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[硕士论文] 王喆
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着现代矿井的建设进程不断加快,一次提升量和提升速度不断增大,立井提升导向装置是影响提升容器稳定性的重要因素,其中刚性罐道和滚轮罐耳作为导向装置的主要组成构件,对其存在的关键问题进行研究是推进矿井安全高效提升的基础。为得到罐道和罐耳的力学性质,需要对其进行详尽的静力学和动力学分析并验证。
  本文主要对罐道结构刚度和滚轮罐耳的整体刚度及动态响应特性进行研究,主要从以下四个方面进行:
  1.以刚性罐道、罐道梁结构三种计算模型为研究内容,通过对其进行理论计算和ANSYS有限元仿真,得到移动载荷作用下简支梁模型、三跨连续梁模型以及空间网格结构模型挠度特性对比。并且对罐道、罐道梁空间结构进行了模态分析。
  2.建立L35滚轮罐耳三维模型,首先通过计算得到聚氨酯胶轮的刚度特性和九片碟簧对合组合方式的刚度曲线,并将罐耳的摆臂简化为连杆机构,得到水平力和压缩缓冲装置的轴向力的换算关系,推导出滚轮罐耳承受最大水平下的理论行程;然后应用ANSYS Workbench对滚轮罐耳进行仿真,得到其静态等效刚度随水平力变化的规律;最后通过滚轮罐耳静刚度实验台对仿真结果进行验证。
  3.针对滚轮罐耳进行动力学特性分析,使用ANSYS Workbench对滚轮罐耳进行模态分析,得到其各阶固有频率与振形。使用ANSYS与ADAMS联合仿真建立滚轮罐耳的刚柔耦合动力学模型,将罐道缺陷分为三类,将提升速度分为四个阶段,以水平位移量为激励信号,以滚轮罐耳摆臂前轴轴心标记点为动力输出点得到不同工况下滚轮罐耳对罐道缺陷的时域动态响应特性。
  4.通过ADAMS振动分析模块对滚轮罐耳虚拟样机模型进行振动分析,得到频域特性,并将不同刚度和阻尼特性下频率响应曲线进行对比,得到缓冲装置对滚轮罐耳整体振动特性的影响。
  通过对立井提升导向装置的建模和分析,得到了罐道结构和滚轮罐耳的静、动力学特性,分析了不同提升速度下,罐耳对罐缺陷的动态响应特性,可为设计计算高速重载罐道和罐耳提供一定的依据。
[硕士论文] 秦亚洲
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:在我国,煤矿井下开采约占煤矿开采比例97%,作为井下提升设备的液压绞车因安全性好、功率高,提升载荷大的特点在煤矿领域应用十分广泛。但由于绞车工作环境恶劣,导致其传统结构难以达到作业要求,另外,传统绞车控制系统大多为手动开环控制,导致其调速精度低,平稳性差及驱动与制动系统协调性不高,严重影响了绞车作业安全。为了使绞车结构更好符合作业要求并改善其控制性能,设计了绞车结构和绞车电液控制系统。使所设计的绞车结构合理,提高了绞车的控制性能。本论文主要研究工作及结论如下:
  (1)依据原始参数,设计了液压绞车整体结构并对电动机,液压马达及密封圈进行了选型分析,计算出钢丝绳缠绕层数及理论最大提升高度,依据公式对钢丝绳、大小齿轮,轴承及滚筒完成了强度校核。
  (2)利用ANSYS-Workbench软件,完成了液压绞车关键构件的静力学分析。结果表明:通过对滚筒仿真分析,使得改进后的滚筒应力分布合理,筒壁厚度由原始95mm优化至67mm,滚筒总重量减少27.6%;通过对小齿轮轴仿真分析,在其轴径变化处将圆角尺寸由R5增大至R10,使得改进后的寿命由15年提高至17年;对箱体和滚轮作静力学分析使其达到了绞车作业要求。
  (3)设计了新型液压绞车电液控制系统。与传统液压绞车控制系统相比,该系统采用电液比例换向阀,电液比例溢流阀及普通液压控制阀相结合的设计方式,在简化系统的基础上,实现了对绞车更为复杂的控制。
  (4)利用AMESim软件,搭建了液压绞车电液控制系统模型并对其性能进行了仿真分析。结果表明:该电液控制系统提高了绞车自动化水平,实现了速度闭环反馈调节;在辅助制动系统的参与下,降低了绞车在启动阶段的速度波动幅度,速度调整时间由传统4s减小至3s左右,改善了系统的速度跟踪性能;驱动与制动系统具有较好的协调配合性,使绞车在作业过程中运转平稳,增强了绞车的作业稳定性和可靠性。
[硕士论文] 宋佳伟
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:滚轮罐耳作为立井提升系统的导向装置,是立井提升系统的重要部件,其力学性能对立井提升系统有重要影响,为了满足立井提升系统安全、高效的需要,进行滚轮罐耳的刚度性能的研究十分必要;刚度曲线是滚轮罐耳的主要性能参数,为了能够科学地评价滚轮罐耳质量,本文建立了滚轮罐耳刚度实验台,进行了实验台结构及控制系统设计,主要包括以下三个方面:
  (1)通过Hertz弹性接触理论模型的对比建立,说明实验台搭建的理论基础,并应用了有限元分析软件(Ansys Workbench)对实验台运动的关键零部件进行了理论计算与有限元的仿真分析;
  (2)采用计算机辅助测控技术CAT(Computer Aided Test),对整个液压系统进行了设计和元件选型,利用PLC(Programmable Logic Controller)进行编程,实现PLC对液压系统的实际控制;
  (3)对实验台硬件,包括传感器、数据采集卡等,进行选型设计,通过NI OPCServer和DataSocket实现了LabVIEW与PLC的通讯,采用串口通讯,设置端口、压力和位移的上下限、数据采集卡号、数据发送口和接收口等,并利用文件存储模块,实现数据采集后的数据保存及后处理功能。
