一种超深矿井提升系统多功能模拟试验平台及实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超深矿井提升系统多功能模拟试验平台及实验方法。
【背景技术】
[0002]行业内将开采深度超过1000米的矿井称之为超深矿井。超深矿井大型提升装备处于超深矿井运输环节的咽喉位置，负担着提升煤炭、矸石，下放材料、升降人员和设备的任务，已经成为我国实现深部资源开发战略的关键装备。较之于一般的提升装备，超深矿井提升装备提升绳的刚度、阻尼随提升高度不断变化，在扰动作用下，更易出现各提升绳张力不平衡的现象。同时，随着开采深度的增加，地质条件更加复杂，超深矿井提升装备更易出现罐道倾斜、弯曲、凸起等故障。上述情况都严重威胁超深矿井提升装备的安全运行，制约了深部资源的开采。
[0003]然而，由于超深矿井开采环境特殊，提升装备很难在现场进行试验。为了深入了解超深矿井提升机的运动学、动力学行为，提取故障特征，保证提升机安全可靠的运行，只能借助于使用超深矿井提升系统多功能模拟试验台进行模拟实验。
【发明内容】
[0004]发明目的:本发明的目的是提供一种结构紧凑、能够模拟超深矿井提升装备提升绳大柔度特征、能够反应正常和故障状态下系统特性以及能够验证先进控制方法对系统作用效果的多功能模拟试验平台及实验方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案:一种超深矿井提升系统多功能模拟试验平台，包括机架、提升容器、矩形导轨、调绳装置、提升绳、驱动装置、检测控制系统、张紧绳和张紧装置;所述机架包括主机架，主机架侧面设置子机架，主机架顶部设置顶层机架，驱动装置安装在子机架上，调绳装置设置在顶层机架上，提升绳一端缠绕在驱动装置的卷盘上，提升绳另一端绕过调绳装置的导向轮并连接在提升容器上；当模拟刚性罐道导向提升容器时，矩形导轨安装在主机架上，驱动装置通过提升绳带动提升容器沿矩形导轨上下移动；当模拟柔性罐道导向提升容器时，张紧绳安装在主机架上，驱动装置通过提升绳带动提升容器沿张紧绳上下移动，张紧绳两端设置用于对张紧绳手动张紧的张紧装置，检测控制系统安装在提升容器、调绳装置和驱动装置上。
[0006]进一步的，所述主机架设有可拆卸横梁，矩形导轨通过直角折板与主机架的可拆卸横梁固定。
[0007]进一步的，所述张紧装置包括张紧架、张紧滚珠丝杠副、张紧滑块和压绳片，张紧架与主机架固定，张紧滚珠丝杠副设置在张紧架上，张紧滑块设置在张紧滚珠丝杠副上，张紧绳两端被张紧滑块和压绳片夹紧，通过手动调节张紧滚珠丝杠副，改变张紧滑块的高度，可以调节张紧绳的张紧力。
[0008]进一步的，所述提升容器包括底板、支撑柱、顶板、滚轮罐耳、吊耳和刚性罐耳，支撑柱通过螺栓分别与底板和顶板相连，吊耳安装在顶板上，滚轮罐耳安装在容器底板和顶板，每组三个滚轮罐耳对矩形导轨形成合围，提升容器的侧面安装两组刚性罐耳;所述滚轮罐耳包括直角铝架、支撑螺栓、弹簧、光杆螺栓、滑块和轴承，直角铝架的一侧通过螺栓与容器的底板和顶板固定，直角铝架的另一侧设有两组支撑螺栓，每组支撑螺栓上均设有一个滑块，弹簧套在支撑螺栓上，滑块之间通过光杆螺栓相连，光杆螺栓上设有轴承。
[0009]进一步的，所述调绳装置包括连接板、调绳电机、联轴器、调绳滚珠丝杠副、导向轮、导向轮安装架和调绳滑块，连接板上设有调绳电机，调绳电机输出轴通过联轴器与调绳滚珠丝杠副相连，调绳滑块设置在调绳滚珠丝杠副上，导向轮安装架通过螺栓固定在调绳滑块上，导向轮安装架上设有导向轮。
[0010]进一步的，所述提升绳材质为弹性聚酯。
[0011]进一步的，所述驱动装置包括绕绳电机、减速器、联轴器、轴承座、主轴、卷盘以及移动平台，移动平台包括传动导轨、步进电机、移动平台滚珠丝杠副、移动平台滑块和平板，步进电机输出轴与移动平台滚珠丝杠副相连，移动平台滑块设置在移动平台滚珠丝杠副上，平板通过螺栓与移动平台滑块连接，轴承座通过螺栓固定在移动平台的平板上，主轴安装在轴承座上，绕绳电机输出轴与减速器输入轴相连，减速器输出轴通过联轴器与主轴相连，卷盘通过平键与主轴相连。
