刚性井筒装备动力响应模拟试验研究.pdf

中国矿业大学学报990 6 16 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第2 8 卷 第6 期 Vo l . 2 8 No . 6 1999 刚性井筒装备动力响应模拟试验研究 刘志强 郭晋蒲 摘要 介绍了刚性井筒装备结构的特性和作用在刚性井筒装备上荷载的特性．运 用相似模拟原理建立了刚性井筒装备与提升容器相互共同作用的模拟试验装置，进行 了动力响应的模拟试验．试验表明井筒装备上的应力变化与水平力的作用规律和井筒 装备的固有频率有关，且提升容器与井筒装备系统有出现共振的可能性．研究得出的 动力放大系数，可用于刚性井筒装备的结构设计计算． 关键词 刚性井筒装备，模拟试验，动力响应 中图分类号 T D 2 6 2 . 4 Research on Dynamic Response of Rigid Shaft Furniture with Model Test Liu Zhiqiang Guo Jinpu College of Architecture and Civil Engineering， CUMT， Xuzhou, Jiangsu 221008 Abstract The characteristics of the rigid shaft furniture structure and the force acting on the rigid shaft furniture are introduced. Based on the similarity theory, the model test device in which the interaction between hoisting conveyance and rigid shaft furniture is taken into account was built, and the dynamic response model test was carried out. The test results indicate that 1 the stress variation of shaft furniture is related to the regularity of horizontal force and the natural frequency of shaft furniture, and 2 the system of hoisting conveyance and shaft furniture resonance is possible. The dynamic amplification coefficient is obtained and it can be used in the calculation for the shaft furniture structural design. Key words rigid shaft furniture， model test， dynamic response 刚性井筒装备是安设在立井井筒内，保证矿井提升容器安全、高速运行的导向结 构，它主要由罐道和罐道梁（或托架）组成，沿井筒深度构成空间结构体系．刚性井 筒装备罐道长度一般每根为12 m ，设3～4个固定点，采用螺栓与罐梁联结固定，罐 梁用托架固定在井壁上．根据实际布置，罐道也可直接利用托架固定．刚性井筒装备 必须工作在材料的线弹性范围内，并且必须具有一定的强度、刚度、稳定性、耐腐和 抗磨能力，以满足提升容器高速运行的需要． 作用在刚性井筒装备上的荷载主要是提升容器在运行过程中对罐道、罐梁产生的 作用于罐道正面和侧面的水平力．根据现场实测和研究已知水平力具有随机性、长 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 16 . h t m （第 1／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 58 中国矿业大学学报990 6 16 期性和动力特性．其动力特性表现为水平力是一冲击碰撞动荷载，作用时间短，且使 井筒装备结构应力表现为脉动循环应力．此外水平力作用频率随提升容器的运行速度 增大而增高，随井筒装备罐梁层间距增大而降低，水平力的作用与井筒装备结构特性 具有十分密切的关系［1，2 ］．通过井筒装备与提升容器之间的相互共同作用模拟试验 研究，分析结构动力响应效果，将有利于进一步了解井筒装备的受力状态，丰富井筒 装备的设计理论． 1 刚性井筒装备动力响应的模拟试验 1. 1 刚性井筒装备动力响应的试验模型 选择刚性井筒装备动力响应的试验模型时主要考虑其布置方式，目前刚性井筒装 备普遍采用矩型罐道、组合罐梁，罐梁与井壁或罐道与井壁的固定均通过托架用树脂 锚杆固定．一般情况下，一根罐梁上布置1～2 根罐道，或将罐道直接固定在托架上． 为便于研究，采用一根罐梁上安设单根罐道的试验模型． 影响刚性井筒装备动力响应试验模型建立的主要因素是刚性井筒装备自身的结构 特性［3］. 为了保证试验的进行，必须对结构施加荷载，因此需要建立比较完整的井筒 装备与提升容器相互共同作用的模拟试验装置，对影响试验的各个因素进行分析．涉 及模拟试验的主要因素包括水平作用力P，水平力作用频率f ，提升终端荷载Q ，提升 速度v ，罐梁层间距H ，井筒装备结构几何尺寸L，安装尺寸偏差δ，结构构件截面积 S，结构构件截面惯性距I ，井筒装备固有频率f 0，结构材料弹性模量E，结构材料泊松 比μ，结构质量m ，结构应力σ，结构应变ε，结构位移Δ，罐耳弹性刚度K ，重力加 速度g 等． 1. 2 刚性井筒装备动力响应的试验准则 刚性井筒装备动力响应的模拟试验主要测定在不同提升条件下，亦即结构在不同 频率的水平力作用下，井筒装备结构的受力情况，寻求提升条件与井筒装备结构特性 的关系．