[硕士论文] 林玲
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:煤炭行业作为我国的传统行业,经过这么多年的发展,对于煤矿生产运输过程的安全问题从未忽略。这么多年来,对于煤炭行业生产的安全方面的研究也一直都在持续进行着。从动力学的研究角度出发,研究人员及学者一直都在不断地研究提升系统的设计安全性、控制系统的安全性、制动系统的安全性以及操作和使用维护的安全性等,这些研究为提高生产效率与降低事故的发生率提供了有效的参考。
  在本文的研究中,第一章为绪论部分,主要是矿井用多绳摩擦式提升系统和制动系统的国内外研究现状以及本文研究的目的和意义。第二章是基于Udwadia-Kalaba理论的动力学建模的详细介绍。
  第三章和第四章主要基于Udwadia-Kalaba理论对塔式摩擦提升系统和落地式摩擦提升系统分别建立七自由度、五自由度模型,动力学分析过程中,考虑提升系统和制动系统在工作过程中的阻尼,得到最终的动力学方程,然后根据动力学方程,找出影响钢丝绳防滑安全的影响因素,主要包括钢丝绳的选型、提升钢丝绳及尾绳的数量、各段钢丝绳在运动过程中受力形变量以及在实际工作中的矿井阻力等。在以上得到的基于Udwadia-Kalaba理论的提升系统的动力学方程基础上,对实际算例利用Matlab进行仿真分析,得到提升系统在工作过程中,摩擦轮两端钢丝绳的张力及张力比,最后结合《煤矿安全规程》的要求及实际情况,验证其正确性。
  在第五章对制动系统安全制动的制动安全研究中,首先考虑制动系统的阻尼,然后基于Udwadia-Kalaba理论的制动系统的动力学方程,再找出制动系统与提升系统之间的相关联部分(卷筒)的运动学关系,最后得到影响制动系统制动安全的几个相关因素,即提升速度大小、制动器对制动盘的正压力大小以及摩擦因素大小,再利用控制变量法,分别针对提升系统不同的提升速度、卷筒受到的不同的正压力以及接触面间不同的摩擦因素,利用Matlab软件进行仿真分析,得到不同提升速度、不同的正压力以及不同的摩擦因素时的制动减速度随时间变化的图像,最后结合《煤矿安全规程》的要求及实际工矿,验证仿真分析的合理性。
[硕士论文] 王刚
机械电子工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:刮板输送机是当前长壁式综采工作面唯一的输送设备,其机身还作为采煤机的运行轨道和液压支架拉架的支点,其可靠性、稳定性和高效性对于煤矿开采效率和煤炭生产企业的经济效益至关重要。链传动系统是刮板输送机的重要组成部分,直接决定了刮板输送机整机的性能、质量和使用寿命。但驱动链轮结构复杂,链轮规格众多,建模过程繁琐,且刮板输送机的运行工况恶劣,经常发生断链、卡链和飘链事故,导致驱动链轮和圆环链受力情况复杂多变,通过有限元方法分析链传动系统动力学特性从而对刮板输送机进行优化改进就变得尤为困难。因此研究刮板输送机链传动系统的参数化设计和分析技术意义重大。
  本文研究了刮板输送机链传动系统的参数化设计方法,通过分析圆环链和驱动链轮的结构参数,得到驱动链轮和圆环链参数化三维模型构建方法。基于此,论文利用APDL语言,在ANSYS/LS-DYNA软件中建立了链传动系统的参数化三维模型。
  其次,论文从动力学角度出发,建立了链环接触动力学数学模型和链环与链轮啮合动力学数学模型。基于ANSYS/LS-DYNA软件建立了链传动系统的参数化数值仿真模型,以SGZ830/500型号刮板输送机为研究对象,对链环与链轮啮合特性和链环间的接触特性进行了分析。
  随后,论文基于上述链传动系统参数化数值仿真模型,分析了链传动系统动力学特性的影响因素,并研究了不同链轮转速、链轮齿数、外载荷和链轮结构条件下刮板输送机链环间接触力、圆环链与链轮啮合力、链轮与链环的应力应变以及链环波动规律。
  最后,以QT5为开发平台,研究了ANSYS/LS-DYNA、LS-DYNA Solver和LS-PrePost软件的接口耦合技术,开发了刮板输送机链传动系统参数化设计和分析程序,用户输入刮板输送机链轮、圆环链的规格参数和有限元分析所必须的参数,可自动进行链传动系统的动力学仿真,得到刮板输送机链传动系统模型设计结果和动力学特性仿真分析结果,有效提高了链传动系统的建模和仿真效率。
[博士论文] 石浩
机械电子工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:传统的大型露天煤矿运输方式为卡车运输,随着开采深度的不断增加,相关操作人员和卡车燃料所需的费用也呈上升的趋势。为满足降低大型露天煤矿开采费用、加强环境保护等方面的要求,利用大型波状挡边带式输送机系统作为提升煤炭运输的关键设备,进而克服卡车运输的不足以及普通带式输送机受输送倾角限制的缺点,深入研究大型带式输送在露天煤矿中用于提升运输,具有相当重要的经济意义。波状挡边带式输送机系统动态特性的研究成为其设计和开发的核心问题之一,通过研究波状挡边带式输送机系统的动态特性,优化输送机的性能,从而使波状挡边带式输送机系统在经济上更加合理、在技术上更加可靠。
  针对大型波状挡边带输送机系统动力学问题,本文基于分数阶导数理论,建立了基于分数阶导数粘弹性模型的波状挡边输送带的粘弹性模型,在此基础之上建立了波状挡边输送带的动力学模型,并进行了求解。构建了大型波状挡边带式输送机系统的动力学模型,并对参数进行了赋值。利用ADAMS与MATLAB软件对在不同起动和运行条件下的波状挡边带式输送机系统的动态特性进行了动态仿真研究。通过仿真得出在波状挡边带式输送机系统起动和运行过程中,动态效应表现最明显的部位存在于波状挡边带式输送机系统的驱动滚筒的趋入端附近。从这个意义上讲,改善波状挡边带式输送机系统趋入端附近的动态特性对于改善整个波状挡边带式输送系统的动态特性是至关重要的。
