CN109626177B - 一种矿井提升钢丝绳磨耗面积及其安全系数预测方法 - Google Patents

Abstract

一种矿井提升钢丝绳磨耗面积及其安全系数预测方法，属于矿井提升钢丝绳安全技术领域。本发明包括对钢丝绳磨耗面积以及对钢丝绳安全系数的预测方法；(1)依据提升系统参数，通过提升动力学计算提升过程中钢丝绳各位置的动张力；(2)对提升过程中钢丝绳内部钢丝间的微动参数进行计算；(3)结合微动参数和实验获取的钢丝磨损系数对钢丝的磨耗面积进行计算；(4)对所有钢丝磨耗面积求和获得钢丝绳的磨耗面积；(5)依据钢丝绳的横截面积减小量计算获得钢丝绳的安全系数。优点：本发明考虑了使用过程中钢丝绳的磨损，能够对提升过程中的矿井提升钢丝绳磨耗面积及其安全系数进行预测，获得随使用时间变化的钢丝绳实际承载面积及其安全系数。

Description

一种矿井提升钢丝绳磨耗面积及其安全系数预测方法

技术领域

本发明涉及矿井提升钢丝绳案安全技术领域，特别是一种矿井提升钢丝绳磨耗面积及其安全系数预测方法。

背景技术

目前，在矿井提升系统的设计阶段，仅能够从钢丝绳的结构、直径、破断力这几个方面对钢丝绳进行选择，缺少能够对服役期间提升钢丝绳磨损量和安全系数动态演化的定量预测方法，因而无法预测提升钢丝绳的服役寿命和使用可靠性。

提升钢丝绳连接着提升机和提升容器，担负着运输煤炭、生产设备和煤矿工作人员的任务，其承载强度和服役寿命直接关系到煤矿的正常生产和人员生命安全。在矿井提升过程中(上提和下放容器)，提升钢丝绳承受着动态变化的拉力作用，进而导致钢丝绳(钢丝绳由股捻制而成，而股由钢丝捻制而成)内部钢丝间或股间摩擦磨损现象，引起钢丝绳横截面积降低，使得提升钢丝绳的承载强度和安全储备系数(承载安全系数)降低。因此，提升钢丝绳磨损量和安全系数动态演化的定量预测方法，对矿井提升机的安全可靠运行具有重要意义。

已有文献资料大多针对钢丝绳的力学模型或钢丝绳内部钢丝的磨损或疲劳寿命进行研究，而将钢丝绳的力学模型与钢丝的磨损模型相关联，实现钢丝绳的磨损量及其安全系数的预测则尚未见有报道。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种矿井提升钢丝绳磨耗面积及其安全系数预测方法，能够对服役期间的矿井提升钢丝绳的磨损量及其承载安全系数进行预测，为矿井提升钢丝绳的选择及其使用安全可靠性提供依据。

本发明的目的是这样实现的：本发明包括：对钢丝绳磨耗面积以及对钢丝绳安全系数的预测方法；

(1)依据提升系统参数，通过提升动力学计算提升过程中钢丝绳各位置的动张力；

(2)对提升过程中钢丝绳内部钢丝间的微动参数进行计算，所述的微动参数为接触载荷和相对滑移量；

(3)结合微动参数和实验获取的钢丝磨损系数对钢丝的磨耗面积进行计算；

(4)对所有钢丝磨耗面积求和获得钢丝绳的磨耗面积；

(5)依据钢丝绳的横截面积减小量计算获得钢丝绳的安全系数；

对钢丝绳的磨耗面积及其安全系数进行预测，为矿井提升钢丝绳的选择及其使用安全可靠性提供依据。

钢丝绳磨耗面积预测方法的具体步骤如下：

(1)根据公式(1)和(2)计算摩擦轮切点位置提升端与下放端钢丝绳的动张力；

式中，E为钢丝绳弹性模量，A为钢丝总断面积，m₁、m₂未终端质量，g为重力加速度，a为提升加(减)速度，ρ为钢丝绳每米质量，L₁、L₂为上提与下放侧容器距摩擦轮切点处距离，v为提升容器提升速度，S₁、S₂为摩擦轮切点处提升端与下放端钢丝绳张力；