根据试验模型所涉及的各个影响因素，可将各影响因素综合表示如下 φ P, f , Q , v , H , L, δ, S, I , f 0, E, μ, m , σ, ε, Δ, K , g 0 . 1 根据相似准则，可得出其准则方程为 2 根据准则方程的约定，刚性井筒装备动力响应模拟试验必须遵守的条件为 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 16 . h t m （第 2 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 58 中国矿业大学学报990 6 16 3 在上述应遵守的条件中，因材料不变，因此，Cε 1, Cμ 1，重力加速度不能改 变，Cg 1．设计模拟试验几何缩比为10 ，即有CL 10 ．根据上述准则，可进行模拟试 验装置的设计． 1. 3 刚性井筒装备动力响应模拟试验装置 刚性井筒装备动力响应模拟试验装置由立式主体结构架、提升容器的提升及控制 系统、量测系统3部分组成．试验主体结构高12 m ，由钢管和型钢等焊接而成，其刚 度较大，用以模拟立井井壁．模型井筒装备 罐道和罐梁 安装在主体结构架上，见图 1．作用在井筒装备上的水平力通过安装在模拟提升容器罐耳上的水平力测试传感器进 行测定，利用动态电阻应变仪、磁带记录仪等进行记录．罐道、罐梁的应力大小通过 粘贴在模型罐道、罐梁上的应变计式传感器、动态电阻应变仪、A / D 转换装置、 图1 刚性井筒装备动力响应模拟试验装置 Fi g . 1 T h e d y n a m i c r e s p o n s e m o d e l t e s t d e v i c e o f r i g i d s h a f t f u r n i t u r e f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 16 . h t m （第 3／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 58 中国矿业大学学报990 6 16 1. 模型井筒装备； 2 . 模型提升容器； 3. 试验主体结构； 4. 提升钢丝绳；5. 提升绞车 计算机等进行测定，各应力测点布置见图2 ．通过测定出水平力的作用规律和井筒装备 结构的受力情况，来判断井筒装备动力响应效果． 图2 刚性井筒装备上应力测试点布置 Fi g . 2 T h e m e a s u r e d p o i n t s a r r a n g e m e n t o f t h e s t r e s s e s r i g i d s h a f t f u r n i t u r e 2 刚性井筒装备动力响应模拟试验结果 刚性井筒装备动力响应模拟试验分4个方面进行 1 测试刚性井筒装备的固有频率； 2 测试刚性井筒装备上各测点在某点处受到单位荷载作用下的受力状况； 3 测试刚性井筒装备上各测点在提升时的应力变化情况； 4 测试提升容器在运行时水平力的大小和变化规律． 2 . 1 结构固有频率测定 刚性井筒装备结构固有频率是其动力特性的一个主要指标，是进行动力响应分析 和试验研究的基础．在进行动力响应试验前，应先获得固有频率值．固有频率的测试 是通过给结构施加一个周期性的冲击荷载，其频率大于结构固有频率值，然后使结构 进行振动衰减，在衰减过程中，结构固有频率将有与作用荷载的频率相一致的时刻， 即过共振区，通过分析过共振区的振动频率即可获知结构固有频率值．测试固有频率 时，施加的冲击荷载频率为37 H z ，大小为7 1. 3 N，实测模拟井筒装备的固有频率为 2 6 . 8 8 H z ． 2 . 2 动力响应历程曲线 刚性井筒装备动力响应模拟试验中，首先在一指定点，施加一作用力，测定各测 点的应力情况，然后通过变换模拟提升容器的运行速度，改变作用在井筒装备上的水 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 16 . h t m （第 4／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 58 中国矿业大学学报990 6 16 平力作用频率．经换算当水平力作用频率为7 . 8 ～33. 8 H z 时，实测出作用在指定点的 水平力大小和井筒装备上各测点的应力值，最后统一换算为在指定点作用单位力时各 测点的应力大小，实测结果见表1．当水平力作用频率为2 1. 7 H z 时，实测井筒装备上 3和7 测点的动力响应时间历程曲线如图3所示． 表1 实测刚性井筒装备的应力 T a b l e 1 T h e m e a s u r e d s t r e s s e s o f t h e r i g i d s h a f t f u r n i t u r e M Pa 测 点12 357 8 静力作用0 . 0 150 . 0 7 80 . 0 8 20 . 0 6 10 . 0 8 70 . 0 7 1 动 力 作 用 f 7 . 8 10 . 0 20 . 0 80 . 100 . 0 90 . 0 10 . 0 5 f 14. 2 80 . 0 40 . 120 . 150 . 120 . 120 . 10 f 2 1. 7 40 . 0 50 . 140 . 190 . 140 . 160 . 12 f 2 6 . 0 40 . 100 . 140 . 2 30 . 190 . 310 . 2 5 f 2 7 . 470 . 110 . 150 . 2 50 . 2 30 . 380 . 37 f 2 9. 410 . 2 50 . 2 60 . 2 90 . 190 . 