超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測裝置及方法，該監測裝置包括支撐系統、纏繞系統和動態加載監測系統、應力監測系統；纏繞系統包括電動機，電動機通過減速器與主軸連接，主軸上設有法蘭盤，將套在主軸上的雙折線卷筒與法蘭盤固定，摩擦盤固定在雙折線卷筒兩側，盤式制動器固定在摩擦盤一側，在雙折線卷筒的繩槽上纏繞至少兩層鋼絲繩；動態加載監測系統包括伺服電動缸，伺服電動缸的螺紋桿通過S型拉力傳感器與鋼絲繩夾具連接，鋼絲繩一端穿過鋼絲繩夾具并鎖緊；在雙折線卷筒的繩槽以及擋板設有U型通槽，U型通槽內壁粘貼應變片。本發明能夠實時監測鋼絲繩對雙折線卷筒表面和卷筒擋板的動態接觸應力。
【專利說明】
超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測裝置及方法，用于研究超深井纏繞式提升機雙折線多層纏繞鋼絲繩與卷筒在鋼絲繩承受動態載荷提升過程中鋼絲繩對雙折線卷筒表面和雙折線卷筒擋板的動態接觸應力。
【背景技術】
[0002]礦井提升機作為礦井必須的運輸裝備，它在生產過程中擔負著提升礦物和升降人員、設備及材料等重任，是聯系地面與井下的重要樞紐。在我國千米地層下的煤炭資源量占已探明煤炭儲量的53%，因此，超深礦井的開采和運輸受到廣泛關注。超深礦井提升普遍采用立井多繩摩擦式提升系統和纏繞式提升系統兩類，然而國內現有的多繩摩擦式提升機標準一般不推薦在深度超過1200米的情況下使用，對于纏繞式提升系統，采用單層纏繞方式，通過增加卷筒直徑以及增加卷筒長度的方法來提高卷筒的鋼絲繩容繩量，其作用有限，要大幅度地提高卷筒的鋼絲繩容繩量，鋼絲繩必須采用多層纏繞的方式。在多繩纏繞式提升系統中，我國《煤礦安全規程》規定卷筒上纏繞的鋼絲繩層數在立井升降物料時為2層，而加拿大《Ontar1 Occupat1nal Health and Safety Act》規定提升機卷筒上有螺旋繩槽時不得超過3層纏繞。纏繞式提升機的主要部件有主軸、卷筒(光面鋼絲繩卷筒、螺旋線鋼絲繩卷筒和雙折線鋼絲繩卷筒)、鋼絲繩、提升容器、天輪和制動器等，鋼絲繩一端固定并纏繞在提升卷筒上，另一端繞過天輪懸掛提升容器，利用卷筒正、反方向轉動纏繞或放出鋼絲繩，實現提升容器的升、降運動;多層纏繞中雙折線鋼絲繩卷筒(雙折線卷筒繩槽由垂直于卷筒軸線的兩直線段和與卷筒軸線成一定角度的兩折線段交替相互連接組成)與其它卷筒相比，不但能縮小卷揚機構空間尺寸，而且能大幅延長鋼絲繩壽命。因此，纏繞式提升機雙折線卷筒作為提升機承受載荷和傳遞動力的關鍵部件，一旦發生失效斷裂，將造成嚴重的經濟損失和重大的人員傷亡。
[0003]礦井纏繞式提升機提升過程中，纏繞在卷筒上的提升鋼絲繩循環地提升和下放提升容器，提升機的加速、勻速和減速特性和時變的懸垂鋼絲繩長度導致立井提升系統的橫向與縱向耦合振動特性，引起提升鋼絲繩的動態載荷，進而導致纏繞于雙折線卷筒上第一層纏繞鋼絲繩與雙折線卷筒表面以及不同纏繞層爬升段鋼絲繩與雙折線卷筒擋板之間的動態接觸應力。鋼絲繩在雙折線卷筒上進行多層纏繞時，第一層纏繞鋼絲繩在纏繞過程中對雙折線卷筒表面產生的徑向壓力和不同纏繞層爬升段鋼絲繩對雙折線卷筒擋板產生的軸向推力將引起雙折線卷筒及其卷筒擋板的變形、開裂甚至斷裂等疲勞破壞，進一步影響提升機的使用壽命，甚至引發安全事故。因此，提出超深井纏繞式提升機雙折線多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測裝置及方法，用于探究超深井纏繞式提升過程中第一層纏繞鋼絲繩對雙折線卷筒表面及不同纏繞層爬升段鋼絲繩對雙折線卷筒擋板的動態接觸應力，進一步對雙折線卷筒疲勞損傷的失效機理和壽命預測具有重要的理論指導意義。
