钻机钢丝绳提升系统力学模型及分析
提升系统最大静张力及最大静张力差
主井绞车性能验算主井提升系统参数Q物———次提煤载荷重量2000kgQZ物——提升容器自重1500kgp ——钢丝绳每米重量2.165kg/mL ——主井井深107mQd——钢丝绳破断拉力总和320500N1、提升绞车强度验算（1）最大静张力验算根据矿井实际提升情况计算最大静张力Fjm物Fjm物=Q物+QZ物+pL=41470.219N验算Fjm物≤[Fjm],查所用提升绞车规格表可得提升绞车设计许用最大静张力[Fjm]=42000N，验算41470.219N≤42000N即Fjm物＜[Fjm]符合要求（2）最大静张力差验算根据矿井实际提升情况计算最大静张力差Fjc物Fjc物= Q物+ pL=26770.219N查所用提升机规格表可得提升机设计许用最大静张力差[Fjc]=30000N，验算26770.219N≤30000N，即Fjc物＜[Fjc]，符合要求。
2、钢丝绳安全系数M 物= QdFjm 物 =7.728＞6.5 ，符合要求 主井提升系统：1、安全制动力矩验算：所需3倍最大静荷重力矩3 Mj =3* Fjc 物*r=64248.525NMMz=∑Fz*R=（F1+F2）*R=(33000+37000)*1.4=98000NM ＞3 Mj ，符合安全规程要求。
其中：∑Fz ——实测各组闸的制动力之和；R ——试验时，Fz 的作用半径，R=1.4mr ——滚筒半径，0.8m 。
2、主井提升系统安全制动减速验算：保险闸发生作用机械减速度（1）安全规程要求：上提重载≤5m/s 2az=Mz+Mj ∑m*R=4.81 m/s 2＜5m/s 2符合要求 （2）安全规程要求：下放重载≥1.5 m/s 2az=Mz-Mj ∑m*R=3.087 m/s 2＞1.5 m/s 2其中：Mz ——实测提升绞车保险闸作用时的制动力矩，98000NM ， Mj ——实际测量最大静荷重力矩，21426.175NM ，R ——滚筒半径0.8m∑m ——提升系统总变为质量，∑m =1g[ Q 物+ 2QZ 物+nPLp+2Gt+Gj+Gd]=31003.83kg, 其中：Gj ——提升绞车（包括减速器）的变位重量，36879N （查提升绞车的规格表）；Lp ——每根提升主绳实际全长200m ；n ——主绳根数，单绳缠绕式提升系统；Gt ——天轮的变位重量，2200N （查天轮的规格表）；Gd ——电机转子变位质量，212558.6N 。
提升钢丝绳的动力计算与分析
第 28 卷第 2007 年
2 2
期 月
煤 Coal
F = gn Q0 (sin θ- f 1 cos θ)
(6)
式中 f1 ———容器的运动阻力系数 ,取 f1 = 0. 010～
0. 015 。
Δj
———钢丝绳的静荷伸长
,Δj
=
Fl Es S
,mm 。
2 立井提升容器下降途中被卡住造成松绳 ,安全制
动后容器又自行脱落坠下时容器的允许坠落距离
Fd = gn Q0 (sin θ+ f1 cos θ) + gn ql (sin θ+
(8) 式中 l1 ———绞车滚筒到容器的距离 (以安全制动
f 2 cos θ) + a ( Q0 + ql) = F + a ( Q0 + ql) (11) (5) 斜井减速下放
时的位置计算) ,m ; f2 ———钢丝绳的运动阻力系数 ,取 f2 = 0. 15
上述容器脱落为自由落体沿井筒坠下对钢丝绳
的冲击称为自由落体冲击 。容器下落的速度由 0 →
vmax →0 的运动过程 ,钢丝绳所受的冲击称为第一次
冲击 ,所受的冲击力是最大的 。如果第一次冲击后
钢丝绳未断裂且储存了应变能 ,则钢丝绳将带着容
器一起作纵向衰减振动 ,直至能量损耗完而静止 。
113 钢丝绳所受最大冲击力计算公式推导
摘 要 : 主要介绍了一种适合煤层厚度 3. 5～8 m ,煤层倾角 8°的支撑掩护式液压支架的总体 设计方法 ,包括架型选择 、基本参数确定 、四连杆机构设计 、整体受力分析和立柱参数确定等设计步 骤。
