控的，起动冲击值很大，这样就使得提升钢丝绳的动张力也很大。在冲击限制设计设计中提升机的起动加速度从零开始沿某一给定的直线或曲线缓慢上升到最大，加速度的变化率是可控的。随着冲击的减小，钢丝绳的动应力响应值也逐渐减小。为了限制起动冲击，有效地限制或消除提升钢丝绳的振动，研究发现采用梯形、正弦形、抛物线形和三角形加速度控制曲线，均可取得很好的冲击限制特性。由于采用梯形加速度控制曲线时钢丝绳的动张力最小，因此，我们重点研究在梯形加速度激励下钢丝绳动张力特性。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控启动设计,取梯形加速度控制曲线中的t1=t3-t2=T/N，(N为正整数)，
7、则提升机的梯形加速度控制曲线的最大值为：am=(N/N-1)V/T。将梯形加速度控制曲线的计算式的a(t)代入下式,梯形加速度和速度曲线,梯形加速度控制曲线的计算式,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控启动设计,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控启动设计,梯形加速度响应曲线,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控启动设计,将式,代入钢丝绳动张力的解析计算式,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控启动设计,梯形加速度响应的数值计算表,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控启动设计,由梯形加速度响应曲线和梯形加速度响应的数值计算表可以看出当=0时，=1为最大，钢丝绳的动张
8、力与恒定加速度相同。随着的增加，值急剧减小，这表明钢丝绳的动应力响应值急剧地减小，特别是当=1时，=0这表明钢丝绳的弹性振动消除，钢丝绳动张力等于刚体动张力。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控启动设计,为了有效的限制或消除提升机在加速或减速时钢丝绳的弹性振动，满足规程的防滑要求，建议取起动加速或制动减速的时间t1=T1（基波振动周期）。这样不仅可以限制提升钢丝绳的动张力、使下井人员乘座舒适、提升容器停车准确，而且可以在提升机加速阶段减小有功冲击和无功冲击，改善电网的供电质量，限制电动机的电枢电流上升率，降低电动机的温升。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控安全制动设计,目前，
9、摩擦式提升机使用的液压站主要有恒力矩制动和恒减速制动的液压站。对于采用二级制动的恒力矩制动的液压站，理想的油压特性和制动力矩特性如图所示，其中（t1-t0）段的时间应该是可控的，回油的液压阀均应安装监视保护，以确保液压阀回油路始终畅通，液压站的回油系统应按可靠性理论设计，系统的可靠度应大于99.9%。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控安全制动设计,图中t0为制动器由保护回路断电时起至闸瓦接触到制动盘的空动时间，t1-t0为制动力矩建立时间，t2-t1为一级制动时间，P1为一级制动油压，Pt为制动器闸瓦贴制动盘油压，MZ1为一级制动力矩。规程规定的空动时间0.3s，而国产大型提升机液压
10、站的制动力矩建立时间0.2s，这样在紧急制动时会造成提升钢丝绳的剧烈振动，并产生钢丝绳的滑动现象。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控安全制动设计,此外国产大型提升机液压站还存在：液压制动系统的可靠度低；液压元件不过关，经常出现漏油和卡堵现象；关键阀的动作未进行监视和连续诊断，保护功能不完善等问题，从而导致一些矿井近期频繁发生重大的跑车和过卷事故。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控安全制动设计,为了防止下放重载紧急制动过程中出现的钢丝绳打滑事故，制动力矩的建立时间应该是可控的，为了有效的限制或消除提升钢丝绳在紧急制动过程中的弹性振动，防止打滑事故的发生，液压站的制动力矩的建立
11、时间应等于或接近提升系统的基波振动周期，但由于提升机在下放重载运行过程中是靠电动机发电制动力工作的，如果发生突然断电事故，紧急制动力矩的建立时间也不能过长，否则会造成提升机失控。因此，紧急制动力矩的建立时间应综合考虑这两方面的因素。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,可控安全制动设计,对于恒减速制动的液压站，其制动力矩是变化的，目的是通过减小系统的制动减速度来限制钢丝绳动张力，在空载和重载上提紧急制动时会起到很好的效果，但为了防止下放重载紧急制动过程中出现的钢丝绳打滑事故，其制动力矩的建立时间也应该是可控的。可控制动的钢丝绳动张力计算公式同式,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提