[0004]提升機卷筒相關的實驗裝置有:專利號CN201310398365.X公開了礦井提升機負載模擬液壓加載試驗裝置，其所述裝置是提升機主升機構的被試提升機卷筒通過其纏繞的鋼絲繩與提升機負載模擬液壓加載試驗機構的陪試卷筒纏繞的鋼絲繩連為一體，為被試提升機提供符合實際工況的連續負載和驅動力矩;專利號CN201410528414.1公開了一種超深礦井提升系統試驗臺及方法，具體涉及提升系統鋼絲繩拉力、卷筒所受壓力、提升容器所處位置的坐標等重要參數的檢測；專利號為CN201520661617.8公開了一種卷筒應力測試裝置，通過一套驅動裝置，可以將驅動組件和加載組件作為通用件，適用于不同的卷筒應力測試。然而，上述專利都不能考慮鋼絲繩動態加載下多層纏繞鋼絲繩與卷筒和卷筒擋板的動態接觸應力，
【發明內容】
[0005]發明目的:為了克服現有設備和技術的不足，本發明提供一種超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測裝置及方法，可以研究超深井纏繞式提升機雙折線多層纏繞鋼絲繩與卷筒在鋼絲繩承受動態載荷提升過程中鋼絲繩對雙折線卷筒表面和雙折線卷筒擋板的動態接觸應力。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案:一種超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測裝置，包括支撐系統、纏繞系統和動態加載監測系統、應力監測系統；
[0007]所述支撐系統包括底板、伺服電動缸支座，伺服電動缸支座固定在底板上；
[0008]所述纏繞系統包括電動機、高速級聯軸器、減速器、低速級聯軸器、軸承座A、摩擦盤A、盤式制動器A、盤式制動器B、主軸、雙折線卷筒、摩擦盤B、盤式制動器C、盤式制動器D、軸承座B、鋼絲繩，電動機固定在底板上，電動機輸出軸通過高速級聯軸器與減速器輸入端連接，減速器輸出端通過低速級聯軸器與主軸的一端連接，主軸兩端通過軸承安裝在軸承座A、軸承座B內，軸承座A、軸承座B通過軸承座支撐固定在底板上，主軸上設有兩個法蘭盤，將套在主軸上的雙折線卷筒與兩個法蘭盤固定，摩擦盤A、摩擦盤B固定在雙折線卷筒兩側，盤式制動器A、盤式制動器B固定在摩擦盤A—側的底板上，盤式制動器C、盤式制動器D固定在摩擦盤B—側的底板上，在雙折線卷筒的繩槽上纏繞鋼絲繩，鋼絲繩至少纏繞兩層；
[0009]所述動態加載監測系統包括伺服電動缸、S型拉力傳感器、鋼絲繩夾具、鋼絲繩U型鎖具，伺服電動缸固定在伺服電動缸支座上，伺服電動缸的螺紋桿與S型拉力傳感器一端連接，S型拉力傳感器另一端與鋼絲繩夾具連接，鋼絲繩一端穿過鋼絲繩夾具并通過鋼絲繩U型鎖具鎖緊；
