基于ADAMS的立井尾绳动力学仿真研究与应用

基于ADAMS的立井尾绳动力学仿真研究与应用

孟怀 王力 刘欢

摘要：针对东滩煤矿主井提升系统实际情况，通过ADAMS软件数学仿真建模对提升机尾绳性能参数进行重新论证选型改善尾绳运行状态、研究分析尾绳摆动及相互摩擦影响因素及改进方案等多种有效途径，实现延长主井提升机尾绳使用周期及提高运行可靠性的目的。 关键字：立井 尾绳 ADAMS 动力学

多绳摩擦式提升机以其提升高度大，钢丝绳安全系数大等显著优点，被越来越多地用于煤矿立井提升。但提升机实际运行过程中，由于涉及现场设备运行工况等诸多复杂因素的制约和影响，造成大部分矿井平衡尾绳的使用寿命甚至不及提升钢丝绳的现象。

一、 东滩煤矿主井提升机尾绳运行现状

东滩煤矿主井提升系统主要担负矿井原煤提升任务，矿井提升方式为立井提升。目前东滩矿主井提升系统主提升设备为法国FCB公司多南矿山设备厂生产的两套φ4m×4绳塔式摩擦轮提升机，其尾绳采用两根型号为166×26-8×4×9的扁钢丝绳（平衡钢丝绳）。平衡尾绳在煤矿立井多绳摩擦式提升机中主要为平衡提升钢丝绳重力，获取等力矩而设置。使用过程中一般认为尾绳只承受自重，因而没有将尾绳和首绳进行同等级别的重视和管理，进而缩短平衡尾绳的使用寿命，甚至出现断绳事故。

根据《煤矿安全规程》规定尾绳正常使用年限为4年，实际一般使用2年即进入尾绳使用后期，尾绳状况显著下降，主要存在尾绳纬股磨断及出现尾绳局部散股等安全隐患，为保证主井原煤提升系统安全、高效运行，必须每两年利用矿井停产检修对使用状况不佳的尾绳进行整套更换。因此，如何延长主井提升机尾

绳使用周期、提高尾绳安全运行可靠性，成为当前矿井提升安全运行亟待解决的问题。

二、影响尾绳使用寿命因素分析

平衡尾绳在煤矿立井多绳摩擦式提升机中主要为平衡提升钢丝绳重力，获取等力矩而设置。使用过程中一般认为尾绳只承受自重，但在实际使用中存在现场因素导致使用磨损。根据东滩煤矿主井提升系统实际工作环境以及尾绳结构等，影响尾绳使用寿命的因素主要有： （1）尾绳结构对尾绳摆动幅度的影响

（2）尾绳材料参数，如弹性模量、刚度、阻尼等对尾绳运行轨迹的影响 （3）挂绳过程中尾绳偏转对钢丝绳结构产生的内应力对尾绳摆动幅度的影响。 （4）提升系统高速运行时产生的风流对尾绳摆动的影响。 （5）提升容器中坠落的重物砸中尾绳，对尾绳摆动产生的影响。

（6）尾绳长时间的反复弯曲，扭转力集中产生疲劳，从而降低尾绳使用寿命。 （7）井筒潮湿环境，潮湿的粉矿与水汽、水雾混合容易附着在尾绳上，容易加速尾绳锈蚀。

三、立井尾绳ADAMS动力学仿真模型的研究与分析 3.1 技术路线

以ADAMS多体动力学软件为计算平台，根据多体动力学理论为基础，仿真计算为手段，理论与计算相结合的研究方法，结合东滩煤矿主井提升系统现状，通过改进尾绳自身物理性能参数、运行工况运动单元变量等多种手段，实现矿井主提升机尾绳使用周期的延长及尾绳运行可靠性的提高。其主要技术路线为：系统结构性能分析—→建立尾绳运行的多体系统动力学模型—→多工况（加速、匀速、减速）仿真运行—→尾绳振动影响因素（结构、材料参数等）分析—→改进

