本文關(guān)鍵詞：施工立井提升系統(tǒng)動態(tài)特性研究

  更多相關(guān)文章： 施工立井 提升系統(tǒng) 動態(tài)特性 耦合振動 偏載

【摘要】：施工立井提升系統(tǒng)是立井開鑿過程中必不可少的運輸系統(tǒng),屬于一種鋼絲繩導(dǎo)向的柔性提升系統(tǒng)且隨開鑿深度不斷增加而提升高度動態(tài)增加。其中,導(dǎo)向鋼絲繩末端固定于井底的吊盤而頂端則通過鑿井絞車進行預(yù)緊,作為提升容器的吊桶主要用于提升矸石和井水、升降人員和設(shè)備。一方面,由于導(dǎo)向繩自身的慣性、彈性和較小的彎曲剛度,使得提升吊桶在升降過程中在外界激勵作用下必然產(chǎn)生橫向振動,特別是當(dāng)?shù)撞康醣P處于自由懸吊狀態(tài)時,還將產(chǎn)生吊桶與吊盤的耦合振動,嚴重威脅了吊桶內(nèi)以及吊盤上的人員安全。另一方面,導(dǎo)向繩的預(yù)緊力大小是影響提升吊桶振動的關(guān)鍵因素,隨著立井開鑿深度不斷增加其每百米預(yù)緊力逐漸降低,在施工至井底時達到最小,此時提升吊桶運行也最危險。目前,我國即將面臨超1600 m深度的礦井開鑿,對以吊盤、導(dǎo)向繩和吊桶所組成的施工立井提升系統(tǒng)的動態(tài)承載能力、高效性和安全可靠性都提出了更高的要求,而現(xiàn)有吊盤的質(zhì)量和絞車噸位已無法滿足導(dǎo)向繩1t/100m的預(yù)緊力要求。因此,開展施工立井提升系統(tǒng)動態(tài)特性研究,旨在提出一種預(yù)測提升吊桶橫向振動行為的方法,揭示預(yù)緊力與吊桶橫向振動的作用機理,對提高礦山立井施工的安全可靠和高效等具有重要意義。本文在國家自然科學(xué)基金面上項目(編號:51475456)、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃基金項目(編號:NCET-13-1017)和國家973計劃項目(編號:2014CB049401)的共同資助下,針對施工立井提升系統(tǒng)提升吊桶橫向振動和臨時改絞后罐籠在偏載下的橫扭振動的問題,采用理論建模、數(shù)值模擬、Adams動力學(xué)仿真和實驗驗證相結(jié)合的方法,深入開展施工立井提升系統(tǒng)動態(tài)特性的研究,為超1600 m深度礦井開鑿的可行性提供理論支撐,同時給出能夠降低吊桶橫向振動的預(yù)緊力確定方法。首先,為了掌握吊盤橫向約束下提升吊桶橫向振動特性,建立基于假設(shè)模態(tài)法的施工立井提升系統(tǒng)橫向振動模型;為分析其各階模態(tài)振動和探討系統(tǒng)能量特性與穩(wěn)定性,通過直接求解邊界超越方程得到系統(tǒng)固有頻率,建立了基于固有振型的提升吊桶橫向振動模型;隨后提出一種高效的鋼絲繩Adams建模和仿真驅(qū)動策略并建立了施工立井提升系統(tǒng)Adams仿真模型,驗證了理論模型的有效性。數(shù)值仿真表明,導(dǎo)向繩的第一階頻率先減小再增加,與其自身橫向剛度變化趨勢一致;穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)施工立井提升系統(tǒng)下行穩(wěn)定,上行不穩(wěn)定。其次,為了掌握吊盤懸吊導(dǎo)向下吊桶耦合振動特性,建立了施工立井提升系統(tǒng)吊桶與吊盤的橫向耦合振動模型,對比分析了不同工況下吊盤約束狀態(tài)對吊桶橫向振動的影響;隨后,基于第一類拉格朗日方程建立了提升吊桶在兩根導(dǎo)向繩存在張力差下的橫向—扭轉(zhuǎn)耦合振動模型并通過Adams仿真驗證了理論模型的正確性,能夠直接得到吊桶與導(dǎo)向繩的相互作用力以及導(dǎo)向繩的整體振動形態(tài)。頻率分析表明,導(dǎo)向繩橫向頻率從第二階開始隨著吊桶下行逐漸增大,而吊桶質(zhì)量增加、導(dǎo)向繩線密度增大和總預(yù)緊力減小都會降低導(dǎo)向繩橫向頻率從而使得更多高階模態(tài)參與振動;參數(shù)研究揭示了一種提升容器減振設(shè)計方法:即當(dāng)兩根導(dǎo)向繩存在合適的張力差時,能夠有效降低提升容器振幅。