12、升机的防滑安全设计 摩擦式的滑动特性分析,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑最不利条件为提升重载起动加速或下放重载紧急制动减速，钢丝绳与摩擦式衬垫间的不打滑条件为：,式中,摩擦式提升机的防滑安全设计 摩擦式的滑动特性分析,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,通过对摩擦式提升的各种工况特性分析，在不考虑钢丝绳弹性振动的情况下，左式的防滑条件，对于直联拖动系统，以空运行工况最不容易满足，对于带减速器拖动系统，以下放重载工况最不容易满足。但由于空运行的滑动属于安全滑动，故防滑安全设计应侧重下放重载工况。,摩擦式提升机的防滑安全设计 摩擦式的滑动特性分析,中煤国际工程集团北京华
13、宇工程有限公司,对于平衡尾绳提升系统，在忽略导向轮的变位质量的情况下将两动力学计算式,代入不打滑条件式,摩擦式提升机的防滑安全设计 摩擦式的滑动特性分析,可推出摩擦式提升机在恒定加速度激励下，按弹性动力学和刚体动力学计算的下放重载滑动极限减速度,对于弹性动力学,对于刚体动力学,Kj为钢丝绳静张力比；T为钢丝绳质量与空载侧钢丝绳静张力之比。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 摩擦式的滑动特性分析,中国的煤矿安全规程（2004版）第四百二十四条规定：立井中用罐笼升降人员时的加速度和减速度，都不得超过0.75m/s2。第四百三十三条规定：立井中使用的提升机的保险闸发生
14、作用时，全部机械的减速度，在下放重载时必须大于1.5m/s2，在提升重载时必须小于5m/s2。各种载荷（满载或空载）和各种提升状态（上提或下放重物）下，保险闸所能产生的制动减速度的计算值，不能超过滑动极限。钢丝绳与摩擦式间的摩擦系数的取值不得大于0.25。由钢丝绳自重所引起的不平衡重必须计入。在各种载荷和提升状态下，保险闸发生作用时，钢丝绳都不出现滑动。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 摩擦式的滑动特性分析,取T=0.5，则下放重载滑动极限随e和Kj为变化规律见表,下放重载滑动极限计算值（采用恒定减速度=1）,由表可以看出，按弹性动力学计算的滑动极限远小于按刚
15、体动力学计算的值。在摩擦系数0.25和制动减速度大于1.5m/s2的条件下，按刚体动力学计算基本上都可以满足规程的要求，而按弹性动力学计算，由于在绝大多数情况下，钢丝绳滑动极限1.5m/s2，出现钢丝绳的滑动现象，不能满足规程的要求。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 摩擦式的滑动特性分析,由于钢丝绳弹性振动所引起的钢丝绳滑动是由许多个微小的局部滑动构成的，对于摩擦系数较小的提升设备，在采用交流电动机驱动的加速阶段，这种微小的局部滑动就经常发生，人们习惯于把它称为蠕动，其实就是微小滑动。这已在许多矿井生产中得到了证实。钢丝绳的这种微小滑动还会造成提升机不能准确停
16、车，影响提升机的正常使用。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,摩擦式提升的最主要失效形式是传动失效打滑。除此之外，还有提升机制动失效跑车，钢丝绳的疲劳损坏所引起的疲劳断裂，冲击载荷引起的突然断裂，超载所引起的电动机过热，减速器过载损坏等失效形式。同样还有罐道梁的变形，提升容器的变形，损坏等引起的卡罐、卡箕斗等事故。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,摩擦式提升的防滑安全设计主要是针对摩擦提升系统的传动失效（打滑）和制动失效（跑车）。为了防止钢丝绳滑动，必须合理选择液压制动系统，选择高性能摩擦衬垫，合理确
17、定钢丝绳的表面状态和形状，提高钢丝绳与衬垫间的摩擦系数，适当增加钢丝绳围包角，合理设计摩擦式提升系统参数，减小提升系统的钢丝绳静张力比，增加系统的极限减速度等，满足下式中的钢丝绳与摩擦式衬垫间的不打滑条件。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,a.限制钢丝绳张力比,由下式可以看出限制钢丝绳张力比可以有效防止钢丝绳滑动。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,a.限制钢丝绳张力比,由下表可以看出，对于=0.25，=180的提升系统，在钢丝绳静张力比为1.2时，下放重载的极限减速度为1.626 m/s21.5m/
18、s2，满足规程要求，在钢丝绳静张力比大于1.3时，均不满足规程要求，出现打滑现象。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,a.限制钢丝绳张力比,但目前运行的摩擦式主井提升系统，大多数的静张力比为Kj1.3，Kj1.5，这样在=0.25，=180时会出现钢丝绳滑动，由梯形加速度响应曲线可以看出，这种滑动只表现为局部的滑动。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,a.限制钢丝绳张力比,在这种情况下如果提高实际的衬垫摩擦系数，可提高下放重载的极限减速度，减小或防止钢丝绳滑动。对于=0.3，=180的提升系统，在钢丝绳