[0012]进一步的，所述检测控制系统包括倾角传感器、拉力传感器、第一轴编码器、第二轴编码器、PLC控制器和工控机，倾角传感器安装在提升容器上，拉力传感器安装在提升容器与提升绳的连接处，第一轴编码器安装在与卷盘相连的主轴上，第二轴编码器安装导向轮轴上，倾角传感器、拉力传感器、第一轴编码器、第二轴编码器的输出信号线与PLC控制器的输入模块相连，PLC控制器的输出模块通过驱动器与调绳电机和绕绳电机相连，PLC控制器通过网线与工控机相连。
[0013]根据上述模拟试验平台的超深矿井提升系统模拟实验方法，包括以下步骤:
[0014]I)在主机架上安装矩形导轨，模拟刚性罐道导向提升容器，将提升容器下放到距离地面设定高度位置，通过调节调绳装置使两根提升绳张力相等，设定驱动装置运行参数；
[0015]2)驱动装置通过提升绳带动提升容器沿矩形导轨上下移动，研究刚性罐道导向提升容器状态下超深矿井提升系统的动态特性；
[0016]3)将矩形导轨替换为张紧绳，模拟柔性罐道导向提升容器，研究柔性罐道导向提升容器状态下超深矿井提升系统的动态特性；
[0017]4)手动调节张紧装置，研究柔性罐道导向提升容器状态下，不同张紧力对超深矿井提升系统的动态特性的影响；
[0018]5)对矩形导轨进行模拟故障处理，形成故障罐道，将张紧绳替换为故障罐道，研究故障条件下超深矿井提升系统的动态特性，并利用检测控制系统对故障罐道的状态进行检测与分辨；
[0019]6)向工控机中写入容错控制算法，重复步骤2)，研究故障罐道下，容错控制算法对提升系统性能的改善效果。
[0020]进一步的，步骤5)的模拟故障处理包括模拟罐道台阶故障、模拟罐道倾斜故障、模拟罐道凸起故障和模拟罐道弯曲故障，其中:在模拟罐道台阶故障时，将矩形导轨分为两节，在其中一节导轨的两端均加入矩形块，从而在两节导轨连接处形成台阶，通过使用不同厚度的矩形块可模拟不同高度的台阶;在模拟罐道倾斜故障时，将矩形导轨分为两节，在其中一节导轨的端部加入梯形块，使该节导轨倾斜，通过使用斜面角度不同的梯形块可模拟不同倾角;在模拟罐道凸起故障时，使用高强度胶在矩形导轨上粘贴凸起块，通过使用不同大小形状的凸起块可模拟不同大小的凸起;在模拟罐道弯曲故障时，对矩形导轨局部进行折弯。
[0021]有益效果:本发明能模拟实际工况下超深矿井提升装备的运动状态，获取故障工况下超深矿井提升装备主要性能参数，为进一步研究超深矿井提升装备的先进控制方法创造条件;设备结构紧凑，占用空间小，自动化程度高。
【附图说明】
[0022]图1是本发明的超深井提升机多功能模拟试验台立体结构示意图；
[0023]图2是本发明的机架结构示意图；
[0024]图3是本发明的模拟刚性罐道提升系统结构示意图；
[0025]图4是本发明的模拟柔性罐道提升系统结构示意图；
[0026]图5是本发明的张紧装置结构示意图；
[0027]图6是本发明的提升容器结构示意图；
[0028]图7是本发明的滚轮罐耳结构示意图；
[0029]图8是本发明的调绳装置结构示意图；
[0030]图9是本发明的驱动装置结构示意图；
[0031]图10是本发明的控制检测系统示意图；
[0032]图1la为模拟罐道台阶故障示意图；
[0033]图1lb为模拟罐道倾斜故障示意图；
[0034]图1lc为模拟罐道凸起故障示意图；
[0035]图1Id为模拟罐道弯曲故障示意图。
[0036]图中:1-机架，卜卜主机架，卜2_子机架，顶层机架，2-提升容器，3-矩形导轨，4-调绳装置，5-提升绳，6-驱动装置，7-检测控制系统，7-1-倾角传感器，7-2-拉力传感器，7-3-第一轴编码器，7-4-第二轴编码器，7-5-PLC控制器，7_6_工控机，8-张紧绳，9-张紧装置，10-张紧架，11-张紧滚珠丝杠副，12-张紧滑块，13-压绳片，14-底板，15-支撑柱，16-顶板，17-滚轮罐耳，18-吊耳，19-刚性罐耳，20-直角铝架，21-支撑螺栓，22-弹簧，23-光杆螺栓，24-滑块，25-轴承，26-连接板，27