煤礦立井四角罐道動力響應測試方法及結果分析*

黃博華,馬香玲,高 路,雒江超,葛 輝

(1.中煤西安設計工程有限責任公司,陜西 西安 710054;2.西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安 710054)

0 引言

立井剛性井筒裝備是保證礦井提升容器安全運行的導向結構,主要由罐道和罐道梁(或托架)組成。煤礦立井在井口及井底處,為了給提升容器內荷載的進出讓出足夠空間,采用四角罐道的結構形式穩定提升容器。現行設計規范中,四角罐道水平力的確定參照端罐道水平力特征,沿用上世紀初德國提出的水平力經驗公式F=Q/12,其中Q為提升裝備的終端荷載[1-4]。該公式適用于提升載重小于300 kN,運行速度小于14 m/s的工況。21世紀以來,隨著國內部分地區的超大礦井陸續建成并投入生產,立井提升容器終端荷載出現超出900 kN的超大荷載提升工況,相關學者也已對新型超大礦井的端罐道水平力進行了很多試驗研究。劉志強等[5]解釋了作用在端罐道上的水平力測試基本原理,給出了滾輪荷載測試方法;姜耀東、蔣玉強等[6-7]建立了礦井提升過程中罐籠的基本動力學模型,提出了用加速度的速率變化作為判別罐籠是否安全運行的基本準則;華召文、劉清寶等[8-9]自行設計了主井箕斗滾輪罐耳上的水平力傳感裝置,并在實驗室對該裝置進行了靜態和動態標定,建立了水平力傳感裝置所測電壓與滾輪罐耳所受水平力之間的相互關系。

目前,提升容器對四角罐道的水平力測試的研究相對較少。現階段流行的端罐道水平力測試方法以提升容器的滾輪罐耳為監測對象,但提升容器靠自身的金屬滑靴與四角罐道產生沖擊碰撞,且滑靴不易拆卸,不利于增設監測原件[10-12]。

為研究適用于四角罐道的水平力測試方法,對中煤榆林某煤礦的主井四角罐道進行了水平力測試,設計了一種基于四角罐道結構形式下的動力響應測試方法,以獲取該過程中提升容器作用給四角罐道的加速度與應變應力時程數據信息,進而研究多工況下提升容器從入四角罐道到出四角罐道的全過程中的力學行為。

1 工程概況

陜北某特大型煤礦設計生產能力為20 Mt/a,主井井筒凈直徑φ為9.6 m,采用兩對立井箕斗提升設備,箕斗總質量(包括滾輪罐耳、首尾繩懸掛裝置及配重)68 t,箕斗名義載煤量50 t。

2 四角罐道動力響應測試方法

2.1 測試模型

通過對四角罐道的彎矩理論分析,擬在現場布設應變片與加速度傳感器及其動態測試系統,獲取煤礦立井提升容器測試條件下四角罐道的加速度和應變時程數據信息。煤礦立井提升容器四角罐道動力響應測試方案包括每個運行周期內的四角罐道載重與載荷、角鋼應力應變、提升容器3個方向的加速度與運行時間等參數。測試模型如圖1所示,提升容器與四角罐道的沖擊碰撞大多數發生在容器停罐卸煤的過程中。容器滑靴在不發生偏移的狀態下與四角罐道存在一定間隙。在停罐卸煤過程中,籠內原煤向一側傾倒使容器發生橫向平移和平面內繞質心轉動,導致容器的滑靴與四角罐道碰撞產生水平力。容器停罐卸煤時,擬將應變片和加速度傳感器布設在滑靴對四角罐道的碰撞點位上,收集四角罐道縱向線應變(z方向)和垂直于罐道表面(y方向)的加速度時程數據。該方案以四角罐道為監測對象,實時監測其應力應變與加速度時程數據。這種測試方法便于找出四角罐道受容器碰撞后的力學特征變化,且現場操作簡便,無需拆卸提升設備。

圖1 提升井筒裝備水平力監測模型Fig.1 Monitor model of horizontal force on lifting wellbore’s equipment

2.2 加速度傳感器測試方案

考慮到現場測試空間的局限性及測試人員安全問題,采用型號為1020LS-1型IEPE加速度傳感器測試井筒裝備上盤和中盤的加速度時程數據。該三向加速度傳感器利用磁座無損安裝在四角罐道上,獲取測試點位的z方向加速度時程數據信息,如圖2所示。通過DH5922D動態信號測試分析系統采集處理得到加速度時程曲線。

