典型工况下垂直救援车载提升系统动力学分析.pdf

第 4 3卷 第 1 2 期 2 0 1 7年 1 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Au t oma t i on V0 1 ． 43 NO ． 1 2 De c ． 2 0 1 7 ．_l’ ’ ’ 实 验研究 ．⋯ ．1 ．⋯ ◆ 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 1 2 0 0 4 4 0 4 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ i ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 7 ． 1 2 ． 0 0 9 典型工况下垂直救援车载提升系统动力学分析 曾跃 翔 一， 杨 兆建 ， 王淑 平 ， 谢 嘉成 ， 温毅 I ． 太 原理 工大 学 机械 工程 学 院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 煤 矿综采 装备 山西 省重 点实 验 室 ，山西 太 原0 3 0 0 2 4 摘 要 介 绍 了垂 直救 援 车载提 升 系统组 成 及 工作 原 理 ； 采 用 UG 建 立 了垂 直救 援 车 载提 升 系统 三 维模 型 ， 并将三维模型导入 AD AMS中构建了系统动力学模型； 利用动力学模型模拟 了系统在救援舱 空载下放 、 救援舱 重载提 升 、 救援舱 紧急制 动 、 钢 丝 绳过放 等典 型 工况 下钢 丝 绳 受 力及救 援舱 与地 面的碰 撞 力情 况 ， 为 系统设 备 选型和 设计提 供 了理 论依 据 。 关 键词 紧急救援 ；垂直救 援 ；车载提 升 系统 ； 动 力 学 ； 钢 丝绳 ； 救 援舱 中图分类 号 T D7 7 4 ／ 4 0 1 文献标 志 码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 1 2 0 6 1 4 1 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 1 2 0 5 ． 1 7 4 9 ． 0 1 6 ． h t ml Dy n a mi c s a n a l y s i s o f v e r t i c a l r e s c ue v e h i c l e mo un t e d h o i s t i n g s y s t e m un d e r t y p i c a l wo r k i ng c o n di t i o ns Z E NG Yu e x i a n g 一． YANG Z h a o j i a n 一， WANG S h u p i n g 一， XI E J i a c h e n g 一， WEN Yi ’ 。 1． Col l e ge o f M e c ha n i c a l Eng i ne e r i n g，Ta i y ua n U n i ve r s i t y o f Te c hno l o gy，Ta i y ua n 03 0 02 4，Chi na； 2 ． S h a n x i Ke y La b o r a t o r y o f F u l l y M e c h a n i z e d C o a l Mi n i n g Eq u i p me n t ，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4 ，Ch i n a Ab s t r a c t Co mpo s i t i o n a nd wor ki n g p r i nc i pl e of ve r t i c a l r e s c ue ve h i c l e mo un t e d hoi s t i ng s y s t e m we r e i n t r od uc e d．A 3 D mod e 1 o f t he s ys t e m wa s b ui l t b y u s e o f UG ，whi c h wa s i nt r o du c e d i n t o ADA M S t o bu i l d dy n a m i c s mo de l o f t he s y s t e m ．