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矿井柔性提升系统运行过程中钢丝绳横向振动的
发布时间：2022-02-07 17:00 文章来源：未知 文章作者：admin 点击数：
矿井提升系统担负着煤炭、人员及各种设备材料的运送任务，是煤炭生产过程中的重要设备，其功能是通过钢丝绳在垂直方向做往返轴向运动来实现的0-。钢丝绳作为柔性元件，常被用
矿井提升系统担负着煤炭、人员及各种设备材料的运送任务，是煤炭生产过程中的重要设备，其功能是通过钢丝绳在垂直方向做往返轴向运动来实现的0-。钢丝绳作为柔性元件，常被用作提升系统的承载设备。由于较大负载的存在，在运行过程中钢丝绳会发生长度的变化，进而加剧振荡的发生。尤其是钢丝绳的横向振动，过大会发生跳绳、剩绳等情况，如果振幅超过相邻钢丝绳间距的一半，会造成钢丝绳缠在一起-3目前对提升系统的研究多把钢丝绳看作具有黏弹性的弦线，其运动过程中的横向振动问题受到国内外众多学者的关注。KaczmarczykS5-通过对缠绕提升系统的运动动力学进行研究，建立了钢丝绳三维振动模型，并着重对重载深井进行了分析。通过把连续钢丝绳离散化。严世格”对提升系统下放时钢丝绳的变形规律和张力变化进行了仿真，研究了变刚度变质量系统对钢丝绳的影响。曹国华9-18建立了提升系统在装载过程中冲击载荷作用下的耦合振动数学模型，并分析了算斗装载和罐笼处的振动特性。
Yao 等邮结合多时间尺度和Galerkin 截断方法研究了多脉冲激励下轴向弦线运动带参数激励的非线性动力学行为·贾福音借助Matlab对提升钢丝绳弹性力进行了分析，并提出采用限力补偿方式可以消除或控制反弹力。蒋玉强0建立了柔性提升系统空间6自由度耦合动力学模型，并对罐笼处的非线性耦合特性开展了研究。
提升系统中的钢丝绳因其具有黏弹性，常被看成柔性元件，在运行的过程中钢丝绳会发生长度变化，这在建模的过程中不可忽略。包继虎04以曳引电梯提升系统为对象，建立了变长度提升系统钢丝绳横向振动模型，分析了钢丝绳在有无外界激励作用下的变形情况。张鹏09将柔性提升系统简化为一端附加有一定质量的轴向运动弦线，并通过Hamliton 方程建立系统纵向振动的运动微分方程，揭示了高速运移中的强振动现象。本文在上述研究的基础上，将平衡钢丝绳的质量等效在提升罐笼上，结合Kelvin 黏弹性模型，利用Hamliton方程建立了柔性提升系统钢丝绳横向振动的偏微分振动方程，并利用无线加速度位置传感器在多个煤矿开展了现场试验，大量的测试数据不仅验证了模型的正确性，也为提升系统运行过程中降低钢丝绳横向振动以避免事故发生具有指导意义。
1振动模型
假设钢丝绳的张力决定了其横向刚度，忽略钢丝绳在运动过程中通过滚筒的抗弯刚度，在此只考虑钢丝绳垂直运移过程中的横向振动情况。图l给出了提升系统建模示意，将提升钢丝绳看作一根做轴向运动的弦线，长度为L，线密度为p，吊重简化为一个质量为m的重物悬挂在钢丝绳的下端。在钢丝绳上端
假设一个简支约束边界条件，以简支约束处为坐标原点，取竖直向下为正方向，在钢丝绳x处！时刻的横向振动位移为u（x，）。
tc.）导就
图l提升系统模型简化示意
Fig.lSimplified diagram of hoist system model对于弦线模型，转动惯量和剪切变形可以忽略不
计，假设弦线的黏弹性材料是均匀的，结合Kelvin黏弹性模型得到本构定律为
0=Ee+n5=g.+o.（1）
式中，n为动态黏滞系数；s为应变；，和w，分别为恒定应力和时变应力。