变质量提升系统钢丝绳轴向-扭转耦合振动特性
ｍ 为 提 升 容 器 自身 的质 量 ， ； ｆ为 提 升 钢 丝 绳 的 长 图 １ 变质量提升系统
度， ｍ。 钢丝绳振动力学模型
型函数 固定的方法计算装载提升系统 的频率和响应 ， 冲击较大 的载荷 建议考虑提 升容器的波动载荷 ， 从而有助 于提高计 算效率和增强提升系统的安全可靠性 。
关 键 词 ：变 质 量 系 统 ； 丝 绳 ； 向 一 转 耦 合 ； 斗 装 载 钢 轴 扭 箕
中 图分 类 号 ：Ｔ ５ ２ Ｄ３ 文 献标 识 码 ：Ａ
摘 要 ：为了掌握变质量提升系统的振动特性 ， 考虑提升钢丝绳的扭转运动并根据变 质量 非完整系统 的 Ｈａ ｉｏ ｍｌ ｎ ｔ
原 理 建 立 了钢 丝 绳 轴 向 和扭 转耦 合 振 动 数 学 模 型 ， 推 导 了变 质 量 提 升 系 统 振 型 函 数及 确 定 轴 向与 扭 转 耦 合 振 动频 率 的 并 超 越 方 程 ， 出 了基 于 振 型 函数 随 系 统 质 量 变 化及 固定 不 变 两 种 情 况 下 变 质 量 提 升 系 统 钢 丝 绳 振 动 位 移 、 力 和 扭 矩 响 给 张 应 的求 解 方 法 。以 矿 井 提 升箕 斗 装 载 为 工 况 进 行 应 用 分 析 ， 果 表 明 ： 种 求 解 方 法 得 到 的 响 应 基本 接 近 ； 升容 器 装 载 结 两 提 过 程 是 一 个 质 量 增 大 振 动 频 率 减 小 的过 程 ， 丝 绳 的 动 位移 、 力 和扭 矩 以 波 动 形 式 逐 渐 增 加 。装 载 量 较 大 时 可 采 用 振 钢 张
矿井提升钢丝绳动力学仿真与实验研究
矿井提升钢丝绳动力学仿真与实验研究王琦【摘要】在建立提升钢丝绳力学模型的基础上,引入S形速度曲线和算法,用Simulink建立仿真模型并对两种速度曲线的提升过程进行动力学仿真.仿真和实验研究结果表明:S形速度曲线大大减小了提升冲中击,改善了钢丝绳的受力状况,提高了系统的稳定性;对提升钢丝绳的选择和提升机运行控制方式的设计与改善具有一定的参考价值.【期刊名称】《煤矿机电》【年(卷),期】2013(000)006【总页数】4页(P28-31)【关键词】提升钢丝绳;动力学仿真;S形速度曲线【作者】王琦【作者单位】太原理工大学,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TD5320 引言提升机运行过程中的冲击和震荡主要发生在启动、加速、减速和停车阶段，它与整个提升机系统的加速度及加速度变化率直接相关。
分析提升容器的振动和钢丝绳的张力得出提升机系统的运行状况，对提升机运行的安全、高效和乘坐舒适是十分必要的［1］。
1 力学模型的建立矿井提升机运行可采用3阶段、5阶段、6阶段和7阶段速度曲线。
同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司主井的提升质量近120 t，惯量很大，为了使运行更加平稳，该矿的提升机运行曲线采用由启动加速段、匀速爬行段、二次加速段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减速制动段组成的7阶段速度曲线(见图 1)［2］。
图1 提升机速度曲线用瑞利法处理首绳质量，容器质量和尾绳质量［3］。
提升机工作时，各阶段的振动加速度u″i和钢丝绳张力pi的微分方程式分别为:式中:m——终端质量，kg;Li(t)——提升绳长，m;i——提升速度曲线的对应点;a1——提升加速度，m/s2;a2——提升减速度，m/s2;E——钢丝绳弹性模量，N/mm2;F——钢丝绳横截面积，mm2;ρ——钢丝绳每米质量，kg/m;vm——最大提升速度，m/s;u0——初始伸长量，m;u——绳端变形量，m;p——天轮处的纲丝绳张力，N。
煤矿提升用钢丝绳标准分析研究