[0010]所述應力監測系統包括應變片組A、應變片組B、應變片組C、應變片組D、擋板側應變片，在雙折線卷筒的繩槽的兩直線段部分開設有U型通槽B、U型通槽D，在雙折線卷筒的繩槽的兩折線段部分開設有U型通槽A、U型通槽C，在雙折線卷筒的擋板開設有擋板側U型通槽，應變片組A粘貼于U型通槽A內壁，應變片組B粘貼于U型通槽B內壁，應變片組C粘貼于U型通槽C內壁，應變片組D粘貼于U型通槽D內壁，擋板側應變片粘貼于擋板側U型通槽內壁，擋板側應變片數量與鋼絲繩纏繞層數相同，每個擋板側應變片對應一層鋼絲繩。
[0011]進一步的，所述U型通槽A、U型通槽B、U型通槽C、U型通槽D均平行于雙折線卷筒軸線設置。
[0012]根據上述監測裝置的超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測方法，包括以下步驟:
[0013]a)、將所有應變片組粘貼到各自對應的U型通槽內壁上，擋板側應變片粘貼于擋板偵扣型通槽內壁上；
[0014]b)、選取合適長度的鋼絲繩，將鋼絲繩一端穿過鋼絲繩夾具并用鋼絲繩U型鎖具鎖緊；
[0015]c)、通過控制器啟動電動機，將鋼絲繩纏繞在雙折線卷筒上，當獲得所需的纏繞層數時，停止電動機轉動，用盤式制動器作用于摩擦盤使雙折線卷筒制動，通過計算機控制伺服電動缸水平移動使得鋼絲繩受力達到設定疲勞載荷或變形值；
[0016]d)、通過計算機控制程序設定伺服電動缸9的交變位移幅值，獲得鋼絲繩的動態交變載荷，模擬鋼絲繩動態承載提升過程中鋼絲繩對雙折線卷筒表面和擋板的動態應力，在模擬鋼絲繩動態承載提升過程中鋼絲繩對雙折線卷筒表面和擋板的動態應力時，打開電源給電動機、伺服電動缸、S型拉力傳感器、應變片組A、應變片組B、應變片組C、應變片組D、擋板側應變片通電，用S型拉力傳感器記錄鋼絲繩動態載荷的變化，用應變片組記錄鋼絲繩對雙折線卷筒表面的動態應力，擋板側應變片記錄不同層鋼絲繩對雙折線卷筒擋板的動態應力；
[0017]e)、通過改變鋼絲繩的纏繞層數及伺服電動缸的交變位移幅值，模擬不同纏繞層及不同動態載荷下鋼絲繩對雙折線卷筒表面及擋板的動態接觸應力。
[0018]有益效果:本發明針對超深井纏繞式提升機在鋼絲繩承受動態載荷、雙折線卷筒纏繞層變化等工況，能夠動態監測第一層纏繞鋼絲繩對雙折線卷筒表面及不同纏繞層鋼絲繩對雙折線卷筒擋板的動態接觸應力參數演化規律，為不同提升工況下超深井纏繞式提升機雙折線多層纏繞鋼絲繩卷筒的疲勞損傷行為研究提供有效的實驗設備和依據，對預測超深井纏繞式提升機雙折線多層纏繞鋼絲繩卷筒的服役壽命具有廣泛的應用性，對超深井纏繞式提升機礦井提升運行安全具有重要指導意義。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明專利結構的主視圖；
[0020]圖2為圖1中A-A向視圖；
[0021]圖3為圖1中B-B向視圖；
[0022]圖4為雙折線卷筒主視圖；
[0023]圖5為圖中4中IV處局部放大圖；
[0024]圖6為雙折線卷筒展開圖；
[0025]圖7為圖4中C向視圖；
[0026]圖8為圖中7中I處局部放大圖；
[0027]圖9為圖中7中ΙΠ處局部放大圖；
[0028]圖10圖4中D向視圖；
[0029]圖11為圖中10中Π處局部放大圖；