W i r e r o pe t e ns i o n a nd c o l l i s i o n f o r c e b e t we e n r e s c u e c a ps ul e a n d g r ou nd o f t h e s ys t e m un de r t yp i c a l wor ki ng c on di t i o ns s u c h a s n o l o a d l o we r i n g o f r e s c ue c a ps ul e，he a v y l oa d l i f t i ng o f r e s c u e c a p s u l e， e m e r ge n c y br a ki ng o f r e s c ue c a p s u l e an d o v e r l o we r i ng o f wi r e r op e we r e s i m ul a t e d， whi c h p r o vi d e t he or e t i c a l b a s i s f o r s e l e c t i o n a nd d e s i g n of t h e s ys t e m ． Ke y wo r d s e me r ge nt r e s c ue；v e r t i c a l r e s c u e；v e hi c l e - m o u nt e d hoi s t i n g s y s t e m ；d y na m i c s；wi r e r op e； r e s c ue c a ps ul e 0 引言 受地质条 件、 开采技 术和设备 、 人为 因素等影 响， 矿难事故时有发生Ⅲ 。 进救援 技术 快 速 发 展 ， 给养 、 通 信 等， 有 效 保 证 近年来 ， 地 面快 速垂 直钻 可 为 被 困人 员 提 供 通 风 、 被 困 人 员 生 命 安 全 ， 如 收稿 日期 2 0 1 7 ～ 0 7 1 1 ； 修回 日期 2 0 1 7 1 0 2 4 ； 责任编辑 盛男。 基金项 目 山西省科技 重大专项项 目 2 0 1 1 1 1 0 1 0 4 0 ； 2 0 1 6年度山西省重点研 发计划项 目 2 0 1 6 0 3 0 3 2 1 1 1 4 作者简介 曾跃翔 1 9 8 9 一 ， 男 ， 山西原平人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为机械结构 与系统动力学 ， E ma i l 3 1 5 6 7 4 2 7 8 q q ． c 0 m。通信 作者 杨兆建 1 9 5 5 一 ， 男 ， 河北保定人 ， 教 授 ， 博 士 ， 研 究方 向为机 械结 构与 系统 动 力学 、 基 于网络 的 现代 设计 、 机 械产 品 的虚 拟现 实 设计 ， E- ma i l y a n g z h a o j i a n t y u t ． e du ． c n。 引用格式 曾跃翔 ， 杨兆建 ， 王淑平 ， 等． 典型工 况下垂 直救援 车载提升系统动力学分析[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 2 4 4 4 7 ． Z E NG Y u e x i a n g ， YANG Z h a o j i a n ， W ANG S h u p i n g ， e t a 1 ． Dy n a mi c s a n a l y s i s o f v e r t i c a l r e s c a e v e h i c l e mo u n t e d h o i s t i n g s y s t e m u n d e r t y p i c a l wo r k i n g c o n d i t i o n s [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 7 ， 4 3 1 2 4 4 4 7 ． 2 0 1 7年 第 1 2期 曾跃翔 等 典 型 工况 下垂 直救援 车载提 升 系统 动 力学分析 4 5 2 0 1 0年智 利矿 难 ㈣ 、 2 0 1 5年 中 国 山东 平 邑石 膏 矿 难【 救援 过程 中均 使用 地 面 快 速 垂 直 钻进 救援 技 术并取 得 了成功 。