  波状挡边带式输送系统的动态特性除了取决于波状挡边输送带的性质外,还在很大程度上受到其驱动装置的影响。为了适应波状挡边带式输送机系统大型化的要求,本文对非标准系列的驱动滚筒进行了研究。在波状挡边带式输送机系统传动滚筒摩擦传动理论基础上,分析了滚筒的受力情况,推导出了欧拉公式和驱动滚筒各受力情况的计算公式,对其传动理论与滚筒的受力情况进行了分析和计算。利用ANSYS软件对滚筒结构进行了静力分析,取其6阶的模态进行了动力学分析;根据拓扑优化理论基础,采用变密度法拓扑优化的均匀方法,以结构最小应变能为目标,对波状挡边带式输送机系统驱动滚筒的轴进行拓扑优化,经过优化以后,优化滚筒体积比优化之前减少了22.6%,最大等效应力提高51.4%,滚筒轴的最大扰度降低34.5%,均在工程范围之内,符合要求。
  基于内置径向式转子结构永磁同步电机(PMSM)为本课题研究对象,对大型波状挡边带式输送机系统用永磁同步电机进行了研究。使用ANSOFT对设计永磁同步电动机进行仿真研究,分析了永磁电机空载时的磁力线分布,磁通密度等,通过磁力线分布可以查看设计电机的漏磁情况。在永磁电机模型定转子中求取空载气隙径向磁密沿圆周的分布情况,进而求取空载气隙磁密谐波含量和幅值。根据分析结果验证设计的准确性并对不合理的地方进行调整。与此同时,进行了永磁同步电动机稳态温度场分析。
  本文从滑模变结构控制原理出发,设计了滑模控制器,提高系统抗干扰能力,并依据id=0矢量控制方法对永磁同步电机进行仿真。通过滑模变结构的PMSM矢量控制有良好的动稳态性能,能有效减小系统的高频抖动;其算法简单,易于工程实现;对电机参数变化及负载转矩波动有更好的鲁棒性。设计了一种PMSM互馈对拖测试平台,在运用PMSM的矢量控制原理基础上,对整个测试平台进行了全面仿真并进行了空载、负载运行测试,所得结果与理论分析、仿真分析结果一致,表明该测试平台运行效果良好,效率较高,并进行了节能测试,通过试验验证,节约用电量22.3%,无功功率减少88.3%,电流降低49.1%,功率因数提高49.3%。
[硕士论文] 高敏
机械工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:多绳摩擦式提升机钢丝绳动态张力检测系统的主要作用之一就是实时检测提升机钢丝绳之间的张力变化,确保当张力差超过规定范围时检测系统及时报警,以避免发生断绳、坠罐等事故,切实保护好工作人员的生命安全和国家的财产安全。目前在工程应用中的动态张力检测系统存在多种缺陷,比如信号采集精度低、信号传输可靠性差、蓄电池待机时间短等。由于存在这些缺陷,在实际生产过程中,多次发生重大生产事故,给工作人员的生命健康和国家财产安全带来了严重威胁,因此,必须开展新型动态张力检测系统的研究。
  本文针对普通的动态张力检测系统存在的问题,提出并设计了一种基于ZigBee无线传输的提升机钢丝绳动态张力检测系统,这种检测系统采用液压称重检测代替张力检测,使钢丝绳张力检测更加安全可靠;将新型ZigBee无线传输方式与信号传输策略相结合,使张力信号传输更可靠,功耗更低;应用云技术,使用户能够进行远程监测;设计了独立的发电系统为蓄电池在线充电。
  本文综合运用了机械、液压和电气理论对提升机钢丝绳动态张力检测系统进行了研究分析。本文根据某矿多绳摩擦式提升机的实际运行工况,对提升系统进行了动力学分析,得出了提升系统的速度图和钢丝绳张力图。根据求出的最大张力值,运用液压理论设计了一种新型的液压式称重传感器作为信号采集装置,并利用软件对该传感器的密封装置和摩擦力分别进行了有限元分析。运用单片机对采集到的张力信号进行分析、处理,并利用电气软件进行了PCB板的绘制。运用新型的ZigBee无线传输方式对张力信号进行无线发送与传输,在传输过程中,采用了Standby模式,实现了系统的低功耗功能。在数据接收与处理中,利用PLC对接收到的张力信号进行处理、传输与显示。在数据的呈现方面,不仅采用了传统的上位机显示,还运用了互联网与云技术,使用户在计算机、手机等终端均能进行远程监控,以确保提升系统的安全运行。最后,考虑到矿井的实际工作环境,采用永磁直流发电机设计了独立的发电系统,为整个检测系统供电,解决了工作人员为蓄电池充电不方便的问题。
[硕士论文] 曹桂宝
控制工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,鲍店煤矿提升机控制模块元器件老化严重,故障率高,主控程序上传程序缓慢,主控CPU负荷率大、易过载,不能保证提升机的正常高效的运作。鉴于此,本文在矿用提升机电气控制、信号控制及液压制动系统方面进行分析研究,设计一套安全、高效的提升机控制系统。
  本文从鲍店煤矿矿用提升机现有设备的基础上,对电气控制、信号控制及制动系统进行研究。针对原提升机电气系统故障率高,编程软件主控程序上传速度缓慢,主控单元负荷率高等问题,对磁场换向直流提升机可逆调速系统技术进行分析;通过采用双桥串联、顺序控制的晶闸管整流桥设计可逆调速系统电枢主回路和两组三相全控整流桥反并联的供电方式设计磁场主回路电路,实现提升机安全高效运行。综合矿用提升机信号系统所要实现的显示、闭锁、PLC自监测及报警等功能要求,对矿用提升机信号控制系统进行设计。包括矿用提升机关键部位的软硬件设计及以深度指示器、增量式脉冲编码器为核心的信息采集模块设计;设计以阈值比较器为核心的矿用提升机故障辨识显示电路并从输入信号与阈值电压范围及大小关系的角度分析其工作原理,保障矿用提升机安全运行。依据现场实际情况,计算并选型多绳摩擦式矿井提升机制动系统主要部件,设计二级制动液压系统,利用AMESim仿真软件分析其控制回路,得出二级制动在减小液压系统波动的前提下可实现完全制动,并能在故障发生时实现及时制动,制动效果符合设计要求。
