落地式摩擦矿井提升机动力学特性分析与振动抑制

作     者：宋字宇 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄家海

授予年度：2022年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：摩擦式矿井提升机 系统动力学 系统建模 冲击与振动 振动抑制 

摘      要：落地式摩擦矿井提升机在矿山企业当中得到广泛应用,随着矿产资源开采深度的增加,提升钢丝绳也越来越长。随着钢丝绳长度增加,钢丝绳柔性特性凸显,在运行过程中产生更加明显的振动,尤其在抱闸停车与紧急制动过程中将更为显著。钢丝绳频繁振动会加剧磨损,甚至产生钢丝绳断裂现象,引起严重事故。因此,为了减少提升系统振动,提高钢丝绳寿命和设备使用率,需要对落地式摩擦矿井提升机振动特性展开研究,提出并研究钢丝绳振动抑制方案。在一定假设条件下,根据Hamilton原理建立了落地式摩擦矿井提升机无激励下的纵向分布式参数模型,利用Galerkin加权余量法离散分布式参数模型,MATLAB仿真得到模型的纵向振动,并通过试验测试数据对模型有效性进行了验证;利用小波阈值去噪、小波变换等信号处理分析手段对提升系统正常启停工况与恒减速工况下的试验振动信号进行时域、频域以及时频域的分析,从理论与试验的角度分析引起振动的各种原因;并结合数学模型,对钢丝绳动张力的特性进行分析;根据提升系统的振动特性,提出了一种钢丝绳振动抑制方案,依靠外设控制器快速耗散系统的振动能量并达到稳定,根据李雅普诺夫第二稳定性原理,在分布式参数模型的基础上设计了抑制钢丝绳纵向振动的李雅普诺夫状态控制器,以液压缸驱动张紧轮的形式作为执行器,减小提升系统运行时产生的振动。研究结果表明:(1)建立的落地式摩擦矿井提升机无激励下的纵向分布式参数模型可有效地反映提升系统动力学的关键特征,可以作为控制器设计的模型基础。(2)落地式摩擦矿井提升机在运行过程会产生纵、横、侧三个方向的振动,其中纵向振动是主要表征,尤其在制动阶段,纵向振动出现超过2 m/s的振动加速度,伴随剧烈的动张力;提升系统运行产生的振动频率以低频为主,集中在1～10Hz,而且井底下放制动产生的频率低于井口上提制动产生的频率;卷筒旋转所产生的工频以及倍频使得矿井提升机在正常运行过程产生相应频率的振动;恒减速制动相较于正常制动会产生更为强烈的振动加速度。(3)新设计的状态控制器大大降低了提升容器处钢丝绳的纵向振动,振动加速度峰值仅为0.2 m/s,振动频率降低,收敛速度加快,控制效果较好;PD控制器在停车阶段仍会出现2.3 m/s的振动冲击,与未添加控制器系统的冲击基本相同,且收敛时间达到了2.5s,控制效果较差。