164 /矿业装备MINING EQUIPMENT0 引言煤矿提升用钢丝绳作为煤矿提升系统的“咽喉”，是连接提升容器与提升机、传递动力的重要部件，其可靠性是升降人员与物料的安全保证，在煤矿安全生产中起到了至关重要的作用。
目前，煤矿提升用钢丝绳执行标准有GB/T33955—2017《矿井提升用钢丝绳》、GB/T8918—2006《重要用途钢丝绳》、MT/T716—2019《煤矿重要用途钢丝绳验收技术条件》三项。
本文从适用范围、分类、材料、技术要求、检查与试验五个方面对三项标准进行全方位分析比对，以期找出标准要求的异同点，并提出相关建议。
有利于生产、检测、使用等单位更深入理解相关标准并指导工作，提升产品安全性，从而服务煤矿安全生产。
1 标准适用范围对比1.1 GB/T8918-2006适用范围GB/T8918—2006适用范围为：矿井提升、高炉卷扬、大型浇铸、石油钻井、大型吊装、繁忙起重、索道、地面缆车、船舶和海上设施等用途的圆股及异形股钢丝绳。
1.2 GB/T33955-2017适用范围GB/T33955—2017适用范围为：煤炭、金属、非金属等矿井提升及配套用圆股、异形股、压实股钢丝绳。
1.3 MT/T716-2019适用范围MT/T716-2019适用范围为：立井提升钢丝绳、斜井提升钢丝绳、悬挂吊盘用钢丝绳、用于运送人员的倾斜钢丝绳牵引胶带输送机的钢丝绳，以及倾斜架空乘人装置用的钢丝绳；圆股钢丝绳、异型股钢丝绳、面接触钢丝绳及扁钢丝绳。
1.4 对比分析通过对比可知：第一，钢丝绳用途方面，GB/T 8918用途最广。
第二，钢丝绳种类方面，MT/T716最广；GB/T8918不包含压实股钢丝绳，GB/T33955不适用于平衡用扁钢丝绳。
第三，GB/T8918—2006的适用范围最广，GB/T33955—017居中，MT/T716—2019较窄。
2 钢丝绳分类对比GB/T33955与GB/T8918的区别在于增加了压实股钢丝绳类别，同时三角股的结构分类也有所不同，具体结构对应见表1所示[1-3]（圆股钢丝绳无差别，此处仅对三角股类别、典型结构进行说明）。
提升系统的变位质量
一提升系统变位质量的概念提升系统是一个复杂的运动系统，为了简化提升系统惯性力的计算，可以用卷筒上的集中质量来代替提升系统所有运动部分的质量，这种集中代替质量称为提升系统的变位质量。
提升设备工作时，提升容器、货载和未缠绕的钢丝绳作直线运动，其速度和加速度等于卷筒圆周上的线速度和线加速度，这部分的变位质量等于其实际质量。
因此，仅需要将旋转运动部分的质量进行变位。
二单绳缠绕式提升系统运动部分的变位质量单绳缠绕式提升系统运动部分变位到卷筒圆周上的质量为：Σm=Q+2Q r+2pL p+qL q+m iz+m ic+ m il＋2m it+m id式中，L p－一根钢丝绳全长L q－尾绳全长m iz－主轴装置的变位质量m ic－减速齿轮的变位质量m il－联轴器的变位质量m it－一个天轮的变位质量m id－电动机转子的变位质量其它符号同前。
1电动机转子的变位质量m id的计算已知电动机转子的转动惯量J d及角速度ωd，则：m id=4J d i2/D2i－减速器传动比2主轴装置的变位质量m iz的计算已知主轴装置的转动惯量J z,则：m iz＝4J z/D23减速齿轮的变位质量m ic的计算已知减速齿轮的转动惯量J c,则：m ic=4J c/D24联轴器的变位质量m il的计算已知联轴器的转动惯量J l,则：m il=4J l i2/D2,或m il=4J l/D25天轮变位质量m id的计算已知天轮的转动惯量J l,则：m it＝4J t/D t2D t－天轮的直径。
三电动机功率的计算因电动机转子的转动惯量与电动机功率和转速有关，所以，必须先求出电动机近似功率和转速，然后，据此查阅电动机产品目录预选出电动机，并查出电动机转子的转动惯量。