  本文提出了一整套相对成熟的矿用提升机控制系统,为鲍店煤矿提升机设计优化提供了理论依据。分析矿用提升机煤矿现场应用情况可知,本文所设计的矿用提升机控制系统运行稳定可靠,指令执行准确,各分系统运转正常;能适用于国内大多数矿井,有利于矿井高产、高效的生产。
[硕士论文] 周坤
机械设计及理论 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:制动性能严重影响着电机车的运输效率,从而影响着煤矿开采的效率。盘式制动器因其结构简单、散热性能优良、制动效率高的特点而被逐渐应用到矿用电机车上,但其制动过程中会产生大量,伴随着会产生磨损、裂纹等一系列问题,同时在矿井条件下要求其最高温度不能高于150℃,所以对盘式制动器进行摩擦热力耦合分析,研究其温度场以及应力场的变化规律,并对其疲劳寿命做出较好的预测具有非常重要的意义。本文针对目前研究所存在的问题,对以下几个方面进行了研究。
  对盘式制动器的摩擦热力学研究。确定了电机车盘式制动器工况载荷、摩擦副的摩擦机理及接触状态、摩擦力的组成、热传递方式。分析了制动过程中热机耦合的机理及相互耦合过程。基于热传导及热力耦合理论方程,确定了求解的初始及边界条件,并提出了有限元求解方法,为后续的试验测试和仿真分析奠定了理论基础。
  利用摩擦磨损实验机完成了摩擦副性能参数的测试和分析评价。以制动压力和制动速度为测试变量,摩擦系数为测试目标,研究了不同制动压力和制动速度下摩擦系数的变化规律及其变化机理。
  结合有限元求解理论方法和试验测试结果完成了盘式制动器热机耦合的模拟分析。基于动态变化下的摩擦系数和对流换热系数,采用有限元软件ABAQUS求解热机耦合下的温度场和应力场,揭示了温度场和应力场的分布规律并与非耦合下的温度场和应力场进行了对比。结果表明:制动盘的温度场和应力场都表现出先上升后下降的变化规律,并且与非耦合下的温度场和应力场存在一定的偏差,摩擦副应力主要表现为热应力且应力场分布变化规律和温度场的变化十分的相似。分析说明了温度场和应力场的相互耦合性。
  根据模拟仿真结果对电机车制动盘使用寿命进行了预测。得到了制动盘在制动过程中应力的分布情况,确定了制动盘热疲劳寿命的预测模型以及制动盘易发生热疲劳损坏的部位,采用了Manson-Coffin公式对制动盘的使用寿命进行了预测,分析得出了制动盘失效的循环次数。验证了盘式制动器在矿用电机车中较好应用性。
[硕士论文] 李海伟
机械制造及其自动化 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着能源需求以及开采深度不断增加,多绳摩擦提升机因其体积小、重量轻、提升能力大等诸多优点,逐渐被大部分矿井所采用。但在实际生产运行过程中依然会遇到一些问题,比如各钢丝绳张力之间不平衡或超载问题、罐道故障引起的提升容器振动及倾斜问题、尾绳磨损问题等,其中不管哪方面出现问题,都会对矿井提升系统的安全性能造成一定影响。为防止安全事故的发生,设计一套矿井提升机安全运行监测系统,对提升机运行状态进行实时监测。
  本文针对多绳摩擦提升机在运行过程中遇到的问题以及矿井实际情况,研究设计一套无线传输与有线传输相结合的实时监测系统,并结合组态王技术,实现对数据的实时监测。因对钢丝绳张力、提升箕斗振动及倾斜(通过检测箕斗倾斜来反应罐道倾斜情况)进行监测的设备随箕斗运动,无法进行布线,因此采用无线传输技术;尾绳磨损方面监测,因监测设备无需运动,并结合矿井已有布线及有线传输技术的优点,因此采用有线传输技术。传感器检测数据被采集后通过信号传输通道传输给组态王,在组态软件中实时显示监测数据。
  本文涉及的主要内容有:一、对监测系统进行总体规划设计,选择合适的传输技术,即无线传输与有线传输相结合的信号传输技术,并对总体设计中监测方法和传感器安装位置进行研究设计;二、对传感器进行分析设计,通过对传感器使用环境及不同工作原理传感器之间的对比分析,选择出合适的传感器;三、对监测系统硬件进行选型设计,其中无线监测传输中采用无线采集发射装置、地面信号收发装置实现对数据的采集、处理及信号传输,有线监测传输中采用PLC实现对数据的采集、处理及信号传输;四、对监测系统软件进行设计,其中包括通讯程序设计、上位机与下位机之间通讯设置及组态监测画面设计;五、对监测系统进行实验测试,首先对各部分进行分别测试,然后再进行综合测试,通过实验测试确定监测系统的使用性,同时也对检测数据进行对比分析,确定在故障发生时检测数据发生变化。
  通过对监测系统实验测试可知,本监测系统能够完成对提升系统各部位数据的监测。当某部位发生故障时,可通过观察采集数据的变化,判断故障发生的原因并及时报警。因此,可确定本文设计的监测系统能够完成对提升系统的安全运行监测,并对矿井提升系统的安全运行提供保障。
[硕士论文] 姜飞
机械工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着煤矿产业的发展,以单轨吊为代表的煤矿辅助运输机械应运而生。已有的单轨吊基本都是重型单轨吊,适用于20t以上重载物料或设备的运输,体积很大,无法在空间小的地方进行起吊运输。本文设计研究的液压单驱单轨吊,适用于5t以下的井下轻载运输,由于体积小,可以在空间小的地方实现起吊运输。
