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摩擦式提升機防過卷保護鋼絲繩應力分析
發布時間：
2024-09-26
來源：
隨著礦山開采量和開采強度的不斷增大，井下機電設備的穩定運行對于保證產量和企業的效益至關重要。多繩摩擦式提升系統是井下常用的機電液一體化裝備，主要由驅動裝置、制動裝置、多根鋼絲繩及天輪等部分組成，是礦山領域的關鍵機電設備。鋼絲繩是整個提升系統的承載構件，用于提升和下放罐籠并且承受載荷作用。在運行過程中，摩擦式提升機容易出現過卷故障，此時鋼絲繩的受力比較復雜，容易造成鋼絲繩內部斷絲或突然斷裂，引起煤礦提升事故。
為了保證提升系統的穩定運行，國內很多學者研究了提升機防過卷保護裝置。賈福音等人通過對摩擦式提升機結構特點進行分析，設計了一種保護裝置對提升過程的制動進行緩沖，減少了鋼絲繩受到的沖擊力；但是，摩擦式提升機的過卷裝置受外部的影響較大，沒有分析鋼絲繩的內部應力變化特性，無法得出鋼絲繩在受到作用力時的應力分布規律。本研究基于礦井摩擦式提升機結構組成，應用了一種應對特殊工況的防過卷保護裝置，利用有限元分析軟件 Pro/Engineer 建立了鋼絲繩仿真模型，仿真鋼絲繩內部應力，并得到了應力分布規律。
1 摩擦式提升機和過卷保護裝置
1.1 多繩摩擦式提升機
礦井多繩摩擦式提升機是我國礦井領域最常用的提升裝備，主要用于提升人員、設備和物料。該提升系統主要由驅動裝置、多根鋼絲繩、上下天輪及罐籠等部分組成，其結構如圖1 所示。其中，驅動裝置由電動機、減速機和聯軸器等部分組成，可將電能轉變為機械能，實現對罐籠的提升和下放；上下天輪用于對鋼絲繩進行改向。提升鋼絲繩在天輪位置會出現彎曲變形，鋼絲繩的應力會出現突變。
圖1 多繩摩擦式提升系統
1.驅動裝置；2.鋼絲繩；3.天輪；4.罐籠；5.下方容器；6.尾繩。
1.2 防過卷保護裝置
當礦井提升機在運行中出現傳感器失效、制動系統失靈以及突然斷電時，非常容易引起過卷。過卷發生后，鋼絲繩內部應力瞬間增大，導致提升機罐籠出現嚴重振動，有可能引起墜罐事故。為此，提升機防過卷裝置應運而生。防過卷保護裝置結構如圖2所示。
圖2 防過卷保護裝置結構示意
1.上支架；2.耐磨鋼帶；3.基礎；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行固定。防過卷保護裝置通過鋼帶吸收應變能，從而在過卷時對罐籠進行緩沖，并且利用緩沖壓輥降低制動沖擊力。該裝置能對鋼絲繩進行可靠制動，并且有效防止鋼絲繩出現過卷；但在實際進行制動時，鋼絲繩的應力也會受防過卷裝置的影響。
2 提升鋼絲繩應力數值分析
在實際運行過程中，提升鋼絲繩張力最大的位置往往在彎曲部位。鋼絲繩展開結構如圖3 所示。模擬真實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。
圖3 鋼絲繩展開結構
張家銘研究了纏繞式提升機鋼絲繩的振動和繩鼓力學特性。假設沒有進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，鋼絲繩的彎曲應力
任意取一點作為密切平面，則
對式 (2) 進行變換，可以得到主法線表達式為
此時，通過空間曲線可以計算出鋼絲繩的最大彎曲應力
以6×36WS+IWRC 鋼絲繩為研究對象，計算鋼絲繩的應力時，仿真設定參數如表1 所列。
表1 仿真設定參數
將鋼絲繩纏繞在直徑為 2 m 的天輪上，在實際求解時，將計算內部接觸點位置作為求解的計算點。此時，選取位于摩擦天輪繩槽上下兩側和右側的部分繩股作為研究對象，并且沿著順時針方向進行標記，標記出第 1、2、3、4 股。仿真分析得到的鋼絲繩應力分布如圖4 所示。
圖4 右側同向捻外股鋼絲繩彎曲應力分布
