CN104866647B - 煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法，其特征是首先根据实测数据和结构图分别建立提升机系统和井塔的三维模型，将三维模型进行装配并导入ADAMS软件；将井塔结构的楼板、柱、梁等模型导入ANSYS软件划分网格，生成模态中性文件，替换ADAMS软件中的对应的板、柱、梁等刚体，形成刚柔耦合模型；根据驱动电机的运行曲线设置动力参数，设置仿真参数，进行振动耦合分析。本发明建立了一个耦合振动分析仿真平台，可以对类似井塔提升机系统的耦合振动进行分析，最终对系统进行运行安全评估和监测。

Description

煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法

技术领域

本发明涉及机械机构—建筑结构系统的仿真方法，特别是关于煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法。

背景技术

煤矿矿井提升系统是联系井下和地面重要的设备。矿井提升系统在启动运行过程中会产生较强烈的振动影响到附近的楼板甚至整个井塔结构；反之，井塔结构的振动又会引起提升设备的振动。因此，结构的振动与动力设备的振动是耦合的。针对这类问题，通常采用动态测试方法测量结构构件或设备的振动，并根据振动强度对安全性作出一定的评估。而数字仿真更多集中在设备机构的运动和井塔等建筑结构的模态特性上，多是单独割裂分析，而不是以设备与井塔为整体进行研究。实际上由于井塔结构提升系统的复杂性，耦合面不好确定等原因，国内外很少见到用动态模拟软件对结构与提升系统的耦合振动进行数字仿真的报道。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法，是因井塔和提升机机构本身的复杂性和两者结合的耦合面的难以确定性而导致的割裂仿真研究，从设备与井塔为整体研究对象出发，提供一个计算机仿真分析方法，克服割裂分析的缺点，可以进行耦合振动分析，并为系统的安全评估提供结论。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、利用Solidworks三维建模软件分别建立煤矿井塔与提升机的三维模型；

利用Solidworks软件根据煤矿井塔与提升机的实测数据和结构图，以及所定义的井塔提升机系统的三维实体模型中各构件的相关属性，分别建立煤矿井塔数字化模型与提升机数字化模型，利用所述煤矿井塔数字化模型和提升机数字化模型装配井塔提升机系统，获得所述井塔提升机系统数字化模型，将所述井塔提升机系统数字化模型保存为后缀为.x_t的交换文件；所述相关属性包括各构件的材质、质量和转动惯量；

步骤2、将步骤1中所获得的后缀为.x_t的交换文件导入MSC.ADAMS动力学分析软件，在MSC.ADAMS动力学分析软件中对所述井塔提升机系统中的各部件修改材质属性，并对各部件之间的连接关系施加相关约束，获得井塔提升机系统的刚性计算模型；

步骤3、利用ANSYS有限元软件，对井塔结构的刚性构件柔性化，建立井塔提升机系统的刚柔耦合模型；所述井塔结构的刚性构件为楼板、柱及梁构件；

步骤4、利用MSC.ADAMS动力学软件的宏命令建立提升机中提升钢丝绳的计算模型；所述提升机包括：电机、电机端联轴器、减速机、减速机端联轴器、提升滚筒、导向滚筒、提升钢丝绳和箕斗；所述提升机钢丝绳的计算模型选择离散短圆柱模型，各短圆柱之间添加bushing约束，弹性刚度按拉伸刚度、剪切刚度、扭转刚度和弯曲刚度分别计算设定值，阻尼系数按弹性刚度的1％设定；使用宏命令使提升钢丝绳缠绕在提升滚筒上，并且与箕斗连接，形成可仿真的提升机动力学计算模型；

步骤5、设置仿真驱动进行仿真分析；

在ADAMS软件中采用Step函数模拟电动机驱动轴的转速运行曲线，使提升滚筒的转动在一个周期内分别呈现加速、匀速和减速三个阶段；取提升机与楼板接触面的约束联接点作为动力响应分析点；对井塔提升机系统运行仿真，提取所述动力响应分析点的仿真数据进行分析。

本发明煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法的特点也在于：

所述步骤3中所述建立井塔提升机系统的刚柔耦合模型的方法是：利用ANSYS有限元软件将所述井塔结构的刚性构件进行有限元网格划分，并输出为可适用ADAMS动力学软件的后缀为.mnf的模态中性文件，通过模态中性文件替换相应的刚性构件形成柔性体，将所述井塔提升机系统的刚性计算模型转换为刚柔耦合模型。

