矿井提升机的动载响应研究

论文摘要

矿井提升机是矿山生产的咽喉设备,它的性能好坏直接影响着矿山的安全和井下人员的生命安全。随着矿山机械的不断发展和技术的进步以及对资源需求的日益增长,矿井提升机正朝着大型、高速、重载的方向发展,对矿井提升机的性能提出了越来越高的要求。长期以来,矿井提升机虽然有了长足的发展,但在设计阶段,设计人员仍然采用传统的静态设计方法,目前尚无适宜的公式和资料用来正确计算动载系数的大小,为了考虑动载荷的影响,设计人员根据自身的经验给定一个动载系数,致使设计出来的结构过于偏安全或强度不够。本文对矿井提升机的动载响应进行了研究,为动载系数的计算提供理论依据,并将动态设计的思想引入到矿井提升机的设计过程中。论文在对矿井提升机的结构特点和工作原理研究的基础上,以广泛应用的单绳缠绕式矿井提升机为研究对象,建立了矿井提升系统的动力学模型和振动微分方程。针对矿井提升机频繁起动、制动的工作性质,对矿井提升机的各典型工况进行分析,不同的工况下,由于参与振动的参数不同,得到的系统的动载荷响应也有很大区别。为了谋求动载系数的解析解,论文对矿井提升机系统进行了合理的简化和假设,建立了三质量两自由度的半正定动力学模型。考虑振动形式之间的耦合关系,采用了模态分析的理论计算方法,求解得系统的动载荷响应特性及在过渡过程中的动载荷时间历程。结合矿井提升机的典型工况,讨论不同工况下的动载响应的变化及动载系数的大小。论文还建立了四质量三自由度的力学模型,运用Matlab/Simulink软件,进行了不同工况动载特性的仿真分析。仿真结果与理论计算结果比较表明,两者较为接近。由此可得,建立的三质量两自由度模型完全可以满足工程应用要求,理论计算的解析结果为按静强度设计的动载系数的取值提供了理论计算依据,并为按动强度设计提供了载荷时间历程,具有工程应用价值,同时也能为其它起重、提升机械的动态设计与研究提供理论指导。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 矿井提升设备的发展历史
• 1.2.2 矿井提升机动态特性研究的国内外现状
• 1.3 矿井提升机动态特性研究存在的问题
• 1.4 课题的主要研究内容及技术路线
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 本文的技术路线
• 1.5 本章小结
• 2 矿井提升机的结构特点和工作原理
• 2.1 矿井提升机的分类
• 2.2 矿井提升机的组成
• 2.3 矿井提升机的工作原理
• 2.4 本章小结
• 3 动载响应的基础理论研究
• 3.1 振动模型的建立方法
• 3.1.1 分布质量模型
• 3.1.2 集中质量模型
• 3.1.3 两种模型的比较
• 3.2 振动微分方程的建立方法
• 3.3 振动微分方程的求解方法
• 3.3.1 模态分析法
• 3.3.2 直接解法
• 3.3.3 两种方法的比较
• 3.4 计算机仿真
• 3.4.1 Matlab/Simulink 软件简介
• 3.4.2 Simulink 仿真原理
• 3.4.3 Simulink 模块库
• 3.4.4 Simulink 仿真方法
• 3.5 单绳缠绕式矿井提升机的振动模型
• 3.5.1 总体假设和模型简化
• 3.5.2 模型的建立
• 3.6 矿井提升机的工况分析
• 3.6.1 重物起升工况
• 3.6.2 起升制动工况
• 3.6.3 下降起动工况
• 3.6.4 下降制动工况
• 3.7 本章小结
• 4 计算参数的确定
• 4.1 电动机的输入激励的时间函数求解
• 4.2 转动惯量和当量转动惯量
• 4.2.1 转动惯量
• 4.2.2 当量转动惯量
• 4.3 刚度和等效刚度
• 4.3.1 轴的刚度
• 4.3.2 钢丝绳的刚度
• 4.3.3 联轴器的刚度
• 4.4 制动器的制动力矩
• 4.5 本章小结
• 5 矿井提升系统的动载响应分析
• 5.1 理论分析结果
• 5.1.1 等效模型的建立与求解
• 5.1.2 应用实例及结果分析
• 5.2 仿真结果
• 5.2.1 等效模型和振动微分方程的建立
• 5.2.2 动载响应的仿真结果
• 5.3 结果对比分析
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文