  本文根据液压单驱单轨吊机车工作的特点和要求,对整体的液压系统和机构进行设计分析。首先根据工作原理确定了其液压系统和整体机械结构的设计方案,通过MATLAB程序得出该型单驱单轨吊机车在不同坡道下的承载能力、不同坡道下的速度与牵引力特性曲线并验证了机车的制动距离;然后分别对运输主回路、安全辅助回路进行了具体的设计和分析,对液压系统中的防爆电机、双联齿轮泵、液压马达、夹紧缸、制动缸、制动弹簧进行了选型设计;利用AMEsim软件对该型单轨吊机车行走回路和制动回路的液压系统进行模拟仿真,分析了不同载荷下负载与系统压差的关系和负载与行走速度的关系,得到了制动缸速度、位移及流量的特性曲线,分析所得曲线符合设计要求。利用FluidSIM软件对运输主回路仿真模拟,验证了液压系统设计的可行性;最后通过Solidworks软件完成了该型单轨吊机车的三维模型设计。使用Motion插件对驱动部制动过程进行了运动学分析,直观的显示出制动缸活塞杆、制动弹簧、闸片在制动过程中的运动过程;使用ANSYS/Workbench插件对该型单轨吊机车驱动部的机架进行结构分析,更加直观的显示驱动部机架的受力,保证了结构件能够满足设计的强度和刚度要求。
  样机生产完成后,分别进行了厂内试验和井下工业试验,验证了机车在实际运行工作过程中机车能够完成预期的行走、夹紧、制动工作。根据设计要求对该型单轨吊机车液压系统和整体机械结构进行了设计研究,对产品之后的改进具有一定的参考价值。
[博士论文] 江守波
机械制造及其自动化 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:刮板输送机是长壁式综采工作面唯一的运输设备,经过几十年的技术引进、消化吸收、自主研发,国产刮板输送机的技术参数已经接近国外同类产品,但在可靠性、使用寿命等方面仍有一定欠缺。其原因除了核心部件的制造水平差异外,还包括对刮板输送机工作过程中的动力学特性研究不明确。刮板输送机是一个高度耦合的、非线性、多体动力学系统,系统中除了链轮与链条的啮合传动外,还包括减速器齿轮传动、刮板与中部槽及链轮的摩擦等,这些因素都会影响刮板输送机的动力学特性;此外,刮板输送机的工作环境往往比较恶劣,不同的工况对刮板输送机的动力学特性有很大的影响。因此,通过理论分析、仿真计算和试验相结合的方式,系统地研究多工况下不同因素对刮板输送机动力学特性的影响,对于提升其工作的可靠性具有重要的意义。
  本文首先对刮板输送机链传动系统进行了运动学和动力学理论分析,基于水平弯曲及竖直弯曲的特殊工况,建立了链传动系统的运动学模型,分析了链条速度及加速度的变化情况;基于Vogit模型依次建立了链环、链传动系统、刮板输送机整机的动力学模型,并在AMESim软件中完成了刮板输送机整机的动力学特性分析,分析了刮板输送机中机头、机尾处4个典型受力点在不同频率下的链速、链条张力的变化情况,为后续的多体动力学分析奠定了基础。
  基于多体动力学的思想,在ADAMS中建立了链传动系统的仿真模型,模拟了不同链速、地形及载荷下刮板输送机链传动系统的动力学特性,获取了不同工况对刮板输送机链传动系统的影响。仿真结果表明,不同链速条件下,链条松边和紧边链条均存在一定程度的波动,随着链速的增加,链条的波动幅度呈增大趋势,且链条的纵向波动呈现周期性的变化规律,这主要是由链传动系统的多边形效应所致;随着载荷的增大,驱动链轮转矩也明显增大,且驱动转矩出现周期性波动现象,其周期与链速、链轮齿数等因素密切相关;地形因素对紧边处链环的接触力变化影响不大,但对松边处链环间的接触力影响较大。
  在多体动力学分析的基础上,利用有限单元法,在LS-DYNA中分析和对比了不同载荷、链轮转速、链轮齿数等因素对链传动系统动力学啮合特性的影响。有限元仿真结果表明,接触力的波动幅度与接触位置距离链轮的远近有关,接触位置距离链轮越近,接触力波动的振幅越大,频率越小;随着载荷的增大,链轮啮合处接触力的波动程度和峰值随之增大;载荷增加时,链轮的应力集中区域也明显增大,链环的速度波动更加明显,表明载荷增大会降低链传动系统的工作稳定性,增大链环与链轮的磨损,最终降低刮板输送机的使用寿命;此外,链轮齿数对于链传动系统的动力学特性也有一定的影响,随着链轮齿数的增加,链轮处的啮合接触力变化趋于平缓,链环间水平方向接触力与总接触力有所减小,而垂直方向的接触力会有所增加;在刮板输送机机体结构保持一定的条件下,适当增大机头、机尾链轮的齿数,可有效提升链传动系统运行的稳定性,为刮板输送机的性能改进和优化提供了理论基础。
  搭建了刮板输送机动力学特性试验台,采集了刮板输送机在不同工况下的应变、机头和机尾链轮转速等信号的变化情况,分析了真实工况下刮板输送机的动力学特性变化规律。试验结果表明,试验台在不同工况下运行可靠,采集模块所采集的应变、转速、电流信号稳定,可准确描述试验过程中刮板输送机动力学特性的变化;试验台采集的轴应变数据与仿真分析数据差值稳定在30%-50%之间,表明仿真分析的结果在一定程度上可以反映实际工况下刮板输送机动力学特性的变化,为刮板输送机的设计与应用提供了参考依据;随着链速的增大,减速器中电机转频信号、各级轴及齿轮啮合信号、刮板与中部槽刮卡频率、链轮与链条的啮合频率振幅均有所增大,同时,链传动系统的多边形效应随着链速的增大趋向明显,机头链轮与机尾链轮存在不高于1%的细微转速差;在不同的地形条件中,链轮-链条的啮合频率对水平弯曲+垂直弯曲复合工况下的动力学特性影响最大,而刮板与中部槽的刮卡情况则在水平弯曲和垂直弯曲的工况下影响显著;在负载条件下,刮板与中部槽刮卡的振幅大幅增加,对刮板输送机的动力学特性有不利的影响;通过监测机头、机尾链轮的转速差和刮板的悬垂量,可有效监测刮板输送机链条的张紧状态,避免因松链导致的卡链和断链问题,从而提升刮板输送机的工作可靠性和稳定性。