1电动机近似功率的计算：★对于竖井单绳提升：P‘＝KQgV mρ/1000η★对于竖井单容器平衡锤及多绳提升：P‘＝KΔF j V mρ/1000η式中，P‘－电动机近似功率K－矿井阻力系数Q－一次有效提升量；V m－最大提升速度；ΔF j－提升钢丝绳的最大静张力差；η－减速器传动效率，查产品目录表；ρ－动力系数，查有关资料。
提升钢丝绳最大动张力的研究
1 提升钢绳动张力的理论计算公式
由于上提或下放重物, 动张力的计算公式一 样, 故本文中以下放制动为例导出的公式具有普遍 的意义1其数学模型如图1所示, 在钢绳上取一微元 段 d x , 由牛顿第二定律可以得到 5T ( x , t) a ( t) T (x , t) + dx + p dx T (x , t) 5x g p 52 u ( x , t) ( 1) = dx , g 5t2 式中, T ( x , t) 为绳所受的动张力, N ; p 为钢绳每米 重, N m ; a ( t) 为制动减速度, m s2; g 为重力加速 度, 9. 81 m s2; u ( x , t) 为由动张力引起的微元段的 位移, m 1
2
1+
1 + 0. 8Α 1+ Α
2Π . Σ1
sin
Ξ1 t1 2
sin
Β1C
l Β1C l t1
t1
2 2
.
( 11)
由文献 [ 3 ] 可知
4sin Β1 1+
(1 + Α ) ( 2Β1 +
Α 2 Β1 1 + 0. 74Α = . sin2Β1 ) 1+ Α
表3列出由式 ( 17) 计算动张力周期与振幅的结 果和由式 ( 8) 用计算机解出量的对比1 由表3 可见, 采用式 ( 17 ) 计算出的结果与计算 机图解法得到的结果完全吻合, 故式 ( 17) 完全可用 于工程实际计算1 因为我们计算的是最大张力点的动张力, 故式 ( 17 ) 为计算钢绳中最大动张力的工程实用计算公 式1
0. 733 0. 81
实测
0. 73 0. 82
图解 ( 图2c)
重型钻机提升用钢丝绳的品种与结构评析_曹家麟
专题综述 重型钻机提升用钢丝绳的品种与结构评析曹家麟(咸阳石油钢管钢绳有限责任公司) 摘要 针对我国重型钻机把西鲁式6×19S+I W R C作为钻井钢丝绳主要使用结构,但这种结构钢丝绳存在早期断丝、断股使其寿命缩短等问题,分析了国内外重型钻机钢丝绳使用结构的现状。
根据近代钢丝绳发展趋势和我国钢丝绳的制造水平,提出我国重型钻机在近期应适当选用多丝结构的钢丝绳并积极试用新型压实股衬垫芯钢丝绳,逐渐用结构为6×19(a)类压实股衬垫芯钢丝绳全面替代现用的西鲁式6×19S+I W R C结构的钢丝绳。
关键词 重型钻机 钻井钢丝绳 压实股衬垫芯钢丝绳 结构引 言近几年来,随着大型钻机的不断增加,其提升用钢丝绳的需求量也大大增加。
据统计,1996年,需要直径32～38m m(114～112英寸)钻井钢丝绳2700t左右,约占石油矿场作业用钢丝绳总消耗量的16%。
到2005年已消耗9506t,约占总消耗量的47%。
针对这种情况,人们除了改进钢丝绳的制造质量和使用方法之外,更应考虑的本质问题是所选用的钢丝绳品种结构是否恰当。
钢丝绳的品种、结构、规格繁多,技术条件复杂,正确合理地选用钢丝绳对石油钻井作业的安全运行,延长钢丝绳使用寿命,以及提高经济效益有着十分重要的意义。
钻井钢丝绳在卷筒上多层缠绕,弯曲比值很小。
工作时要承受很大的挤压应力和动载荷。
且在钻机设计时,考虑石油钻机使用的特殊性,选用钢丝绳安全系数很小(一般取3),而钢丝绳在大部分时间都处在重载状况下工作,单绳运动速度高,钻井时受振动载荷较大,且在卷筒上多层缠绕。
这都要求钢丝绳具有可靠性高、承载能力强、可挠性好、抗挤压和耐磨性能好等性能,尤其是深井钻探,只有选择合适的钢丝绳结构,才能提高钻井效率,确保安全。
现用钻井钢丝绳的结构缺陷钢丝绳的耐磨性和疲劳强度除受钢丝自身材料质量的影响外,主要取决于股的结构。
总的来说,用数量较少的粗钢丝组成的多钢丝绳的耐磨性优于用数量较多的细钢丝组成的同直径钢丝绳,但耐疲劳性能恰好相反。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