提升系统运动过程中取运动速度c为常数，则任
意一点的绝对速度可表示为
要=c++些（2）T=e+a+
利用Hamilton原理国建立提升系统的运动方程，其数学状态方程为
f（6r-6U+8）dt=0（3）
式中，T为系统的动能；U为弹性应变能；W为系统阻尼力所做的功。
oU=（o.6sdV=o.osdr（4）
8W=-（mg-o，）8sdr（5）
r=fjoardx=o（e+eu.+w，）Pdr（6）
6r=6o（c+eu.+w，）2dr（7）
将方程（4），（5）和（7）代入方程（3）得到fM（c+eu.+u）'-mg6e-oeldudl=0
（8）时间边界条件为
8u（x，14）=6u（x，t2）=0（9）
位移边界条件为
u（0，1）=u（L，）=0（10）
2试验验证
2.1试验方法
钢丝绳的横向振动是通过绑定在钢丝绳上的ICP型加速度传感器测定，现场安装如图2所示，在4根钢丝绳上分别绑上一个传感器，在中央的钢丝绳上固定好电源以方便给传感器供电。
图2传感器现场安装
Fig.2Sensors installation diagram传感器的工作原理是通过相对于中央（提升系统垂线）的变化来计算动静态的加速度，并通过一次积分得到速度变化和通过二次积分得到振幅变化。数据采集使用北京东方振动和噪声技术研究所的无线信号INV30605数据采集仪，现场控制台如图3所示。
数据处理采用DASP-V10智能数据采集与信号分析软件，其控制原理如图4所示。使用高速AD对该模拟信号进行到数字信号转换，AD转换后的数字信号便可以经过USB2.0通讯模块传回计算机；计算机对采回的采样数据进行二值化处理并记录。该方法具有测量精度高操作简便性价比高等优点，适合于恶劣的工作环境。
2.2试验结果
以某煤矿立井塔式提升系统（6根钢丝绳）为例对模型进行分析，提升系统运行状态参数（提升高度、运行速度、加速度和加加速度）的上限分别为：
5l8m，9m/s，1m/s'和lm/s3。提升系统质量为14500kg，钢丝绳线密度为4.53kg/m。数值模型以图5所示的提升系统运行控制曲线为输入，利用Mat-lab软件分析输出结果；试验是通过现场测试得到，图6给出了罐笼上方2m处钢丝绳横向振动位移的相应曲线。
由图6可以看出，无论是上行运行还是下行运行，数值模拟和试验测试得到的变化规律基本一致，验证了提升系统钢丝绳横向振动模型的正确性，同时发现试验测试数据存在较大的波动，且实测结果略大于模拟结果，这是因为在建模时忽略了一些环境中不确定因素的影响，但这并不会影响基本规律的发现。
上行运行和下行运行的钢丝绳横向振动不同。
上行运行时，钢丝绳在绞车的牵引下被逐渐的拉伸至最长，之后慢慢的回缩且能量得以释放，可见钢丝绳在经过相对平稳的过度之后，振动开始加剧；下行运行正好与之相反，钢丝绳在运行的过程中逐渐变长，在制动过程时才得以恢复，导致振动先加剧后慢慢趋于稳定。对比上行和下行可知：上行时的振动强度明显高于下行时，并且上行时的钢丝绳缩短造成的振动能量很大，易造成提升系统失稳现象，这也正是上行发生事故较多的原因。
4结论
（1）根据矿井提升系统运行过程中钢丝绳长度变化的特性，结合Kelvin黏弹性模型，建立了基于Hamliton方程的柔性提升系统钢丝绳横向振动控制方程。
（2）利用无线加速度位置传感器在多个煤矿开展了现场试验，并与数值模型所得结果进行对比分析，验证了模型的正确性。
（3）分析了横向振动分别与测点位置和提升高度的关系，得到越靠近罐笼处振动越大，矿井深度的增加会增大振动幅度，提升系统上行运动的振动较下行运动大。