方案设计。技术路线如图1所示。

深井提升机尾绳长周期运行可靠性研究尾绳结构性能分析尾绳振动方程推导尾绳多体运动学模型建立多工况分析尾绳振动（加速、匀速、减速）分析结构、材料等因素对尾绳振动影响改进方案设计现场调试、运行项目总结鉴定 图1 技术路线

3.2尾绳模型建立

多体动力学仿真中经常涉及绳索类物体(例如提升机、起重机等虚拟样机的建立，都需要对钢丝绳进行建模)，由于钢丝绳挠性好，其几何建模具有不确定性，加之其自身的刚度系数和阻尼系数，以及与其接触刚度系数和接触阻尼系数难以确定，因此钢丝绳建模一直是仿真的难点。虽然Adams中没有提供直接的建模方法，但可使用现有模块和现有约束进行近似的模拟。模拟方法主要有下列三种：

( 1) 通过生成柔性体的方法建立模型。例如利用有限元分析软件生成的MNF模态中性文件，在Adams中生成钢丝绳柔性体，其优点是分析精度高，但仿真费时。例如Adams/view 提供的快速创建连杆的(discrete flexible link)建模方法，把柔性体看作由无数个刚体组成，通过定义柔性连杆的材料、实体的段数、梁单元的衰减率和两端点的连接方式生成相应实体，其优点是节省计算时间，可以满足一般仿真的精度要求。

( 2) 采用一段的圆柱刚性体通过轴套力( busing)模拟钢丝绳。实际工作中的钢丝绳不是简单的直线运动，而是需要绕过滑轮、滚筒等作一定的曲线运动。当各小段圆柱体相对整个钢丝绳长度很小时，钢丝绳就可视为连续体，可以较为真实地反映钢丝绳的拉伸弯曲等力学性能。为了尽可能地还原钢丝绳的工作特性，可以使用更多的圆柱体, 虽然这给计算量带来很大负担，但其仿真精度却可提高。这种方法具有仿真精度高、用时少的优点，建立钢丝绳等绳索类物体时，普遍采用。 ( 3) 采用一段段的圆柱体通过旋转副模拟钢丝绳。这种方法与方法( 2) 相似而不同的是：各小段之间是通过旋转副连接，由于旋转副本身的自由度限制，采用此方法建立的模型只能在钢丝绳不发生扭转时使用。

系统中，由于尾绳比较长，从提高仿真精度角度考虑，将钢丝绳分段数越小越好，其结果也就越准确。但是采用手工一段去建模既费事又容易出现错误，因此采用方法（2），通过在Adams/View中编写宏命令来实现。宏命令是将一个命令添加到Adams/view 命令语言中作为一个命令对象，它用于执行一组Adams/view命令。利用宏命令可以自动化建模，产生一系列数据对象，自动完成重复性操作。利用宏命令自动建立钢丝绳的步骤如下：首先手动建立一段小圆柱体，然后通过复制、移动该小段圆柱体使其依次排列成为连续体；复制、移动的操作通过调入宏命令自动完成。完成自动复制、移动尾绳结构的宏命令如下：

defaults model model_name = .model_1

variable create variable_name=ip &integer_value=0 While condition=(ip < 99)

part copy part=.model_1.part_2 new_part & =(UNIQUE_NAME(“part”))

variable modify variable_name=ip &integer_value=(eval(ip+1)) end

variable delete variable_name=ip

defaults model part_name = .model_1.part_2

for var=the_part obj=.model_1.“part_[ ^2] *”& type=PART move object part_name = (the_part) &c1=0 c2=- 100 c3=0.0 & cspart_name = &

(eval(DB_DEFAULT(.SYSTEM_DEFAULTS, “part”))) defaults model part_name = (eval(the_part)) end

整个系统模型如图2所示。整个模型共包括1689个pat。图3所示为尾绳结构参数，可以看出，通过ADAMS可以很方便地修改尾绳结构参数。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q7xx.html