由圖4 可知，鋼絲繩第 1 至第 4 股內第 1 層至第3 層鋼絲的總體應力為 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 股的鋼絲繩應力是沿著左右方向對稱分布的；右同向捻和右交互捻鋼絲繩靠近繩芯的位置彎曲應力較大。為了研究提升鋼絲繩的應力分布及分布規律，采用有限元分析法建立鋼絲繩物理模型并進行數值模擬，可以直觀得到鋼絲繩內部以及繩股之間的應力分布。
3 基于 Pro/Engineer 的鋼絲繩應力仿真
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行固定，添加固定約束，求解鋼絲繩的應力分布6×36WS+IWRC 鋼絲繩的結構參數如表2 所列，絲繩模型如圖5 所示。
表2 6×36WS+IWRC 鋼絲繩結構參數
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。在進行仿真求解時，需要對各個層進行定義。
在有限元分析軟件中建立 6×36WS+IWRC 鋼絲繩仿真模型，設定求解參數進行計算，并劃定求解單元，可以得到如圖6 所示的求解結果。
圖6 鋼絲繩應力分布規律及云圖
從圖6(a) 可以看出，鋼絲繩在受載作用時，此時的等效應力呈現出不均勻的分布形式，且存在層狀分布；鋼絲繩的應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，鋼絲繩截面上應力近似呈現對稱層狀分布，彈性區域和塑性區域相互交叉。鋼絲繩的外股層和接觸位置的應力比其他同股的應力較大，此時最大值為 761.97 MPa，最大應力分布在靠近中心軸軸線上半部分的左右兩側。鋼絲繩的交互捻外層股二次捻制鋼絲繩中，靠近繩芯的位置應力比較大，最大應力是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，最大應力主要集中在鋼絲繩的外側，不同繩股層的鋼絲繩應力值不同。
通過仿真結果可以看出，鋼絲繩的應力集中在繩芯處，在 Pro/Engineer 中添加求解項，計算鋼絲繩股內的變形以及鋼絲繩和天輪接觸部位的應力，可以得到如圖7 所示的計算結果。
圖7 應力分布規律
實際加載時，右同向捻的鋼絲繩一端固定，在鋼絲繩的一端進行加載。從圖7(a) 可以看出，此時，加載端的鋼絲繩產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力較大，這個應力是使鋼絲繩出現扭轉變形的主要原因。所以說，靠近繩槽底部的變形其實是比較小的。此外，整個系統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力的作用，呈現出層狀的分布規律；在鋼絲繩和天輪接觸點內側表現為壓應力，外側表現為拉應力，并且同向捻制鋼絲繩股內變形大于右交互捻；鋼絲繩的外層絲等效應力表現出等幅波動，幅度變化也呈現出一定的規律性；在鋼絲繩模型加載位置端和約束端面上，受到約束作用，導致應力突然集中，在端面位置的等效應力其實是大于股內鋼絲其他位置的等效應力。
4 結論
(1) 針對多繩摩擦式提升機在實際運行過程中容易出現的過卷故障，采用防過卷保護裝置，可有效吸收應變能，從而在過卷時對罐籠進行緩沖，對鋼絲繩進行可靠制動，防止鋼絲繩出現過卷現象。
(2) 采用防過卷保護裝置后，鋼絲繩的應力也會受到影響。仿真結果表明：鋼絲繩截面位置的應力呈現出層狀分布，內側為壓力，外側為拉力；同向捻鋼絲繩股內變形大于右交互捻鋼絲繩；應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力呈現出等幅波動。
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