(2)忽略钢丝绳惯性力的影响，计算钢丝绳任意位置的动张力；

S_1x(2x)＝S₁₍₂₎-ρ·x·g 公式(3)

式中，S_x为与摩擦轮切点处距离x米处提升钢丝绳张力，ρ为钢丝绳每米质量，g为重力加速度，S₁、S₂为摩擦轮切点处提升端与下放端钢丝绳张力；

(3)根据步骤(2)所得钢丝绳动张力，计算钢丝绳内部每根钢丝所受拉力；

式中，F为钢丝绳所受拉力，F_kl为第l股第k丝层钢丝所受拉力，β_l为绳股捻角，α_kl为第l股k丝层钢丝捻角，E_kl为第l股k丝层钢丝弹性模量，A_kl为第l股k丝层钢丝横截面积，n_s为绳股层数，j为绳股层，Z_j为j层绳股中绳股数，β_j为j层绳股捻角，n_wj为j层绳股中钢丝层数，Z_ij为j股i丝层钢丝数，α_ij为j股i丝层钢丝捻角，E_ij为j股i丝层钢丝弹性模量，A_ij为j股i丝层钢丝横截面积；

(4)绳股内所有钢丝在股轴线上拉力分量的和为绳股所受拉力；

式中，F_j为j层绳股所受拉力，F_ij为第i股第j丝层钢丝所受拉力，α_ij为第i股j丝层钢丝捻角，n_wj为j层绳股中钢丝层数，Z_ij为j股i丝层钢丝数；

(5)在拉力作用下，假设与容器连接端钢丝绳应变为零，则距离容器y处钢丝伸长量为：

式中，S_y为距离容器y处的钢丝绳张力，ρ为钢丝绳每米质量，β_l为绳股捻角，α_kl为第l股k丝层钢丝捻角，E_kl为第l股k丝层钢丝弹性模量，A_kl为第l股k丝层钢丝横截面积，n_s为绳股层数，j为绳股层，Z_j为j层绳股中绳股数，β_j为j层绳股捻角，n_wj为j层绳股中钢丝层数，Z_ij为j股i丝层钢丝数，α_ij为j股i丝层钢丝捻角，E_ij为j股i丝层钢丝弹性模量，A_ij为j股i丝层钢丝横截面积；

(6)依据每根钢丝伸长量，计算相邻钢丝间的相对位移；

式中，ΔSP为钢丝间相对滑移，δ_kl为l股k层钢丝直径，ε_kl为l股k丝层钢丝的应变，γ_kl为l股k层钢丝旋转角，γ_l为l层绳股旋转角，μ为钢丝泊松比；

(7)在拉力的作用下，钢丝绳内部钢丝间将产生接触载荷；

式中，P为钢丝间接触载荷，α_kl为第l股第k丝层钢丝捻角，为松捻角，其值与外层钢丝的捻角α_(k+1)l有关；一般计算时，当α_(k+1)l≤6°时，当6°≤α_(k+1)l≤12°时，当α_(k+1)l≥12°时，F_s为螺旋股所受拉力，β₁为螺旋股捻角，θ_S、θ_R分别为arctan(L_S/π·d_CS)、arctan(L_R/π·d_CS)，Z_s2为螺旋股最外层钢丝数，L_R为钢丝绳捻距，L_S为绳股捻距，d_CS为直股外切圆直径；

(8)基于Archard磨损理论公式，提出总磨耗面积WA的理论预测模型

WA＝k₁·k₂·k₃·P·ΔSP·ω·N

＝k·P·ΔSP·ω·N 公式(14)