垂 直救援 车 载提 升系 统 以地 面快 速 垂直 钻进 救 援 技 术 为依 托 l 8 1 0 ] ， 其 优 点 在 于 发 生 矿 难后 ， 救援 设 备可 随车赶 往事 故地 点 ， 省去设 备 装 车 、 拆卸 、 安 装等 过 程 ， 避 免救 援 现 场 地 形 因 素 对设 备 放置 的影 Ⅱ 向[ 1 ， 可 极 大 减 少 救 援 前 期 准 备 工 作 ， 节 省抢 险救 援时 间 ， 提 高救 援成 功率 。 垂 直救 援车 载提 升系统 主要 通过 钢 丝绳下 放救 援舱 进 行提 人救 援 【 ⋯ ， 钢丝 绳 和救 援 舱 对 系 统 安 全性 起 着非 常重要 的作 用 。本 文建立 了垂 直救 援 车 载 提升 系统 动力 学 模 型 ， 利用 动 力 学 模 型 模 拟 了系 统 在典 型工 况下 钢丝绳 受 力和救 援舱 着地 时 与地 面 的碰撞 力 ， 可为 系统 中钢 丝绳 和救 援 舱 底 部 缓 冲 器 的选 型提供 依据 。 1 系统 组成 与典 型 工况 垂 直 救援 车载 提 升 系统 主要 由 车载 平 台 、 电 动 机 、 减速 器 、 卷筒 、 钢 丝 绳 、 液 压站 、 井架 、 电控 台 、 救 援舱 等组 成 。系 统 工作 原 理 与 矿 井 提 升机 类 似 ， 卷 筒 主要 负责 缠绕 钢 丝绳 ， 钢丝 绳 通 过 井 架 上 的 天 轮 与救 援 舱连 接 ， 通 过 电动机 控制 卷筒 转 向 ， 达 到提 升 或 下放救 援 舱 的 目的 。救 援 过 程 中有 4种 典 型 工 况 救援 舱空 载下 放 、 救 援 舱 重 载 提 升 、 救 援 舱 紧急 制 动 、 钢 丝绳 过放 。 2系统 动 力学模 型 2 ． 1 三 维 模 型 利用 UG8 ． 0软 件 建 立垂 直 救 援 车 载 提 升 系统 三维模 型 。 由于 系统结 构 复杂 、 设 备 繁多 ， 建模 时可 省 略一些 对模 型 整 体结 构 、 仿 真 过 程 影 响 很 小 的部 件 ， 如非 关键 部位 的螺 栓 、 螺 母 等 ， 这 样 可 提 高 仿 真 效 率 。在 建模 过程 中 ， 先创 建单 个部 件模 型 ， 再 根据 系统构成 进 行装配 。 2 ． 2 动力 学模 型 将 UG 中建 立 的j 维 模 型保 存 为 P a r a s o l i d格 式后 导入 A DAMS中。AD AMS中的 C a b l e 模 块有 离散 型 和简 化 型_ 】 】 ， 由 于钢 丝绳 较 长 ， 所 以选 取 简 化 型钢丝 绳 模 型 。设 置 滑 轮 个 数 为 2 ， 根 据 现 场 情 况将 其 中一个 滑 轮 固定 在 天 轮 位 置 ， 另 一个 滑轮 固 定 在卷筒 主轴 上 ， 这 样 可仿 真 钢 丝 绳 缠 绕 卷 筒 的运 动 。钢丝 绳 的一个 锚 点 连 接 在 救 援舱 上 部 ， 另一 个 锚 点连接 在 滑轮上 。救 援舱 和救 援舱 底部 缓 冲器材 料 的准确 性对 仿真 结 果 影 响 较 大 ， 应 确 保救 援 舱 和 缓 冲器材 料与 实际 基 本相 符 ． 因此 在 AD AMS中将 救援 舱材 料设 置为 钢 ， 将 缓 冲 器 材料 设 置 为 接近 聚 氨酯 的 g l a s s f i b e r p l a s t i c 。同时 设置 救援 舱 中人员 质量 为 1 O O k g ， 救援 舱质量 为 5 0 0 k g 。为准 确仿 真 救援 舱 着地情 况 ， 将 缓 冲器 与 地 面 的接 触 类 型定 义 为 c o n t a c t 接 触 。在 卷 筒 E建 立 旋 转 副 ， 被 救 人 员 与救 援舱 建立 固定 副 ， 其 余部 件与地 面建 立 同定副 。 为 卷筒 的旋转 副添 加驱 动 ， 根 据不 同工况 ， 编写 不 同 的驱 动 函数 ， 驱 动 甬数 类 型 为 S T E P函数 。垂直 救 援 车载提 升 系统动 力学模 型 如图 1 所示 。 图 1 垂 直 救 援 年 载 提 升 系 统 动 力 学模 型 Fi g．