[硕士论文] 高健
控制工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:矿井提升机数量众多、能耗巨大,在矿山正常作业中有着举足轻重的作用。由于提升机在上下频繁运行过程中会产生大量的制动能量,通常是在直流母线中并入大功率电阻将这部分能量消耗掉,不仅散发出大量的热量使控制机房温度升高影响控制稳定性,而且造成了极大的能量浪费。为了实现节能减耗、绿色发展的目标,矿井提升机回馈节能技术成为很多企业和部门的研究热点之一。
  当前提升机回馈节能技术分为超级电容储能节能系统和电能回馈并网节能两个主要研究方向。电能回馈并网交换电能会对电网造成谐波污染,超级电容储能回馈系统不与电网交换电能,并且能够循环利用提升机制动回馈电能,有效提高了能量利用率,因此研究者对超级电容储能回馈技术在矿井提升机中的应用研究较多。通过对储能回馈系统的研究发现:直流母线电压波动时控制器不能对控制量进行准确控制,降低了超级电容的能量存储释放效率,从而使能量回馈系统的节能效率降低。针对这一问题本文在传统的双向DC-DC变换器能量回馈控制系统的基础上设计出模糊控制优化方案。首先对矿井提升机能量流动状态及运行状态分析,推算出能量回馈系统各种基础器件使用参数。然后对传统双向DC-DC变换器各控制环节深入研究,选择调节PI控制的给定指令作为优化方法,理论验证后设计出两个模糊控制器。最后以矿井提升机电网侧交流电压波动和超级电容电流作为实时采样值,加入两个模糊控制器分别根据两个采样值在线动态调整直流母线参考电压,通过优化使控制器对控制量更准确控制,提高超级电容的充电放电效率,使矿井提升机能量回馈系统能量利用率提高。
  根据本文的控制方案,搭建了MATLAB/Simulink仿真及模拟实验平台。仿真及实验结果表明,本文研究方案能够在电网电压扰动引起直流母线电压波动时,有效提高矿井提升机对制动能量的吸收利用率。
[硕士论文] 赵夏云
机械电子工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:中国作为矿业大国,对于矿井机车无人驾驶系统的研究与应用,能够提高中国采矿效率,减少矿难事故的发生,保障矿工人员的安全,具有很大的经济效益和社会效益。然而,对于矿井机车无人驾驶系统的研究都是处于功能性的实现,很少有对其系统的稳定性、故障诊断方法等做出研究。本文主要创建了一种自适应模糊故障Petri网模型,对模型引入改进的粒子群算法进行参数优化设计,并将此模型应用于矿井机车无人驾驶系统中,实现对故障的自适应推理与诊断。
  本文的主要工作包括:
  1、对Petri网技术的改进研究,以基本Petri网作为理论基础,运用模糊化的语义表达定义模糊规则表达式,提出自适应模糊故障Petri网模型,并将模型中故障传播并发过程用矩阵的形式表达,用于推导出故障传播过程推理过程的置信度计算算法以及用于故障诊断反向推理的诊断推理算法。
  2、对Petri网模型的自适应参数优化调整,采用合适的算法对参数优化设计,分析算法与模型结合时的参数初始值设定规则,故障模型的实际化应用的转变,提出优化训练调整参数步骤、故障知识库的更新添加,实现诊断方法的自学习能力。
  3、对矿井机车无人驾驶系统进行故障分析,运用系统分层分析的方法对系统的故障进行逻辑分类,在分析其结构原理的基础上,将其与Petri网模型相结合,提出各部分系统的模糊规则表达式并创建模糊故障Petri网模型。
  4、将故障推理、诊断分析方法运用到矿井机车无人驾驶系统,对其进行分析判断,提出各个系统中常见的故障传播途径并诊断出发生某一故障最大可能导致的原因。
[硕士论文] 任锁
安全工程 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:提升机是矿山生产过程中最重要设备之一,对矿山安全生产具有重要作用,矿井提升机一旦发生故障,轻则影响生产进程,重则造成人员伤亡等重大财产损失。随着矿山开采环境日趋复杂,开采深度逐年加深,矿井提升机结构也日趋复杂,因此对提升机的诊断要求也越来越高。目前对矿井提升机复杂系统的故障诊断主要通过故障树等方法进行定性定量分析得到诊断顺序,但该类方法不能有效解决系统的复杂性、不确定性等因素,因此本文提出贝叶斯网络方法和模糊综合评判方法相结合,利用贝叶斯网络解决系统的不确定问题,利用模糊综合评判方法综合考虑影响诊断过程中的因素,通过结合优化诊断顺序,得到具体故障原因。
  矿井提升机常见故障包括提升机过卷、主绳断绳、主绳打滑和制动系统失效,利用贝叶斯网络分别对其进行建模,最后汇总为整个矿井提升机的贝叶斯网络模型。通过推理得到矿井提升机故障的后验概率,并按概率由大到小进行排序;通过模糊综合评判方法对矿井提升机诊断过程中的检测方法难易程度、检测速度、检测的准确性和检测的经济性进行模糊综合评判,并确定综合评分等级,按等级大小进行排序;通过贝叶斯网络故障诊断和模糊综合评判方法相结合,根据后验概率和模糊综合评判值进行结合得到模糊综合危害度,并按由大到小进行诊断,将诊断结果作为新的证据更新贝叶斯网络,继续诊断,实现诊断的优化,直至找出提升机故障的具体原因。
  通过以矿井提升机系统发生故障为例,通过利用贝叶斯网络方法和模糊综合评判方法的结合进行诊断,同时与单独使用贝叶斯网络方法和单独使用模糊综合评判方法进行诊断做对比,证实结合的方法在故障诊断中的优势,结合的方法在诊断过程中效果更好。
