深井提升系统非线性振动规律及冲击限制研究

It occurs frequently that lifting wire rope is broken, which causes large losses of life and property. In nearly two years, the number of accidents that rope is broken in coal mine is as many as 1065 and the number of deaths is 1142. By Hamilton, Galerkin and experimental modal method, applicant establishes noninterference and interference flexible coupling vibration model of distribution, the time varying and changing length parameter on basis of the analysis of the wire rope lifting system vibration and impact conditions. The intrinsic rule and dynamic characteristics between the period of basic wave vibration and dangerous vibration of the wire rope lifting system is studied through the boundary conditions which describe lifting system working in extreme operating conditions. The method of minimizing or eliminating vibration in wire rope lifting system is put forward from avoiding impact vibration, which is useful to the correct design and maintenance of lifting system. The theory and methods reducing or eliminating the wire rope lifting system vibration and impact especially extreme operating condition is useful for solving bottleneck technology of deep mining in the 12th Five-Year Plan and significant to realize safe and efficient production of lifting system.

由于振动和冲击导致的提升钢丝绳断绳事故频繁发生，造成生命和财产的惨重损失。我国近两年矿井断绳事故就多达 1065 起，死亡人数达到1142 人。申请者在研究和分析深井提升系统振动、冲击工况的基础上，应用hamilton原理、Galerkin和实验模态等方法，建立基于分布参数、时变参数变长度弦线的柔性提升系统的无干扰和有干扰横向-纵向耦合振动模型；通过边界条件来描述钢丝绳提升系统极端运行工况的特定条件，研究钢丝绳提升系统发生危险振动与其基波振动周期的内在关联规律及其动态特性；从避免冲击振动的角度来确定解除或减小钢丝绳提升系统振动的途径和方法，为正确设计、使用维护提供理论体系和实施方法和途径。提出减少或消除钢丝绳提升系统的振动（特别是极端运行工况下的冲击）发生的理论和方法，对解决十二五规划中的千米深井开采瓶颈技术，实现矿井钢丝绳提升系统的安全高效生产具有十分重要的意义。

国内摩擦提升系统设计时大多数是把提升钢丝绳看作刚体，采用静态设计方法。而摩擦提升钢丝绳是一种典型弹性振动体。在外力和激励作用下，易产生纵向振动和横向振动。非线性振动容易激发大变形，丧失稳定性，产生激振运动。激振运动不仅会降低结构的使用寿命，而且还可能造成灾难性后果。且提升系统加、 减速或紧急制动时， 钢丝绳会储存或释放能量产生很大动张力。如果设计不合理就会造成提升容器剧烈震荡，导致摩擦传动失效。因此提出了深井提升系统非线性振动规律及冲击限制研究。. 主要研究内容：（1）建立了平直和弯曲一次和二次捻制钢丝螺旋线空间矢量表达式，建立不同类型（点接触和线接触）、不同结构（单捻绳和多股绳）、不同捻向（同向捻和交互捻）钢丝绳空间三维模型和有限元模型，分析了平直和弯曲钢丝绳内在特性和钢丝绳性能的关系，以及股内钢丝应力分布规律。（2）研究了井筒深度对钢丝绳振动特性及其他安全系数的影响。井筒深度越深，扭转越大；同一井深下，空载时扭转角比重载时扭转角大；井筒深度越深，钢丝绳绳芯的抗扭转能力比纤维绳芯抗扭转能力强，应尽量采用交互捻钢丝绳。（3）为了研究摩擦提升系统在运行过程中变长度提升钢丝绳振动规律，利用Hamliton方程建立钢丝绳纵向-横向耦合偏微分振动方程。应用修正Galerkin方法，将激励作用下的提升钢丝绳偏微分振动控制方程离散化为有限维的常微分方程进行了求解，提出纵向-横向耦合偏微分振动方程和求解方法。（4）提出了矿井提升系统的冲击限制机理。同等条件下，梯形加减速运行时冲击振动限制最好。任何变工况过渡过程中，加减速的上升时间等于提升系统基波振动周期时，冲击振动得到很好限制；变工况过渡过程的调节时间是该系统基波振动周期 15 倍以上时冲击振动能限制在 4%以内。深井提升设备非线性振动规律及冲击限制采取主动防止振动冲击，对提升机钢丝绳的全生命周期实施科学合理的处理处置，不仅能够延长钢丝绳的工作寿命和可靠性，从而增加经济效益；更重要的是减少了检修和维护、更换和调节时间，从而增加有效运行时间来增加经济效益。