I Dy na mi c s mo de l o f ve r t i c a l r e s c u e v e hi c l e mou nt e d hoi s t i n g s y s t e m 3 系统 动 力学仿 真及分 析 3 ． 1 救 援舱 空载 下放 救援 舱空 载下 放过 程 主要 分为 5个阶段 ① 以 0 ． 2 5 m／ s 匀速 下 降 ； ② 匀 加速 至 2 m／ s ； ③ 匀速 运 动 ； ④ 匀减速 至 0 ． 2 5 m／ s ； ⑤ 救 援舱 着地 停止 。仿 真时 设置 救援 舱下 放 速 度 如 图 2所 示 ， 在 该 速度 下 钢丝 绳受 力 、 救 援 舱 与地 面 碰 撞 力仿 真 结 果 分别 如 图 3 、 图 4 所 示 。从 图 3可 看 出 。 在 仿 真过 程 中钢 丝 绳受 力总 体较 稳定 ， 波动 幅度 较小 ， 表 明救 援舱下 放 过程 较平 稳 ， 且 钢 丝 绳 最 大 受 力 约 为 5 k N。 从 图 4 可看 出 ， 救援舱 底 部与地 面接 触时 ， 救援舱 底部 与地 面碰 撞力 突然增 大 至 7 ． 1 k N。 2 2 重I ＼ 簧一 g - - 【 1 0 l 0 2【 J j U 4【 】 I J 6U 7 U O 1 0 U 时间／ s 图 2救援 舱下放速度 Fi g． 2 Lowe r i ng s pe e d o f r e s c ue c a ps ul e 3 ． 2救援 舱 重栽提 升 救援 舱重 载提 升过 程 同样分 为 5个 阶段 ① 以 0 ． 2 5 m／ s 匀速 上升 ； ② 匀加 速至 2 m／ s ； ③ 匀速运 4 6 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 ＼ 霹 1 器 图 3 救援舱下 放过 程钢丝绳受力 Fi g． 3 W i r e r ope t e n s i on du r i ng l o we r i n g o f r e s c ue c a p s ul e 7 6 髫 1 U l U Z0 j U 40 U 60 7 0 U 9 0 l U O 时 间／ s 图 4 救援舱 与地 面碰撞力 Fi g ．4 Co l l i s i o n f or c e be t we e n r e s c ue c a p s ul e a nd gr ou nd 动 ； ④ 匀 减 速 至 0 ． 2 5 m／ s ； ⑤ 救 援 舱 出 井 口后 停 止 。仿 真时设 置 救援 舱 提 升 速 度 如 图 5所 示 ， 在该 速 度下 钢丝 绳受 力仿 真结 果如 图 6所示 。从 图 6可 看 出 ， 在 仿 真开 始 时 ， 钢 丝绳 受 到 一 个 较 小 的 力 ， 这 是因为救援舱底部与地面接触产生形变 ， 导致钢丝 绳 受力 ； 随后 钢丝 绳受 力增 大且 趋 于稳定 ， 钢 丝绳 最 大受力 约 为 6 ． 1 k N。 喜 一 。 ＼ 孵 划 耀 时间／ 图 5 救援舱提升速度 F i g ． 5 Li f t i n g s p e e d o f r e s c u e c a p s u l e 图 6 救援舱提升过程钢丝绳受力 Fi g ． 6 W i r e r o p e t e n s i o n d u r i n g l i f t i n g o f r e s c u e c a p s u l e 3 ． 3救援 舱 紧急制 动 设置 5 0 S 时救援舱在提 升 、 下放过程 中以 2 m／ s 的最大 速度运行 时进行 紧急制 动 ， 制动 时间为 0 ． 5 S ， 此时 钢 丝 绳 受 力 仿 真 结 果 分 别 如 图 7 、 图 8所 示 。 可看 出救援 舱在 下放 过程 中紧急制 动 时钢丝 绳受 力 最 大 ， 达 7 ． 2 5 k N。为 保 证 钢 丝 绳 在 救 援 中的 安 全 性 ， 在 钢 丝绳选 型 时 ， 应 考 虑 钢 丝绳 最 小 破 断 拉 力 ， 使其满 足使用要求 。根据 煤矿安全规程 规定 ， 单 绳缠 绕式 提升设 备 专为 升 降人员用 的钢丝绳 安 全系 数不得小于 9 ， 因此应选择最小破断拉力大于 6 5 k N 的钢 丝绳 。 图 7 Fi g ．7 7 6 4 器 救援舱 提升过程 中紧急制动时钢丝绳受力 W i r e r o pe t e n s i on whe n e me r g e nc y br a ki ng d ur i n g l i f t i ng o f r es c ue c a ps u l e ． 