19、静张力比为1.4时，下放重载的极限减速度为1.65 m/s21.5m/s2，可在大多数的摩擦提升要求。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,a.限制钢丝绳张力比,通过研究我们发现，适当增加紧急制动过程中的制动力矩建立时间，就能有效地降低提升钢丝绳的动张力，限制或消除钢丝绳的振动，减小右式中的钢丝绳的张力比，增加下表中的滑动极限（弹性动力学），有效防止钢丝绳滑动。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,a.限制钢丝绳张力比,取T=0.5，采用可控减速度，制动力矩的建立时间=0.75振动周期，则下放重载滑动极限随
20、e和Kj为变化规律见下表。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,a.限制钢丝绳张力比,由表可以看出，为了满足钢丝绳与摩擦式衬垫间的不打滑条件，对于=0.25，=180的提升系统，在钢丝绳静张力比为1.5时，下放重载的极限减速度为1.61m/s21.5m/s2，满足规程要求，对于=0.3，=180的提升系统，在钢丝绳静张力比为1.5时，下放重载的极限减速度为2.26m/s21.5m/s2，有较大的安全富裕度。由此可见，采用控制制动力矩的建立时间，限制提升系统振动的方法，对防止提升系统钢丝绳滑动是非常有效的。但目前国产液压站还不具备这样的功能，需尽快进行
21、技术性能改造。德国SIEMAG公司的液压站虽然具备这样的功能，但系统复杂，价格昂贵。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,b.提高衬垫摩擦系数,由钢丝绳与摩擦式衬垫的不打滑条件可以看出，提高衬垫摩擦系数也可以有效防止钢丝绳滑动。衬垫摩擦系数与摩擦界面接触状况、衬垫比压、滑动速度、接触界面的温度、界面间的复合弹性模数等因素有关。过去国产摩擦衬垫的材料大部分为聚氨酯，少量为PVC，其摩擦系数设计参数值为0.20，最大为0.23。国外提升机摩擦系数设计参数0.25，其品牌有德国K25、法国OXE、波兰等，,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机
22、的防滑安全设计 防滑安全设计,b.提高衬垫摩擦系数,国内进口提升机摩擦衬垫K25占80%左右，因此，以K25举例说明：K25衬垫在干燥和表面有水的条件下摩擦系数大于0.6，在有N113润滑油的条件下摩擦系数大于0.35。国家矿山机械质量监督检验中心的实地测试的K25衬垫的摩擦系数为0.291，在表面状态为涂油的条件下中国矿业大学的检测结果为K25衬垫许用摩擦系数0.3062。国内近期推出的高摩衬垫，测试值0.28左右。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,摩擦式提升机的防滑安全设计 防滑安全设计,b.提高衬垫摩擦系数,根据材料选择原理，考虑衬垫在使用中存在诸多因素影响。如水、油脂、煤灰、温度
23、等，摩擦系数必须有足够的储备，摩擦系数性能参数应遵循：测试值许用值设计值，如果提升系统设计参数取规程的规定最大值0.25，则绳衬的试验室测试值必须大于0.30。因此，采用高性能摩擦衬垫是提高摩擦式提升机防滑安全的有效措施。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,国外实验对理论的验证,文献DHwilde,.,Effects of Emereney Braking on Muti-rope Tower-mounted Frietion Winders,Colliery Guardian on Nov.20，1964.P683690,Feb.26，1965.P289297。是一个现场实验，其实验结果
24、与采用梯形加速度时钢丝绳的动张力计算式的计算结果的对比情况列入下表所示,由下表可以看出，钢丝绳动力学计算的结果与英国的实验结果非常接近，同时，也可以看出随制动力矩建立时间的增加，钢丝绳的最大动张力也大大地减小。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,结论,本文提出的钢丝绳动张力计算方法可计算出在采用各种加速度时钢丝绳的动张力值，计算结果简单、实用、准确。限制钢丝绳张力比、采用可控制动技术和选择高性能摩擦衬垫，提高提升系统的实际衬垫摩擦系数，可有效提高系统的防滑安全性，以防止钢丝绳滑动。为了有效的限制或消除提升机在加速、减速和紧急制动时提升容器的弹性振动，有效防止钢丝绳打滑，推荐摩擦式提升机的驱动和紧急制动均为梯形加速度控制曲线，建议取梯形加速度曲线的t1=T1（基波振动周期）。,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,谢谢,中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,