[0030]圖中:1、底板;2、盤式制動器D;3、盤式制動器C;4、鋼絲繩;5、鋼絲繩U型鎖具;6、鋼絲繩夾具;7、S型拉力傳感器;8、伺服電動缸;9、伺服電動缸支座；10、電動機；11、高速級聯軸器；12、減速器；13、低速級聯軸器；14、軸承座A; 15、摩擦盤A; 16、雙折線卷筒；17、摩擦盤B; 18、主軸；19、軸承座B; 20、盤式制動器A; 21、盤式制動器B; 22、U型通槽A;23、應變片組A;24、U型通槽B ； 25、應變片組B ； 26、U型通槽C ； 27、應變片組C ； 28、U型通槽D ； 29、應變片組D ；30、U型通槽E;31、應變片E;32、U型通槽F;33、應變片F;34、U型通槽G;35、應變片G。
【具體實施方式】
:
[0031]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0032]如圖1至11所示，一種超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測裝置，包括支撐系統、纏繞系統和動態加載監測系統、應力監測系統。
[0033]所述支撐系統包括底板1、伺服電動缸支座9，伺服電動缸支座9固定在底板I上。
[0034]所述纏繞系統包括電動機10、高速級聯軸器11、減速器12、低速級聯軸器13、軸承座A14、摩擦盤A15、盤式制動器A20、盤式制動器B21、主軸18、雙折線卷筒16、摩擦盤B17、盤式制動器C3、盤式制動器D2、軸承座B19、鋼絲繩4。電動機10固定在底板I上，電動機10輸出軸通過高速級聯軸器11與減速器12輸入端連接，減速器12輸出端通過低速級聯軸器13與主軸18的一端連接，主軸18兩端通過軸承安裝在軸承座A14、軸承座B19內，軸承座A14、軸承座B19通過軸承座支撐固定在底板I上，主軸18上設有兩個法蘭盤，通過高強度螺栓將套在主軸18上的雙折線卷筒16與兩個法蘭盤固定，摩擦盤A15、摩擦盤B17分別通過高強度螺栓固定在雙折線卷筒16兩側，盤式制動器A20、盤式制動器B21固定在摩擦盤A15—側的底板I上，盤式制動器C3、盤式制動器D2固定在摩擦盤B17—側的底板I上。在雙折線卷筒16的繩槽上纏繞鋼絲繩4，鋼絲繩4至少纏繞兩層。
[0035]所述動態加載監測系統包括伺服電動缸8、S型拉力傳感器7、鋼絲繩夾具6、鋼絲繩U型鎖具5，伺服電動缸8固定在伺服電動缸支座9上，伺服電動缸8的螺紋桿與S型拉力傳感器7—端連接，S型拉力傳感器7另一端與鋼絲繩夾具6連接，鋼絲繩4 一端穿過鋼絲繩夾具6并通過鋼絲繩U型鎖具5鎖緊。
[0036]所述應力監測系統包括應變片組A23、應變片組B25、應變片組C27、應變片組D29、擋板側應變片，在雙折線卷筒16的繩槽的兩直線段部分開設有U型通槽B24、U型通槽D28，在雙折線卷筒16的繩槽的兩折線段部分開設有U型通槽A22、U型通槽C26，所述U型通槽A22、U型通槽B24、U型通槽C26、U型通槽D28均平行于雙折線卷筒16軸線設置，在雙折線卷筒16的擋板開設有擋板側U型通槽。應變片組A23粘貼于U型通槽A22內壁，應變片組B25粘貼于U型通槽B24內壁，應變片組C27粘貼于U型通槽C26內壁，應變片組D29粘貼于U型通槽D28內壁，擋板側應變片粘貼于擋板側U型通槽內壁，擋板側應變片數量與鋼絲繩4纏繞層數相同，每個擋板側應變片對應一層鋼絲繩。
