双斜撑矿山井架正常工作及断绳事故下的动力响应研究

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双斜撑矿山井架是煤矿生产期间提升煤炭、矸石、设备和人员的重要载体,其主要承力构件为斜撑柱,斜撑柱通常采用箱型截面设计,并设置大量加劲肋,承载力富余较大,设计不经济的同时还会导致施工工艺繁琐。目前关于矿山井架的研究大多基于静力研究。实际上井架提升系统在提升、下放过程中钢丝绳张力会发生波动,即井架在正常工作状态下会受到振动激励,同时井架设计中通常采用断绳荷载作为控制荷载,发生断绳事故时井架受力会急剧上升然后卸载,是一个典型的冲击荷载。而目前双斜撑矿山井架动力响应相关的研究极少。所以对于双斜撑矿山井架结构利用斜撑柱局部屈曲后强度,研究其在正常工作状态及断绳事故下的动力响应,求得相应的动力放大系数,可使井架设计更为经济合理,同时简化施工流程、设计过程,具有实际应用价值。本文采用ABAQUS有限元软件及MATLAB编程,建立有限元分析模型,进行了如下研究工作并得出相关结论:(1)考虑双斜撑矿山井架斜撑柱初始几何缺陷组合和主斜撑柱残余应力,对甘肃某煤矿双斜撑矿山井架主斜撑柱截面进行参数优化,通过静力分析数据证实了断绳荷载下利用斜撑柱局部屈曲后强度的可行性。(2)考虑提升钢丝绳质量的变化,给出了提升、下放工况下的绳中张力微分方程。利用Matlab-Simulink对张力微分方程进行仿真,得到数值解,并分析评估了工作状态下井架结构的动力响应。结果表明:在重力与工作振动激励共同作用下井架上下天轮加载点处三个方向在提升系统启动阶段初期振动最为强烈,但很快趋于平缓。工作全过程位移最大幅值均远小于规范限制,且构件应力处于降低水平,无构件进入屈服,满足提升工艺要求与承载力要求。并给出正常工作状态下天轮加载点的水平X方向位移动力放大系数建议取值。(3)将断绳激励简化为三角形脉冲激励,对脉冲激励持时进行变参分析,研究断绳事故下井架结构的动力响应。结果表明:上、下天轮发生断绳事故时,上天轮水平X方向明显大于Y、Z方向位移,但仍小于规范限值。当上天轮发生断绳时,上、下天轮水平X方向位移幅值均出现在td/T2=1时;下天轮发生断绳时,上天轮位移幅值出现在td/T2=1.25,下天轮位移幅值出现在td/T2=0.1。井架发生断绳事故时仅主斜撑柱四个角边附近的发生塑性拉应变以及少数板件中央的塑性压应变,未出现全截面屈服产生塑性铰的情况。最后综合考虑最不利影响,给出了断绳激励下的天轮加载点水平X方向位移动力放大系数。
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