所述步骤4中建立提升钢丝绳的计算模型是采用ADAMS动力学软件的宏命令文件建立离散的短圆柱模型代替钢丝绳。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明从系统的角度出发分析振动对结构的安全性的影响，便于把握安全评价的准确性；

2、本发明方法中充分考虑了结构的弹性，对井塔结构进行了柔性化处理，使得结论更加贴近实际情况。

3、本发明方法中考虑了提升机系统的钢丝绳关键部件的柔性化处理，选择了合适的钢丝绳模型，使得提升机的运动更符合实际情况。

4、本发明充分重视试验的结论，认为提升机的机械运动引起振动激励，使得井塔结构的振动反馈到提升机机构的运动中，形成振动的耦合现象，在建立计算模型时予以了体现。

5、本发明方法中驱动的添加是作用在驱动电机轴上，其运动规律是按电机的实测运行曲线编写函数，但不限于此类电机，其它电机均适用。

6、本发明方法中数据是以楼板上的有限个数的点的仿真分析数据结果来提取，但不限于此特别位置，其它位置的点的数据也可提取。

7、本发明方法有效地糅合了多种软件的优点，充分发挥各软件的优势，使得结构和机构的振动耦合分析成为可能，并成功解决了某煤矿的井塔安全性评价方案。

附图说明

图1为本发明所涉及井塔与提升机系统的仿真分析流程图；

图2为本发明所涉及井塔与提升机耦合系统结构示意图；

图中标号：1电机、2电机端联轴器、3减速机、4减速机端联轴器、5提升滚筒、6提升钢丝绳、7滚筒支座、8楼板、9导向滚筒。

具体实施方式

参见图1，本实施例中煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法是按如下步骤进行。

步骤1、利用Solidworks三维建模软件分别建立煤矿井塔与提升机的三维模型；

利用Solidworks软件根据煤矿井塔与提升机的实测数据和结构图，以及所定义的井塔提升机系统的三维实体模型中各构件的相关属性，分别建立煤矿井塔数字化模型与提升机数字化模型，利用所述煤矿井塔数字化模型和提升机数字化模型装配井塔提升机系统，获得所述井塔提升机系统数字化模型，将所述井塔提升机系统数字化模型保存为后缀为.x_t的交换文件，如jt-tsj.x_t文件；所述相关属性包括各构件的材质、质量和转动惯量。

如图2所示，提升机三维实体模型中各构件包括电机1、电机端联轴器2、减速机3、减速机端联轴器4、提升滚筒5、提升钢丝绳6、滚筒支座7和导向滚筒9；井塔三维实体模型中各构件包括楼板8、柱和梁。

步骤2、将步骤1中所获得的后缀为.x_t的交换文件导入MSC.ADAMS动力学分析软件，在MSC.ADAMS动力学分析软件中对所述井塔提升机系统中的各部件修改材质属性，并对各部件之间的连接关系施加相关约束，获得井塔提升机系统的刚性计算模型。

步骤3、利用ANSYS有限元软件，对井塔结构的刚性构件柔性化，建立井塔提升机系统的刚柔耦合模型；所述井塔结构的刚性构件为楼板、柱及梁构件；

具体实施中，建立井塔提升机系统的刚柔耦合模型的方法是：利用ANSYS有限元软件将所述井塔结构的刚性构件进行有限元网格划分，并输出为可适用ADAMS动力学软件的后缀为.mnf的模态中性文件，通过模态中性文件替换相应的刚性构件形成柔性体，将所述井塔提升机系统的刚性计算模型转换为刚柔耦合模型；模态中性文件包括柔性体的质量、质心、转动惯量、频率和振型信息。

具体操作为：打开ANSYS软件，选择文件菜单点击import选项，选择jt-beam1.x_t文件，形成实体模型，分别赋予材质，定义约束点和刚性区域，选择合适单元类型，划分有限元网格，计算后输出适合ADAMS软件的模态中性文件，如jt-beam1mnf文件。返回ADAMS软件界面，选择ADAMS.AVIEW/Flex插件，对jt-beam1.part部件，采用jt-beam1mnf替换jt-beam1.part的方式，形成jt-beam1flex柔性体。楼板、柱及梁构件的柔性化依次处理，最后将这些柔性体与提升机之间施加相关约束，形成柔性化的井塔结构与刚性提升机机构的刚柔耦合系统。