式中,WA为两接触钢丝总磨耗面积，k₁、k₂、k₃分别为与接触载荷、相对滑移、交叉捻角相关的磨损系数，P为接触载荷，ΔSP为接触钢丝间相对滑移，ω为接触钢丝交叉角，N为循环次数；

(9)将上述计算钢丝绳内部钢丝间的接触载荷、相对滑移及实验所得磨损系数和钢丝间的交叉角代入公式(14)，可得不同循环次数下接触钢丝对的磨耗面积，对所有接触钢丝对的磨耗面积求和可得不同提升次数下钢丝绳总断面积的减小量；

钢丝绳安全系数预测方法的具体步骤如下：

(1)参考《煤矿安全规程》，依据钢丝绳总断面积的减小量提出钢丝绳承载安全系数

式中，S_a为提升钢丝绳承载安全系数，S₀为提升钢丝绳初始安全系数，A为钢丝绳横截面积，ΔA为钢丝绳磨耗面积。

(2)将上述钢丝绳总断面积减小量代入公式(15)可得不同提升次数下钢丝绳的安全系数。

有益效果，由于采用了上述方案，实现了提升过程中钢丝绳的磨耗面积及其安全系数预测，提高了矿井提升钢丝绳实际承载面积及其安全系数的准确度，为矿井提升钢丝绳的选择及其使用安全可靠性提供了依据。

优点：本发明考虑了使用过程中钢丝绳的磨损，能够对提升过程中的矿井提升钢丝绳磨耗面积及其安全系数进行预测，获得随使用时间变化的钢丝绳实际承载面积及其安全系数。

附图说明

图1为钢丝绳动张力的计算流程图。

图2为计算所得钢丝绳动张力示意图。

图3为钢丝的缠绕弧长演化示意图。

图4为钢丝绳磨耗面积随使用时间演化示意图。

图5为钢丝绳安全系数随使用时间演化示意图。

具体实施方式

对钢丝绳磨耗面积以及对钢丝绳安全系数的预测方法；

(1)依据提升系统参数，通过提升动力学计算提升过程中钢丝绳各位置的动张力；

(2)对提升过程中钢丝绳内部钢丝间的微动参数进行计算，所述的微动参数为接触载荷和相对滑移量；

(3)结合微动参数和实验获取的钢丝磨损系数对钢丝的磨耗面积进行计算；

(4)对所有钢丝磨耗面积求和获得钢丝绳的磨耗面积；

(5)依据钢丝绳的横截面积减小量计算获得钢丝绳的安全系数；

对钢丝绳的磨耗面积及其安全系数进行预测，为矿井提升钢丝绳的选择及其使用安全可靠性提供依据。

钢丝绳磨耗面积预测方法的具体步骤如下：

(1)根据公式(1)和(2)计算摩擦轮切点位置提升端与下放端钢丝绳的动张力；

式中，E为钢丝绳弹性模量，A为钢丝总断面积，m₁、m₂未终端质量，g为重力加速度，a为提升加(减)速度，ρ为钢丝绳每米质量，L₁、L₂为上提与下放侧容器距摩擦轮切点处距离，v为提升容器提升速度，S₁、S₂为摩擦轮切点处提升端与下放端钢丝绳张力；

(2)忽略钢丝绳惯性力的影响，计算钢丝绳任意位置的动张力；

S_1x(2x)＝S₁₍₂₎-ρ·x·g 公式(3)

式中，S_x为与摩擦轮切点处距离x米处提升钢丝绳张力，ρ为钢丝绳每米质量，g为重力加速度，S₁、S₂为摩擦轮切点处提升端与下放端钢丝绳张力；

(3)根据步骤(2)所得钢丝绳动张力，计算钢丝绳内部每根钢丝所受拉力；

式中，F为钢丝绳所受拉力，F_kl为第l股第k丝层钢丝所受拉力，β_l为绳股捻角，α_kl为第l股k丝层钢丝捻角，E_kl为第l股k丝层钢丝弹性模量，A_kl为第l股k丝层钢丝横截面积，n_s为绳股层数，j为绳股层，Z_j为j层绳股中绳股数，β_j为j层绳股捻角，n_wj为j层绳股中钢丝层数，Z_ij为j股i丝层钢丝数，α_ij为j股i丝层钢丝捻角，E_ij为j股i丝层钢丝弹性模量，A_ij为j股i丝层钢丝横截面积；

