双绳缠绕式提升系统振动与控制研究

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随着浅部煤炭资源逐渐消耗殆尽,煤炭矿井朝着更深方向发展。双绳缠绕式提升机是深部矿井的关键提升装备,其安全、可靠运行对深部煤炭的开发极其重要。然而,矿井深度的增加会导致提升系统对外部扰动更敏感,易使钢丝绳产生剧烈振动,导致钢丝绳张力异常波动,严重威胁煤矿安全生产。因此,解决外部扰动对矿井提升系统的振动与张力波动的影响成为亟待解决的关键问题。本文以深部矿井所使用的双绳缠绕式提升机为研究对象,针对天轮摆动和刚性罐道扰动的提升系统的振动与控制进行了以下研究:(1)构建了双绳缠绕式提升系统的动力学模型。基于连续介质的有限形变与分布参数理论,得到双绳缠绕式提升系统的动能、势能、虚功及钢丝绳张力描述。利用广义Hamilton原理建立了双绳缠绕式提升系统动力学分布参数模型。在双绳缠绕式提升系统模型中,考虑了提升绳的横-纵向耦合振动,卷筒与提升绳缠绕,悬绳与垂绳在天轮处耦合,两根钢丝绳与提升容器间耦合,刚性罐道与容器的相互作用。结合变积分范围的Leibnitz定律与分部积分法,同时应用时间和边界条件得到双绳缠绕式提升系统横-纵耦合无限维偏微分运动方程。基于Galerkin方法将双绳缠绕式提升系统难以求解的无限维偏微分运动方程离散为易于求解的有限维常微分方程。利用缠绕式提升系统实验平台验证了双绳缠绕式提升系统动力学模型的有效性。(2)针对天轮摆动导致提升系统钢丝绳的振动,构建了天轮摆动下的双绳缠绕式提升系统振动方程。将天轮摆动看作双绳缠绕式提升系统悬绳末端和垂绳初端的边界激励。利用Hamilton原理和多项式插值法得到天轮摆动下的双绳缠绕式提升系统偏微分运动方程。基于时间域归一法和Galerkin方法,得到提升系统常微分方程。通过数值仿真与实验方式分析了天轮摆动振幅与相位对双绳缠绕式提升系统钢丝绳振动和张力的影响。(3)针对刚性罐道弯曲和倾斜导致提升系统钢丝绳的振动,建立了刚性罐道扰动下的双绳缠绕式提升系统振动方程。将刚性罐道弯曲和倾斜激励转化为双绳缠绕式提升系统垂绳末端的横向和纵向激励。基于Hamilton原理和Galerkin方法,得到了刚性罐道扰动下的双绳缠绕式提升系统振动方程。通过仿真与实验分析了刚性罐道弯曲与倾斜对双绳缠绕式提升系统垂绳振动和张力的影响。(4)针对天轮摆动、刚性罐道弯曲和倾斜导致的双绳缠绕式提升系统张力不平衡问题,提出了在提升绳末端安装磁流变减振器,并根据磁流变减振器的测试性能构建了双绳缠绕式提升系统磁流变减振器的动力学模型。基于Hamilton原理和Galerkin方法建立了含有磁流变减振器的天轮摆动和刚性罐道扰动的双绳缠绕式提升系统控制方程。通过仿真和实验验证了基于磁流变减振器的天轮摆动和刚性罐道弯曲及倾斜的双绳缠绕式提升系统控制方法的有效性。设计了自适应滑模控制器,得到了连续可调的磁流变阻尼力,分析了基于阻尼连续可调磁流变减振器的提升系统钢丝绳间张力不平衡的控制方法。该论文有图90幅,表9个,参考文献153篇。
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