步骤4、利用MSC.ADAMS动力学软件的宏命令建立提升机中提升钢丝绳的计算模型；所述提升机包括：电机1、电机端联轴器2、减速机3、减速机端联轴器4、提升滚筒5、导向滚筒9、提升钢丝绳6和箕斗；所述提升机钢丝绳6的计算模型选择离散短圆柱模型，各短圆柱之间添加bushing约束，弹性刚度按拉伸刚度、剪切刚度、扭转刚度和弯曲刚度分别计算设定值，阻尼系数按弹性刚度的1％设定；使用宏命令使提升钢丝绳6缠绕在提升滚筒5上，并且与箕斗连接，形成可仿真的提升机动力学计算模型。

具体实施中，步骤4中建立提升钢丝绳的计算模型是采用ADAMS动力学软件的宏命令文件建立离散的短圆柱模型代替钢丝绳。

步骤5、设置仿真驱动进行仿真分析；

在ADAMS软件中采用Step函数模拟电动机驱动轴的转速运行曲线，使提升滚筒(5)的转动在一个周期内分别呈现加速、匀速和减速三个阶段；取提升机与楼板接触面的约束联接点作为动力响应分析点；对井塔提升机系统运行仿真，提取所述动力响应分析点的仿真数据进行分析。

Claims (3)

1.煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、利用Solidworks三维建模软件分别建立煤矿井塔与提升机的三维模型；

利用Solidworks软件根据煤矿井塔与提升机的实测数据和结构图，以及所定义的井塔提升机系统的三维实体模型中各构件的相关属性，分别建立煤矿井塔数字化模型与提升机数字化模型，利用所述煤矿井塔数字化模型和提升机数字化模型装配井塔提升机系统，获得所述井塔提升机系统数字化模型，将所述井塔提升机系统数字化模型保存为后缀为.x_t的交换文件；所述相关属性包括各构件的材质、质量和转动惯量；

步骤2、将步骤1中所获得的后缀为.x_t的交换文件导入MSC.ADAMS动力学分析软件，在MSC.ADAMS动力学分析软件中对所述井塔提升机系统中的各部件修改材质属性，并对各部件之间的连接关系施加相关约束，获得井塔提升机系统的刚性计算模型；

步骤3、利用ANSYS有限元软件，对井塔结构的刚性构件柔性化，建立井塔提升机系统的刚柔耦合模型；所述井塔结构的刚性构件为楼板、柱及梁构件；

步骤4、利用MSC.ADAMS动力学软件的宏命令建立提升机中提升钢丝绳的计算模型；所述提升机包括：电机(1)、电机端联轴器(2)、减速机(3)、减速机端联轴器(4)、提升滚筒(5)、导向滚筒(9)、提升钢丝绳(6)和箕斗；所述提升钢丝绳(6)的计算模型选择离散短圆柱模型，各短圆柱之间添加bushing约束，弹性刚度按拉伸刚度、剪切刚度、扭转刚度和弯曲刚度分别计算设定值，阻尼系数按弹性刚度的1％设定；使用宏命令使提升钢丝绳(6)缠绕在提升滚筒(5)上，并且与箕斗连接，形成可仿真的提升机动力学计算模型；

步骤5、设置仿真驱动进行仿真分析；

在MSC.ADAMS动力学软件中采用Step函数模拟电动机驱动轴的转速运行曲线，使提升滚筒(5)的转动在一个周期内分别呈现加速、匀速和减速三个阶段；取提升机与楼板接触面的约束联接点作为动力响应分析点；对井塔提升机系统运行仿真，提取所述动力响应分析点的仿真数据进行分析。

2.根据权利要求1所述的煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法，其特征是：所述步骤3中所述建立井塔提升机系统的刚柔耦合模型的方法是：利用ANSYS有限元软件将所述井塔结构的刚性构件进行有限元网格划分，并输出为可适用ADAMS动力学软件的后缀为.mnf的模态中性文件，通过模态中性文件替换相应的刚性构件形成柔性体，将所述井塔提升机系统的刚性计算模型转换为刚柔耦合模型。

3.根据权利要求1所述的煤矿井塔与提升机系统耦合振动计算机仿真分析方法，其特征是：所述步骤4中建立提升钢丝绳的计算模型是采用ADAMS动力学软件的宏命令文件建立离散的短圆柱模型代替钢丝绳。