[0037]本實施例中，鋼絲繩4纏繞三層，擋板側U型通槽數量為三個，分別U型通槽E30、U型通槽F32、U型通槽G34，擋板側應變片為三個，分別為粘貼于U型通槽E30內壁的應變片E31、粘貼于U型通槽F32內壁的應變片F33、粘貼于U型通槽G34內壁的應變片G35，應變片E31對應第一層鋼絲繩，應變片F33對應第二層鋼絲繩，應變片G35對應第三層鋼絲繩。
[0038]根據上述監測裝置的超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測方法，包括以下步驟:
[0039]a)、將所有應變片組粘貼到各自對應的U型通槽內壁上，擋板側應變片粘貼于擋板偵扣型通槽內壁上；
[0040]b)、選取合適長度的鋼絲繩4，將鋼絲繩4 一端穿過鋼絲繩夾具6并用鋼絲繩U型鎖具5鎖緊；
[0041]c)、通過控制器啟動電動機10，將鋼絲繩4纏繞在雙折線卷筒16上，當獲得所需的纏繞層數時，停止電動機10轉動，用盤式制動器作用于摩擦盤使雙折線卷筒16制動，通過計算機控制伺服電動缸9水平移動使得鋼絲繩4受力達到設定疲勞載荷或變形值；
[0042]d)、通過計算機控制程序設定伺服電動缸9的交變位移幅值(即伸縮位移和頻率)，獲得鋼絲繩4的動態交變載荷，模擬鋼絲繩動態承載提升過程中鋼絲繩4對雙折線卷筒16表面和擋板的動態應力，在模擬鋼絲繩動態承載提升過程中鋼絲繩4對雙折線卷筒16表面和擋板的動態應力時，打開電源給電動機10、伺服電動缸9、S型拉力傳感器8、應變片組A23、應變片組B25、應變片組C27、應變片組D29、應變片E31、應變片F33、應變片G35通電，用S型拉力傳感器8記錄鋼絲繩4動態載荷的變化，用應變片組記錄鋼絲繩4對雙折線卷筒16表面的動態應力，擋板側應變片記錄不同層鋼絲繩4對雙折線卷筒16擋板的動態應力；
[0043]e)、通過改變鋼絲繩4的纏繞層數及伺服電動缸9的交變位移幅值，模擬不同纏繞層及不同動態載荷下鋼絲繩4對雙折線卷筒16表面及擋板的動態接觸應力。
[0044]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測裝置，其特征在于:包括支撐系統、纏繞系統、動態加載監測系統、應力監測系統； 所述支撐系統包括底板(I)、伺服電動缸支座(9)，伺服電動缸支座(9)固定在底板(I)上； 所述纏繞系統包括電動機(10)、高速級聯軸器(U)、減速器(12)、低速級聯軸器(13)、軸承座A(14)、摩擦盤A(15)、盤式制動器A(20)、盤式制動器B(21)、主軸(18)、雙折線卷筒(16)、摩擦盤B(17)、盤式制動器C(3)、盤式制動器D(2)、軸承座B(19)、鋼絲繩(4)，電動機(10)固定在底板(I)上，電動機(10)輸出軸通過高速級聯軸器(11)與減速器(12)輸入端連接，減速器(12)輸出端通過低速級聯軸器(13)與主軸(18)的一端連接，主軸(18)兩端通過軸承安裝在軸承座A(14)、軸承座B(19)內，軸承座A(14)、軸承座B(19)通過軸承座支撐固定在底板(I)上，主軸(18)上設有兩個法蘭盤，將套在主軸(18)上的雙折線卷筒(16)與兩個法蘭盤固定，摩擦盤A(15)、摩擦盤B(17)固定在雙折線卷筒(16)兩側，盤式制動器A(20)、盤式制動器B(21)固定在摩擦盤A(15)—側的底板(I)上，盤式制動器C(3)、盤式制動器D(2)固定在摩擦盤B(17)—側的底板(I)上，在雙折線卷筒(16)的繩槽上纏繞鋼絲繩(4)，鋼絲繩(4)至少纏繞兩層； 