[博士论文] 常用根
机械工程 中国矿业大学;中国矿业大学(江苏) 2017(学位年度)
摘要:矿井提升系统沿井筒提升煤炭、矸石,升降人员和设备,是连接矿山井下生产系统和地面工业广场的纽带。多绳摩擦提升是大型矿山采用的主要提升方式,在整个矿山生产中占有重要地位。一旦发生安全事故,不但损坏矿井设备、造成全矿停产,而且还危及工作人员的生命安全。因此,对多绳摩擦提升系统运行状态进行监测、确保提升系统的安全运行,是一个具有现实意义的课题。
  本文在国家自然科学基金项目“基于传感网的超深立井提升系统健康监测方法”(项目编号:51275513)资助下,研究了多绳摩擦提升系统正常与非正常工况下的动力学特性及主轴应力分布规律,建立了基于提升钢丝绳张力、主轴应变场和提升机振动特性的立井提升系统健康状态监测系统,为监测和预防提升系统恶性事故提供理论基础和技术支持。
  首先,考虑自动平衡装置阻尼及到达极限位置的情况,建立了具有张力平衡装置的多绳摩擦提升系统有限元振动模型;通过拉格朗日乘子处理边界条件,求解了不同工况下提升钢丝绳的纵向振动响应及张力;采用 AMESim软件仿真结果与理论模型对比,验证了理论模型的合理性,为基于提升钢丝绳张力来评估提升系统健康状态提供了理论支持。
  其次,开展了基于主轴应变场的提升系统状态关联模型研究。主轴的应变场变化能够反映提升钢丝绳的荷载差异,有效表征提升机的运行状态。基于Carrera一维化理论,建立了主轴的一维高阶模型,结合提升钢丝绳-摩擦卷筒特征力传递模型,建立了基于主轴应变场的提升系统状态关联模型,为基于主轴应变场评估提升系统荷载状况提供了方法。
  随后,从多绳摩擦提升系统的特殊工况和结构特点出发,引入集合经验模态分解(EEMD)等信号处理方法,分离出传感器信号中揭示多绳摩擦提升系统主轴装置故障的有用信息,在主轴装置故障振动表征的基础上,提出基于多传感器特征融合的故障诊断方法,为提升系统主轴承的故障诊断提供理论方法。
  最后,提出基于提升钢丝绳张力、主轴扭矩和主轴装置振动等传感信号综合分析的多绳摩擦提升系统状态监测方法,并开发相应的软、硬件系统,对提升系统超载、提升钢丝绳张力差异常等故障进行有效监测,为提升系统的安全运行提供技术保障。
[硕士论文] 王新东
电气工程 山东科技大学 2017(学位年度)
摘要:本文设计的是煤矿井下皮带运输机监测系统,是对皮带运输机系统进行有效监测的重要设备。该监测系统可以自动、高效、准确的检测出皮带运输机工作过程中的运行状态,出现异常,立即报警并做出相应动作同时上传信息,从而保证煤矿企业的安全生产。同时还可对煤矿中的金属杂质含量进行前期的测量,对后期的原煤洗选有一定的参考作用。
  本课题以煤矿井下皮带运输机系统为主要研究对象,包括硬件设计和软件设计两部分,首先根据煤矿井下皮带运输机系统的实际应用和功能需求,提出皮带运输机监测系统的整体设计方案。其次根据系统的整体设计方案,选择合适的传感器,完成监控分站最小系统电路,复位存储电路,稳压电源电路,传感器电路,输出控制电路,通信电路,声光报警电路,地址编码电路等几个模块的设计。然后根据需要监测的参数和系统所要实现的功能进行主程序设计和各个单元模块子程序的设计。最后是上位机软件的设计,能够实现与下位机的通信,实时显示接收到的动态数据信息。当监测系统接收到异常工作状态,上位机同步报警。以便工作人员及时了解皮带机的运行状态并作出相应决策。
[博士论文] 周甲伟
机械设计及理论 中国矿业大学;中国矿业大学(江苏) 2017(学位年度)
摘要:绿色煤炭物流衔接煤炭开采、加工、储运、利用及回收各个领域,是构建集约、安全、高效、绿色现代煤炭工业体系的枢纽。解决煤炭运输中的环境污染问题,实现煤炭与环境无交互作用的封闭运输是实现煤炭绿色物流的关键所在。煤炭气力输送是实现短距离煤炭绿色物流的有效途径,具有占地少、环保清洁、易于自动化等显著优势。为此,本论文以煤炭颗粒为对象,结合气固两相耦合理论、计算流体力学与离散元耦合数值模拟方法(CFD-DEM)和颗粒旋流输送试验,以实现煤炭颗粒气力输送为目标,对煤炭颗粒在旋流场中的输送理论、运动学和动力学行为以及旋流气力输送系统性能展开研究,为煤炭颗粒气力输送工业应用提供理论和试验依据,拓宽气力输送技术应用领域。
  在量化描述煤炭颗粒尺寸和形貌特征的基础上,研究真实形貌煤炭颗粒旋流气力输送机理。通过三维扫描获得煤炭颗粒几何模型并统计煤炭颗粒形貌特征,基于此推导出煤炭颗粒在流场中的运动微分方程、颗粒碰撞运动方程及接触动力学方程,构建旋流气力输送中煤炭颗粒群的运动方程及输送气流的质量守恒和动量守恒控制方程,为研究煤炭颗粒旋流气力输送过程提供理论支撑。
  基于现有起旋技术及理论,研发适用于煤炭颗粒气力输送的旋流起旋及继旋装置。利用CFD-DEM耦合数值模拟方法,从流场速度、旋流强度、颗粒运动及输送能量效率等多个方面对比研究三种螺旋壁面式起旋装置性能。研究表明:旋流场内轴向速度峰值区域形状随流场流动呈准周期性旋转,有益于扰动颗粒运动,旋流场内颗粒呈现明显的螺旋运动,并保持较长距离的悬浮运动状态。输送初始阶段,较强的旋流强度有助于提高能量利用效率,但到稳定输送阶段,适中的旋流强度更有利于输送。三种起旋装置中,导流叶片式起旋装置引导的旋流强度适中,更适合于煤炭颗粒输送。以数值研究结果为基础,设计侧向补气导流叶片式起旋装置,并进行流场速度分布测量试验,以无量纲测量距离、雷诺数、切向流量比为变量拟合得到旋流强度演变模型。