410 . 2 0 f 30 . 490 . 2 30 . 2 60 . 2 80 . 140 . 400 . 17 f 32 . 0 50 . 2 10 . 2 10 . 2 60 . 100 . 340 . 12 f 33. 7 80 . 2 00 . 180 . 2 40 . 0 60 . 2 70 . 11 图3 井筒装备动力响应历程曲线 Fi g . 3 T h e d y n a m i c r e s p o n s e o f t h e s h a f t f u r n i t u r e 3 刚性井筒装备动力响应模拟试验结果分析 3. 1 刚性井筒装备的动力响应特性 作用在刚性井筒装备上的水平力是移动冲击动荷载，它与一般的冲击荷载不同． 对井筒装备上的某点来讲，一次提升过程作用只有一次，且是移动作用，其受力情况 比一般周期性冲击动荷载作用下的受力情况要好一些，因此不能将一般情况下的结构 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 16 . h t m （第 5／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 58 中国矿业大学学报990 6 16 动力计算方法直接引入井筒装备的动力计算． 根据模拟试验井筒装备动力响应时间历程图可知在水平力作用下，井筒装备上 各点的内力作用具有时间差，即在内力作用与水平力作用之间存在不同的相位差，相 位差大小与水平力作用时间或频率有关，也与结构的固有频率有关．分析其原因是由 于刚性井筒装备的罐道和罐梁有其自身的动力性能，它们的动力性能与结构整体所表 现出来的性能是不完全一致的．试验结果还表明罐梁罐道的动力性能并不影响结构的 内力大小． 随着运行速度增大，水平力作用力频率提高，当作用频率与结构固有频率相一致 时，引起的内力最大，这种现象即为共振．从试验情况来看，在一定的条件下，井筒 装备有出现共振的情况，因此在井筒装备设计中，应当考虑进行动力设计计算．井筒 装备在移动冲击动荷载作用下的动力响应模拟试验结果显示，结构内力在动力作用下 的值比静力作用下要大，这一关系可引用动力放大系数K D来表示．动力放大系数是动 力作用和静力作用下结构所受到的内力比．引入动力放大系数后，井筒装备动力计算 只需进行固有频率计算，然后使用动力放大系数对静力计算结果进行验算即可． 动力放大系数值根据模拟试验结果进行回归分析获得，即 4 3. 2 “提升容器-井筒装备”系统动力学分析 由于水平作用力是由提升容器沿着罐道运行而产生的，提升容器的运动规律对产 生水平力有很大的影响，这样应把提升容器与井筒装备作为一个系统来分析更符合实 际．提升容器由于水平力的因素使其在运动中处于一个随机摆动的状态，摆动规律通 过罐耳和罐道的作用而体现出来，摆动幅度越大，产生的水平力越大；摆动速度越 快，产生的水平力次数越多；当水平力作用频率与井筒装备固有频率相一致时，就是 系统的共振状态．在这个状态，提升容器摆动的幅度最大，作用力最大，对井筒装备 产生的破坏作用也最大，这是一个必须避免的状态．在实际工作中，由于井筒装备各 段安装都有可能产生误差，联结点也有不同程度的差异，加之提升容器处于运行状 态，因而即使出现共振状态也是短暂的，它一般不会造成井筒装备的大面积破坏，但 会使得联结点产生螺栓松动、严重的局部变形以及罐耳损坏等现象，影响井筒装备的 质量．这种局部共振现象的经常发生将使装备质量进一步恶化，直至结构发生破坏． 通过刚性井筒装备动力响应计算，在结构设计中，可避免水平力作用频率与结构固有 频率一致的情形．如可通过改变提升速度，改进井筒装备的布置方式，或者改变井筒 内管路、梯子间等设施的固定位置等，确保井筒装备处于一个良好的工作状态． 4 结 论 通过对刚性井筒装备进行动力响应的模拟试验研究，获得下面几点结论 1 作用在井筒装备上的水平力是一个移动的冲击动荷载，在其作用下，井筒装备 上各点的内力作用与水平力的作用之间存在不同的相位差，其原因与组成井筒装备整 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 16 . h t m （第 6 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 58 中国矿业大学学报990 6 16 体结构的罐道和罐梁动力特性有关．模拟试验结果还表明罐梁罐道的动力特性并不影 响结构内力的大小． 2 刚性井筒装备动力响应模拟试验研究表明，井筒装备在动力作用下的变形和内 力都比静力作用下要大，并且具有其特殊性，在进行结构动力计算时，必须考虑到这 一特性．引入动力放大系数可将动力计算简化为静力验算． 3 考虑“提升容器-井筒装备”共同作用的系统，该系统有出现共振的情形，可通 过改变提升速度、改进井筒装备的布置方式，或者改变井筒内管路、梯子间等设施的 固定位置等避免出现这一井筒装备的最不利受力状态，确保井筒装备工作的安全． 作者简介刘志强，男，196 4年生，工学硕士，副教授 作者单位刘志强 郭晋蒲 （中国矿业大学建筑工程学院 江苏徐州 2 2 10 0 8 ） 参考文献 1 王东权，史天生，刘志强等．深立井刚性井筒装备结构的计算方法．中国矿业大 学学报，1997 , 2 6 1 5～8 2 刘志强，郭晋蒲．刚性井筒装备质量检测的新途径．煤炭科学技术，1995, 2 3 2 6 ～8 3 史天生，田建胜，郭晋蒲等．刚性井筒装备水平作用力的工程计算法．中国矿业 大学学报，1995, 2 4 1 1～6 收稿日期1999－0 5－2 5 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 6 / 990 6 16 . h t m （第 7 ／7 页）2 0 10 -3-2 3 15 58 58