所述動態加載監測系統包括伺服電動缸(8)、S型拉力傳感器(7)、鋼絲繩夾具(6)、鋼絲繩U型鎖具(5)，伺服電動缸(8)固定在伺服電動缸支座(9)上，伺服電動缸(8)的螺紋桿與S型拉力傳感器(7)—端連接，S型拉力傳感器(7)另一端與鋼絲繩夾具(6)連接，鋼絲繩(4) 一端穿過鋼絲繩夾具(6)并通過鋼絲繩U型鎖具(5)鎖緊； 所述應力監測系統包括應變片組A(23)、應變片組B(25)、應變片組C(27)、應變片組D(29)、擋板側應變片，在雙折線卷筒(16)的繩槽的兩直線段部分開設有U型通槽B(24)、U型通槽D(28)，在雙折線卷筒(16)的繩槽的兩折線段部分開設有U型通槽A(22)、U型通槽C(26)，在雙折線卷筒(16)的擋板開設有擋板側U型通槽，應變片組A(23)粘貼于U型通槽A(22)內壁，應變片組B(25)粘貼于U型通槽B(24)內壁，應變片組C(27)粘貼于U型通槽C(26)內壁，應變片組D(29)粘貼于U型通槽D(28)內壁，擋板側應變片粘貼于擋板側U型通槽內壁，擋板側應變片數量與鋼絲繩(4)纏繞層數相同，每個擋板側應變片對應一層鋼絲繩。2.根據權利要求1所述的一種超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測裝置，其特征在于:所述U型通槽A(22)、U型通槽B(24)、U型通槽C(26)、U型通槽D(28)均平行于雙折線卷筒(16)軸線設置。3.根據權利要求1所述監測裝置的超深井多層纏繞鋼絲繩與卷筒動態接觸狀態監測方法，其特征在于，包括以下步驟: a)、將所有應變片組粘貼到各自對應的U型通槽內壁上，擋板側應變片粘貼于擋板側U型通槽內壁上； b)、選取合適長度的鋼絲繩(4)，將鋼絲繩(4)一端穿過鋼絲繩夾具(6)并用鋼絲繩U型鎖具(5)鎖緊； c)、通過控制器啟動電動機(10)，將鋼絲繩(4)纏繞在雙折線卷筒(16)上，當獲得所需的纏繞層數時，停止電動機(10)轉動，用盤式制動器作用于摩擦盤使雙折線卷筒(16)制動，通過計算機控制伺服電動缸(9)水平移動使得鋼絲繩(4)受力達到設定疲勞載荷或變形值； d)、通過計算機控制程序設定伺服電動缸(9)的交變位移幅值，獲得鋼絲繩(4)的動態交變載荷，模擬鋼絲繩動態承載提升過程中鋼絲繩(4)對雙折線卷筒(16)表面和擋板的動態應力，在模擬鋼絲繩動態承載提升過程中鋼絲繩(4)對雙折線卷筒(16)表面和擋板的動態應力時，打開電源給電動機(1 )、伺服電動缸(9)、S型拉力傳感器(8)、應變片組A (23)、應變片組B( 25)、應變片組C( 27)、應變片組D( 29)、擋板側應變片通電，用S型拉力傳感器(8)記錄鋼絲繩(4)動態載荷的變化，用應變片組記錄鋼絲繩(4)對雙折線卷筒(16)表面的動態應力，擋板側應變片記錄不同層鋼絲繩(4)對雙折線卷筒(16)擋板的動態應力； e)、通過改變鋼絲繩(4)的纏繞層數及伺服電動缸(9)的交變位移幅值，模擬不同纏繞層及不同動態載荷下鋼絲繩(4)對雙折線卷筒(16)表面及擋板的動態接觸應力。
【文檔編號】B66D1/54GK105858517SQ201610435601
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】王大剛, 王祥如, 侯夢凡, 晁儲貝
【申請人】中國礦業大學