0 0 l O ZU 3 0 40 5 O 60 7 0 时间／ s 图 8 救援舱下放过程 中紧急制动时钢丝绳受力 F i g ． 8 W i r e r o p e t e n s i o n wh e n e m e r g e n c y b r a k i n g d u r i n g l owe r i ng of r e s c ue c a ps u l e 3 ． 4钢 丝 绳 过 放 在 钻 井 深 度未 知 的特殊 情 况 下 ， 试 运行 阶段 救 援 舱可 能 以最 大速 度 着 地 ， 此 时 救援 舱 与 地 面 碰 撞 力仿真结 果如 图 9所 示 ， 可看 出最 大碰撞 力 约为 4 7 k N。 由于 该 碰 撞 力 极 大 ， 为 避 免 造 成 救 援 舱 及 ＼ - R 0 1 5 3 0 4 5 6 0 7 5 时 间／ s 图 9 救援舱 以最 大速度着 地时与地面碰撞力 F i g ． 9 Co l l i s i o n f o r c e b e t we e n r e s c u e c a p s u l e a n d gr ou nd whe n r e s c u e c a ps ul e t ouc he s g r o un d wi t h t he ma x i mu m s pe e d 2 0 1 7 年 第 1 2期 曾跃 翔等 典 型工 况 下垂直救 援 车载提 升 系统动 力学分析 4 7 其内部设备损坏 ， 在缓冲器选型时 ， 应选择缓冲力大 于 4 7 k N 的缓 冲器 。 4结语 利用 AD AMS仿真软件对垂 直救援车 载提升 系统进行了动力学建模 ， 仿真分析 了救援舱空载下 放 、 救 援舱 重载 提 升 、 救援 舱 紧急 制 动 、 钢 丝 绳 过 放 等 不 同工况 下 钢丝绳 受力 及救 援舱 与地 面 的碰撞 力 情况 ， 仿真结果为系统 中钢丝绳和救援舱底部缓冲 器 的选 型提 供 了参考 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1] [ 2] [3 ] [ 4] [5 ] [6] [ 7] 袁亮 ． 我 国深部 煤 与瓦 斯共 采 战略 思 考I- J ] ． 煤 炭学 报 ， 2 0 1 6 ， 4 1 1 卜6 ． YUAN Li a n g ． S t r a t e g i c t h i n k i n g o f s i mu l t a n e o u s e x p l o i t a t i o n o f c o a l a n d g a s i n d e e p mi n i n g [ J ] ． J o u r n a l o f Ch i n a Co a l S o c i e t y， 2 0 1 6 ， 4 1 1 I - 6 ． 宋元 明 ， 刘志军 ， 王万生． 快速钻孑 L 技术在煤 矿应急救 援中 的实 践 [ J ] ． 中 国安 全 科 学学 报 ， 2 0 0 4 ， 1 4 6 6 3 6 5． S 0NG Yu a n mi n g，L I U Z h i j u n， W ANG W a n s h e n g ． Pr a c t i c e o f q u i c k d r i l l i n c o a l mi n e e me r g e n c y r e s c u e [ J ] ． C h i n a S a f e t y S c i e n c e J o u r n a l ， 2 0 0 4 ， 1 4 6 6 3 6 5 ． 浦静怡 ， 吕春玲 ， 贺晓强 ， 等． 煤矿 事故 垂直救 援研 究 进展[ c ] ／ ／ 段中会． 煤 矿隐蔽致 灾 因素 及探查 技术研 究 陕西省煤炭学会学术年会论文集 2 0 1 4 ． 北京 煤 炭工业 出版社 ， 2 0 1 5 4 ． 张敏江 ， 郭 忠林 ， 张秉皓． 从智 利矿难营救探讨我 国地 下矿山安全事故管理建设口] ． 有 色金属 矿 山部 分 ， 2 0 1 1 ， 6 3 1 6 8 - 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