(4)绳股内所有钢丝在股轴线上拉力分量的和为绳股所受拉力；

式中，F_j为j层绳股所受拉力，F_ij为第i股第j丝层钢丝所受拉力，α_ij为第i股j丝层钢丝捻角，n_wj为j层绳股中钢丝层数，Z_ij为j股i丝层钢丝数；

(5)在拉力作用下，假设与容器连接端钢丝绳应变为零，则距离容器y处钢丝伸长量为：

式中，S_y为距离容器y处的钢丝绳张力，ρ为钢丝绳每米质量，β_l为绳股捻角，α_kl为第l股k丝层钢丝捻角，E_kl为第l股k丝层钢丝弹性模量，A_kl为第l股k丝层钢丝横截面积，n_s为绳股层数，j为绳股层，Z_j为j层绳股中绳股数，β_j为j层绳股捻角，n_wj为j层绳股中钢丝层数，Z_ij为j股i丝层钢丝数，α_ij为j股i丝层钢丝捻角，E_ij为j股i丝层钢丝弹性模量，A_ij为j股i丝层钢丝横截面积；

(6)依据每根钢丝伸长量，计算相邻钢丝间的相对位移；

式中，ΔSP为钢丝间相对滑移，δ_kl为l股k层钢丝直径，ε_kl为l股k丝层钢丝的应变，γ_kl为l股k层钢丝旋转角，γ_l为l层绳股旋转角，μ为钢丝泊松比；

(7)在拉力的作用下，钢丝绳内部钢丝间将产生接触载荷；

式中，P为钢丝间接触载荷，α_kl为第l股第k丝层钢丝捻角，为松捻角，其值与外层钢丝的捻角α_(k+1)l有关；一般计算时，当α_(k+1)l≤6°时，当6°≤α_(k+1)l≤12°时，当α_(k+1)l≥12°时，F_s为螺旋股所受拉力，β₁为螺旋股捻角，θ_S、θ_R分别为arctan(L_S/π·d_CS)、arctan(L_R/π·d_CS)，Z_s2为螺旋股最外层钢丝数，L_R为钢丝绳捻距，L_S为绳股捻距，d_CS为直股外切圆直径；

(8)基于Archard磨损理论公式，提出总磨耗面积WA的理论预测模型

WA＝k₁·k₂·k₃·P·ΔSP·ω·N

＝k·P·ΔSP·ω·N 公式(14)

式中,WA为两接触钢丝总磨耗面积，k₁、k₂、k₃分别为与接触载荷、相对滑移、交叉捻角相关的磨损系数，P为接触载荷，ΔSP为接触钢丝间相对滑移，ω为接触钢丝交叉角，N为循环次数；

(9)将上述计算钢丝绳内部钢丝间的接触载荷、相对滑移及实验所得磨损系数和钢丝间的交叉角代入公式(14)，可得不同循环次数下接触钢丝对的磨耗面积，对所有接触钢丝对的磨耗面积求和可得不同提升次数下钢丝绳总断面积的减小量；

钢丝绳安全系数预测方法的具体步骤如下：

(1)参考《煤矿安全规程》，依据钢丝绳总断面积的减小量提出钢丝绳承载安全系数

式中，S_a为提升钢丝绳承载安全系数，S₀为提升钢丝绳初始安全系数，A为钢丝绳横截面积，ΔA为钢丝绳磨耗面积。

(2)将上述钢丝绳总断面积减小量代入公式(15)可得不同提升次数下钢丝绳的安全系数。

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

首先，依据图1所示钢丝绳动张力计算流程图，将提升系统的参数(钢丝绳弹性模量、钢丝总断面积、终端质量、重力加速度、提升加速度、钢丝绳质量、提升速度等)代入公式(1)-(3)，求解获得图2所示不同位置钢丝绳的动张力。