  设计并研制煤炭颗粒输送状态测试试验台,研究不同粒度煤炭颗粒的临界输送气流速度,以及旋流强度对煤炭颗粒临界输送气流速度的影响。分析气力输送系统常用临界气流速度定义及其物理含义,确定拾取速度作为煤炭颗粒旋流气力输送系统临界输送速度并估算其大致范围,然后进行不同流场的煤炭颗粒拾取试验。研究表明:影响煤炭颗粒初始翻滚拾取的因素有流场气流曳引扰动、其他颗粒冲击扰动以及支撑边界失稳扰动。轴流场内易出现局部逐层剥离拾取,迎风下游区域煤炭颗粒团易于优先拾取,旋流场内易出现颗粒自迎风端部逐步卷起并实现整体推移拾取输送。煤炭颗粒的拾取速度随旋流强度增强呈现先增大后减小趋势。基于Kalman拾取速度模型,以无量纲颗粒粒径和旋流强度为变量,得到5-15mm煤炭颗粒的拾取速度预测模型。
  重构煤炭颗粒离散元模型,数值研究煤炭颗粒与管壁互作用过程中的煤炭颗粒尺度损伤和管壁磨损规律。分别基于颗粒粘结法和颗粒重叠法研究上述两行为,从煤炭颗粒形状和流场结构两方面研究并揭示旋流场中煤炭颗粒破碎和管壁磨损规律。研究表明:煤炭颗粒与管壁的碰撞现象与煤炭颗粒的机械能波动一一对应,而煤炭颗粒的破碎程度与碰撞前后机械能变化的能量差正相关。煤炭颗粒通过弯头时,颗粒完整率随颗粒球形度增大而增大,两者关系符合二次多项式指数方程。旋流输送时煤炭颗粒完整率显著高于轴流工况。弯头转向对弯头管壁磨损有显著影响,磨损严重位置主要集中于外侧管壁的中部区域。随着颗粒球形度增大,弯头管壁平均磨损率均呈现倾斜“S”状变化,旋流输送时弯头管壁磨损率较轴流场有显著降低。
  在分析输送性能指标基础上,进行煤炭颗粒旋流气力输送性能试验,从输送能效和输送平稳性两方面研究旋流强度对输送性能的影响。以静压值、静压损失为指标从能量储备和测点间的储备能量消耗两个方面研究旋流强度对煤炭颗粒输送能效的影响,以静压波动标准差为指标研究旋流强度对煤炭颗粒输送平稳性的影响。研究表明:当切向流量比为0.2且输送气流速度低于40m/s时,旋流场内的静压值高于相同平均气流速度的轴流工况,有利于气流压力势能缓释和煤炭颗粒输送。绝对静压损失随着平均气流速度增大近似呈现线性增长,随着切向流量比的增大,其增长斜率呈增大趋势。相对静压损失均随着平均气流速度增大呈减小趋势,但切向流量比较大时,由平均气流速度增大导致的相对静压损失降低较缓慢。影响输送平稳性的因素主要有料仓储料量变化扰动、气源扰动、旋转给料器扰动以及噪声扰动,上述四种扰动因素在本文研究范围对应的频率区间分别为小于0.1Hz、0.1-1Hz、1-10Hz和10Hz以上,其中气源扰动和旋转给料器扰动作用最为显著。低气流速度中等旋流强度和高气流速度弱旋流强度工况时,旋流场输送平稳性优势显著。在输送管道前端,旋流工况输送平稳性更好,而在输送管道末端轴流场工况输送更平稳。
[硕士论文] 张明文
项目管理 武汉工程大学 2017(学位年度)
摘要:国内外矿山在提升作业中使用的提升机主要有单绳缠绕式提升机和多绳摩擦式提升机两种,使用的钢丝绳按种类分为首绳、尾绳、制动绳、稳绳几类。本文主要研究多绳摩擦式提升机中最难更换的首绳的更换方案。目前,大多数金属和非金属矿山采用的首绳更换方案多为建矿初期所采用的方案,由于涉及到安全、工期、现场设备、现场场地等等因素的局限,大多不愿意采用新的方案。近年来,技术革新很快,专用设备更新多,老方案在更换周期上,作业劳动强度上,作业安全方面,都有可以优化更改的空间。本文研究与探讨的主要意义在于总结目前大多数金属和非金属矿山使用的更换方案,逐个分析方案中的优缺点,并结合目前技术和专用设备的更新,对各个方案进行优化,达到单个方案最优,能对以后的金属和非金属矿山在多绳摩擦式提升机更换首绳作业中起到实实在在的指导作用。
[硕士论文] 江厚祥
机械工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:深井提升钢丝绳的疲劳和安全性问题直接关系着提升系统的可靠性,现在许多矿井的开采深度已经达到千米级别,但是钢丝绳的实际使用时间在许多矿井反馈显示都远小于《规程》要求的时间,经常出现提前破坏不得不更换钢丝绳的情形,这也给矿井生产带来困扰,所以研究深井提升钢丝绳的疲劳和安全性问题,可以为解决深井提升钢丝绳的使用时间短的问题提供建议和指导。
  本文以多绳摩擦提升系统为研究对象,首先计算了立井提升系统中提升钢丝绳的几个关键点的应力计算方法,然后分别对两个提升高度具有典型意义的矿井的应力作了数值计算。同时为了得到较为准确的钢丝绳的交变应力结果,对矿井的不同工况条件下的交变应力作了分析计算,得到在匀速工况下的到的交变应力的幅值范围是大于实际工况的应力幅值范围,所以它的结果可以代替实际工况来作应力分析。
  在应力分析的基础上,对提升钢丝绳作应力疲劳分析,疲劳分析的过程分为危险点的确定和交变应力的幅值对疲劳寿命的影响。分析的结果显示,在深井提升系统中,钢丝绳的疲劳寿命较短,基本在半年到一年左右,而浅井的钢丝绳能满足设计要求的使用寿命;同时交变应力的幅值大小也会影响钢丝绳的疲劳寿命,当应力幅值越大,钢丝绳疲劳寿命降低的越快;为让深井提升钢丝绳的使用时间更长,采取降低提升容器载重的办法,实现了对深井提升钢丝绳的使用时间的延长。
  提升钢丝绳的安全性问题一直是钢丝绳的设计选型的关注问题,我国传统的钢丝绳的选型上的安全系数的计算方法被普遍认为偏大,因此对国内和欧盟的钢丝绳的选型设计的方法作了分析,得出《规程》中的安全系数存在很大的余量区间,国外在钢丝绳的选型上主要是考虑钢丝绳的性能和使用的工况来选择,而不是采用传统的安全系数方法来选型。所以借鉴国外的经验提出新安全系数取值计算方法。
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