以磁西一號井工況為例,給出了一種能夠有效減振的導(dǎo)向繩張力差方案并計算了不同預(yù)緊力下容器的橫向振幅,為超千米深井導(dǎo)向繩張力確定提供了計算方法。然后,針對臨時改絞后提升罐籠易產(chǎn)生偏載振動問題,建立了偏載下罐籠振動連續(xù)體模型,分析了不同工況下罐籠的縱向—橫向—扭轉(zhuǎn)振動特性,并指出其在描述導(dǎo)向繩振動時受到局限的兩個主要原因;為能夠準確反映罐籠處導(dǎo)向繩的彎折振動狀態(tài),提出了變長度與定長度單元相結(jié)合的方法,建立了單元總數(shù)恒定的有限元模型,解決了模態(tài)數(shù)較少時無法擬合導(dǎo)向繩彎折形態(tài),模態(tài)數(shù)較高時因試函數(shù)幾乎相等而產(chǎn)生矩陣奇異導(dǎo)致計算發(fā)散的問題。最后,搭建了施工立井提升系統(tǒng)模擬實驗臺,分別通過測定提升容器橫向加速度和轉(zhuǎn)動角度,驗證了吊桶橫向振動模型和罐籠偏載振動模型。設(shè)計了施工現(xiàn)場吊桶振動測試系統(tǒng)并在磁西和唐口兩座超千米立井開展了實驗,通過高精度激光傳感器測得提升吊桶的橫向位移進一步驗證了理論模型的有效性。
【關(guān)鍵詞】：施工立井 提升系統(tǒng) 動態(tài)特性 耦合振動 偏載
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD53
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-23
• 1 緒論23-34
• 1.1 課題來源23
• 1.2 選題背景及意義23-25
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀25-32
• 1.4 研究現(xiàn)狀分析32
• 1.5 研究內(nèi)容與目標(biāo)32-34
• 2 吊盤固定約束下提升吊桶橫向振動研究34-66
• 2.1 引言34-35
• 2.2 基于假設(shè)模態(tài)法的橫向振動模型35-43
• 2.3 基于固有振型的橫向振動模型43-47
• 2.4 Adams動力學(xué)建模與仿真策略47-52
• 2.5 算例分析52-65
• 2.6 本章小結(jié)65-66
• 3 吊盤懸吊導(dǎo)向下提升吊桶耦合振動研究66-97
• 3.1 引言66-67
• 3.2 吊盤水平自由工況下提升吊桶與吊盤橫向耦合振動67-71
• 3.3 導(dǎo)向繩存在張力差下提升吊桶橫向-扭轉(zhuǎn)耦合振動71-80
• 3.4 算例分析80-96
• 3.5 本章小結(jié)96-97
• 4 施工立井提升罐籠偏載振動研究97-116
• 4.1 引言97-98
• 4.2 罐籠偏載縱向-橫向-扭轉(zhuǎn)耦合振動連續(xù)體模型98-106
• 4.3 罐籠偏載縱向-橫向-扭轉(zhuǎn)耦合振動有限元模型106-114
• 4.4 本章小結(jié)114-116
• 5 施工立井提升系統(tǒng)動態(tài)特性實驗研究116-134
• 5.1 引言116
• 5.2 實驗平臺的搭建與測試116-126
• 5.3 施工立井現(xiàn)場實驗126-133
• 5.4 本章小結(jié)133-134
• 6 總結(jié)與展望134-136
• 6.1 主要結(jié)論134-135
• 6.2 主要創(chuàng)新點135
• 6.3 研究展望135-136
• 參考文獻136-147
• 附錄147-151
• 作者簡歷151-155
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集155

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