S_1x(2x)＝S₁₍₂₎-ρ·x·g 公式(3)

获得任意位置钢丝绳的动张力后，将该动张力代入公式(4)-(6)，可分别获得每根钢丝的拉力、每个绳股的拉力及每根钢丝的伸长量。

依据钢丝的伸长量，可以获得图3所示钢丝的缠绕弧长及钢丝的应变，结合公式(7)-(10)可得钢丝间的相对滑移量。

获取钢丝及绳股的拉力后，将拉力值代入公式(11)-(13)可得钢丝间的接触载荷。

采用钢丝微动磨损实验机进行钢丝磨损实验，对不同交叉角、接触载荷及相对滑移条件下的钢丝磨损量进行测量，可获得钢丝的磨损系数k。

结合计算所得的钢丝间接触载荷、相对滑移量等参数和公式(14)可获得钢丝绳内部钢丝在不同循环次数下钢丝的磨损量，对钢丝绳内部所有钢丝的磨损量进行求和，即可获得图4所示钢丝绳的磨耗面积。对钢丝绳的磨损量最大值进行规定，当钢丝绳的磨耗面积达到一定时，钢丝绳应当报废。

WA＝k₁·k₂·k₃·P·ΔSP·ω·N

＝k·P·ΔSP·ω·N 公式(14)

将钢丝绳的磨耗面积、初始总断面积及初始安全系数代入公式(15)可获得图5所示钢丝绳的实际安全系数，依据相应的报废标准，可预测钢丝绳的使用寿命。

本发明的具体运用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种矿井提升钢丝绳磨耗面积及其安全系数预测方法，其特征是：包括对钢丝绳磨耗面积以及对钢丝绳安全系数的预测方法；

(1)依据提升系统参数，通过提升动力学计算提升过程中钢丝绳各位置的动张力；

(2)对提升过程中钢丝绳内部钢丝间的微动参数进行计算，所述的微动参数为接触载荷和相对滑移量；

(3)结合微动参数和实验获取的钢丝磨损系数对钢丝的磨耗面积进行计算；

(4)对所有钢丝磨耗面积求和获得钢丝绳的总磨耗面积；

(5)依据钢丝绳的横截面积减小量计算获得钢丝绳的安全系数；

对钢丝绳的磨耗面积及其安全系数进行预测，为矿井提升钢丝绳的选择及其使用安全可靠性提供依据。

2.根据权利要求1所述的一种矿井提升钢丝绳磨耗面积及其安全系数预测方法，其特征是：钢丝绳磨耗面积预测方法的具体步骤如下：

(1)根据公式(1)和(2)计算摩擦轮切点位置提升端与下放端钢丝绳的动张力；

式中，E为钢丝绳弹性模量，A为钢丝总断面积，m₁、m₂为终端质量，g为重力加速度，a为提升加(减)速度，ρ为钢丝绳每米质量，L₁、L₂为上提与下放侧容器距摩擦轮切点处距离，v为提升容器提升速度，S₁、S₂为摩擦轮切点处提升端与下放端钢丝绳张力；

(2)忽略钢丝绳惯性力的影响，计算钢丝绳任意位置的动张力；

S_1x＝S₁-ρ·x·g；S_2x＝S₂-ρ·x·g公式(3)

式中，S_x为与摩擦轮切点处距离x米处提升钢丝绳张力，ρ为钢丝绳每米质量，g为重力加速度，S₁、S₂为摩擦轮切点处提升端与下放端钢丝绳张力；

(3)根据步骤(2)所得钢丝绳动张力，计算钢丝绳内部每根钢丝所受拉力；

式中，F为钢丝绳所受拉力，F_kl为第l股第k丝层钢丝所受拉力，β_l为绳股捻角，α_kl为第l股k丝层钢丝捻角，E_kl为第l股k丝层钢丝弹性模量，A_kl为第l股k丝层钢丝横截面积，n_s为绳股层数，j为绳股层，Z_j为j层绳股中绳股数，β_j为j层绳股捻角，n_wj为j层绳股中钢丝层数，Z_ij为j股i丝层钢丝数，α_ij为j股i丝层钢丝捻角，E_ij为j股i丝层钢丝弹性模量，A_ij为j股i丝层钢丝横截面积；