EA Lt
( x2
-
x14 )
+ QJ Z
式中 , F1 为快绳拉力 ; Fi 为相应段游绳的拉力 ; F14 为死绳拉力 ; FDZ为大钩动载荷 ; QJ Z为大钩静载荷 。
图 1 钻机起升系统简化模型
1. 2. 2 系统各部分的动能
a) 滑轮及大钩的动能为
T1
=
1 2
·JR02
x
2 1
Ti =
上述 15 个方程的函数表达式为 ¨x1 = f 1 ( x1 , x1 , ¨x2 , x2 , Qt ) ; ¨x2 = f 2 ( x2 , x2 , x1 , ¨x1 , ¨x3 , x3 ) ; ¨x i = f 3 ( x i , x i - 1 , ¨x i - 1 , ¨x i + 1 , x i + 1 ) ; ¨x14 = f 4 ( x14 , ¨x13 , x13 ) ; ¨x15 = f 5 ( x2 , …, x14 , x2 , …, x14 ) ; 其中 , i = 3 , …,13 。 将这 5 个函数模块组成一个大的函数模块 ,可 以组成函数模型 ,如图 2 。
1 钢丝绳提升过程动力学方程的建立
1. 1 基本假设 a) 忽略整个系统的阻尼 。
b) 不考虑钢丝绳因为弹性伸长与滑轮的相对 滑动 。
c) 除钢丝绳的弹性之外 ,其他部件的刚度不 计 ,只研究钢丝绳及驱动力对动载的影响 。 1. 2 动力学方程的建立
钻机起升系统 (6 ×7) 简化模型如图 1 ,可将钢 丝绳离散为 14 段 ,整个系统成为 15 个自由度的离 散系统动力学问题 。
Abstract : In view of pet roleum rig drum steel wire p ro motio n system , mechanics mo del of t he drum steel wire p ro motio n system wit h t he separate system dynamics model has been established , and t he simplificatio n t hro ugh t he act ual operating mode to mechanics model has been carried o n , neglecting t he steel distortio n t hat t he wire and t he p ulley co ntact point , and t he steel wire divid2 ed into 14 sectio ns of separate systems ; and t hro ugh t he st rict mechanics co mp utatio n , perform2 ance relatio ns bet ween t he drum end torque inp ut characteristic and t he big hoo k dynamic has been fo und , by co nsideratio n of rotary line and fixed steel wire relatio n. So t he fo undatio n has p rovided t he t heoretical analysis for drilling machine p ro motio n system. Key words : mechanical model ; steel wire ; dynamic equatio n ; st ress analysis ; model simplificatio n
1. 2. 3 系统各部分的势能
U1 =
1 2
K1 ( x1 -
x2 ) 2
Ui =
1 2
Ki ( xi -
xi + 1 ) 2 , ( i = 2 , 3 , …, 13)
(4)
U14 =
1 2
K14 ·x214
U15 = ( mDG + mZZ) g x15
式中 , K1
=
EA ; L1Kt=来自b) 各段钢丝绳的动能为
∫ T1
=
1 2
·ρ L1 ( x2 0
+ x1 - x2ξ) d x =
L1
ρL 1 6
(
x
2 1
+
x1
x2
+
x
2 2
)
∫ T i
=
1 2
·ρ L1 ( x i+1 0
+ x i - x i+1ξ) dξ=
L1
ρL t 6
(
x
2 i
+
xix i+1
+
x
2 i
+
1
)
(3)
∫ T14
第 37 卷 第 1 期 叶哲伟 ,等 :钻机钢丝绳提升系统力学模型及分析
·33 ·
F1
=
EA L1
(
x1
-
x2 )
+
QJ Z 12
Fi =
EA Lt
(
xi
-
xi + 1 )
+
QJ Z 12
,(i
=
2
,3
,
…,13)
(1)
F14
=
EA L 14
x14
+
QJ Z 12
13
FDZ = F15 = 6 Fi = i=2
=
1 2
·ρ L t
0
( x14ξ) 2
L3
dξ=ρL6 3
x
2 14
T15
=
1 2
·ρx1
·x
2 1
式中 ,L t = L 2 - x15 ; i = 2 ,3 , …,13 ; T1 ～ T14 为 1～
14 段钢丝绳的动能 ; T15 为已经缠绕到滚筒上的钢
丝绳的动能 ;ρ为单位长度钢丝绳的质量 。
2
13
6
i=2
(
xi
-
x i + 1 ) 2 + ( mDG + mZZ) g
, i = 3 , …,13
2 方程简化及分析
间比正常匀速运行时间少得多[4] ,在这个时间段内 大钩的位移和速度都相对较小 ,在短时间内由于 x15
2. 1 方程简化
相对 L2 很小 ,因此 ,在研究启动过程动力特性时 ,可
1. 2. 1 钢丝绳的拉力
各广义坐标如图 1 ,由此得到任意时刻各段钢 丝绳的拉力为
收稿日期 :2007207224 基金项目 :省部共建“石油天然气装备”教育部重点实验室资助项目 (省重实 007) 作者简介 :叶哲伟 (19812) ,男 ,湖北孝感人 ,硕士研究生 ,主要从事机械设计及理论研究 , E2mail :yzw0135 @126. com 。
-
ρ 6 (2 x2
+
x3 )
-
K1 ( x1 -
x2 ) + K2 ( x1 -
x2 )
¨x i =
3J
+
3 r2 2ρr2 L t
ρL t 6
( ¨x i - 1
+ ¨x i + 1 )
-
ρ 6 x15 ( x i - 1
+ 4xi
+
xi+1)
-
Kt ( x i - 1 - 2 x i + x i + 1 )
¨x2 +
EA L1
( x1
-
x2 )
-
Q1
¨x2 =
3J
+ρr2
3 r2 (L1
+
L2)
ρL 1 6
¨x 1
+ρL6
2
¨x 3
-
ρ 6 (2 x2
+
x3 )
+
(
EA L2
-
EA ) L1
x1
-
( EA L2
EA ) L1
x2
¨x i =
3J
+
3 r2 2ρr2 L 2
ρL 2 6
( ¨x i - 1
5L 5 x1
)
=
d dt
(
5 5
T1 x1
+
5 5
T1 x1
+
5 T15 5 x1
)
=
(ρx 1
+ρL3 1
+
J0 R2
)
¨x 1
+ρx
2 1
+ρL6 1 ¨x2
5L 5 x1
=
5 T15 5 x1
-
5U1 5 x1
=
12ρx
2 1
-
K1 ( x -
x2 )
由此得到第 1 个广义坐标的 Lagrange 方程为
(7)
¨x 14
=
3J
+ρr2
3 r2 (Lt
+
L3)
ρL t 6
¨x 13
-
ρ 6 x15 ( x13
+ 2 x14 )
-
Kt ( x13 -
x14 ) + K14 x14 )
¨x 15
=
-1 mDG + mZZ
ρ 13
6
6
i=2
(
x
2 1
+
xix i+1