(4)绳股内所有钢丝在股轴线上拉力分量的和为绳股所受拉力；

式中，F_j为j层绳股所受拉力，F_ij为第i股第j丝层钢丝所受拉力，α_ij为第i股j丝层钢丝捻角，n_wj为j层绳股中钢丝层数，Z_ij为j股i丝层钢丝数；

(5)在拉力作用下，假设与容器连接端钢丝绳应变为零，则距离容器y处钢丝伸长量为：

式中，S_y为距离容器y处的钢丝绳张力，ρ为钢丝绳每米质量，β_l为绳股捻角，α_kl为第l股k丝层钢丝捻角，E_kl为第l股k丝层钢丝弹性模量，A_kl为第l股k丝层钢丝横截面积，n_s为绳股层数，j为绳股层，Z_j为j层绳股中绳股数，β_j为j层绳股捻角，n_wj为j层绳股中钢丝层数，Z_ij为j股i丝层钢丝数，α_ij为j股i丝层钢丝捻角，E_ij为j股i丝层钢丝弹性模量，A_ij为j股i丝层钢丝横截面积；

(6)依据每根钢丝伸长量，计算相邻钢丝间的相对位移；

式中，ΔSP为钢丝间相对滑移，δ_kl为l股k层钢丝直径，ε_kl为l股k丝层钢丝的应变，γ_kl为l股k层钢丝旋转角，γ_l为l层绳股旋转角，μ为钢丝泊松比；

(7)在拉力的作用下，钢丝绳内部钢丝间将产生接触载荷；

式中，P为钢丝间接触载荷，α_kl为第l股第k丝层钢丝捻角，为松捻角，其值与外层钢丝的捻角α_(k+1)l有关；一般计算时，当α_(k+1)l≤6°时，当6°≤α_(k+)1l≤12°时，当α_(k+1)l≥12°时，F_s为螺旋股所受拉力，β₁为螺旋股捻角，θ_S、θ_R分别为arctan(L_S/π·d_CS)、arctan(L_R/π·d_CS)，Z_s2为螺旋股最外层钢丝数，L_R为钢丝绳捻距，L_S为绳股捻距，d_CS为直股外切圆直径；

(8)基于Archard磨损理论公式，提出总磨耗面积WA的理论预测模型

WA＝k₁·k₂·k₃·P·ΔSP·ω·N

＝k·P·ΔSP·ω·N 公式(14)

式中,WA为两接触钢丝总磨耗面积，k₁、k₂、k₃分别为与接触载荷、相对滑移、交叉捻角相关的磨损系数，P为接触载荷，ΔSP为接触钢丝间相对滑移，ω为接触钢丝交叉角，N为循环次数；

(9)将上述计算钢丝绳内部钢丝间的接触载荷、相对滑移及实验所得磨损系数和钢丝间的交叉角代入公式(14)，可得不同循环次数下接触钢丝对的磨耗面积，对所有接触钢丝对的磨耗面积求和可得不同提升次数下钢丝绳总断面积的减小量；

钢丝绳安全系数预测方法的具体步骤如下：

(1)依据钢丝绳总断面积的减小量提出钢丝绳承载安全系数

式中，S_a为提升钢丝绳承载安全系数，S₀为提升钢丝绳初始安全系数，A为钢丝绳横截面积，ΔA为钢丝绳磨耗面积；

(2)将上述钢丝绳总断面积减小量代入公式(15)可得不同提升次数下钢丝绳的安全系数。