圖2 加速度傳感器示意Fig.2 Diagram of acceleration sensor

2.3 應力應變測試方案

因焊接對角鋼與接觸對角鋼間有焊接點,雖然有焊縫強度不低于母材強度的要求,但仍然無法反映直接接觸對角鋼的應力應變特征。應變片應粘貼在跨越焊接段的焊接對角鋼上。因四角罐道空間受限,應變片主要粘貼到焊接對角鋼上,與焊縫接觸附件的接觸角鋼上粘貼2個,即每個界面粘貼8個應變片。具體截面布設點位如圖3所示。

圖3 主井四角罐道截面應變片布設點位Fig.3 Layout of strain gauge on the section of main shaft’s four-corner tank channel

2.4 測試方法優缺點

2.4.1 應力應變測試方法優缺點

實測的應變數據可直觀反應出四角罐道在受到撞擊后的應變變化,且依據四角罐道的彎矩變形理論,可將實測應變數據準確轉化為水平力數據。但在現場布設應變片時,操作難度大,有一定的安全隱患,且需打磨四角罐道外壁防腐層,會對井筒裝備造成一定程度的破壞。

2.4.2 加速度測試方法優缺點

三向加速度傳感器可利用磁座無損安裝在四角罐道上,操作簡便且無需打磨四角罐道外壁防腐層。但實驗室處理加速度數據信息為水平力數據時,相關換算過程較為復雜,數據處理較為繁瑣。考慮到2種測試方法各有優點與不足,現場測試時混合使用2種測試方法。在容器停罐時對四角罐道的固定撞擊點布置應變片,在難以布置應變片的測點,用帶磁座的加速度傳感器代替應變片對四角罐道的大部分測點展開測試,同時需從實測數據中找出不同工況下四角罐道的振動加速度與應力應變的數據關系。2種監測方案均以四角罐道為測試對象,實時監測其振動加速度與應力應變時程數據信息。這種方式便于找出四角罐道受容器碰撞時的力學變化特征,有效降低了對測試場地日常生產作業的干擾。同時可用一套數據采集分析系統,同步采集并處理四角罐道的振動加速度與應力應變時程曲線,操作便捷,提升了現場測試效率。

3 四角罐道動力響應現場測試

3.1 測試系統

采用了動態測量方式,對四角罐道受到水平力作用時的振動加速度及應力應變進行實時測試。測試系統主要包括1020LS-1型IEPE型三向加速度傳感器、120-3CA型三向免焊接應變片、DH5922D高速數據采集分析儀和220 V交流電源,測試系統如圖4所示。現場測試時,將加速度傳感器和應變片信號通過導線連接至數據采集分析儀,通過DH5922D動態信號測試分析系統采集處理為時程數字信號同步儲存在計算機內,經過采集儀相關配套軟件分析計算,得到測試點位的振動加速度和應力應變時程曲線。

圖4 四角罐道動力響應測試系統Fig.4 Measuring and testing system of four-corner tank channel’s dynamic response

3.2 測試數據分析

3.2.1 主井靜止工況測試數據分析

主井在靜止工況中,實測數據四角罐道受箕斗上、中、下盤作用時的振動加速度曲線。主井靜止工況中,采用磁座式加速度傳感器對四角罐道受箕斗滑靴上、中、下盤撞擊位置分別進行測試,每組測試組同步監測兩側四角罐道每一盤的撞擊點,共得到88組主井在靜止工況中的振動加速度時程數據。收集實測的振動加速度時程曲線,經實驗室處理得到測試條件下四角罐道表面水平位移時程曲線,如圖5所示。提取每組測試組中不同測點實測的水平位移峰值,見表1。

圖5 四角罐道上盤典型位移時程曲線Fig.5 Typical displacement time history curve of four-corner tank channel upper plate

表1 位移峰值最大值lmax與平均值lv統計

據表1中四角罐道各測點的水平位移峰值最大值和水平位移峰值平均值,繪制如圖6所示。

圖6 水平位移峰值最大值lmax、平均值lv與提升載重平均值Qza關系曲線Fig.6 Relations curve of maximum horizontal displacement peak value lmax,mean value lv and lifting load’s mean value Qza

分析實測的四角罐道正面水平位移峰值和側面水平位移峰值,對比停罐卸煤時上、中、下盤的撞擊點位移實測值發現,lmax下盤>lmax上盤>lmax中盤,lv下盤>lv上盤>lv中盤。下盤的水平位移明顯要大于上盤和中盤,說明靜止工況中,箕斗下盤滑靴作用四角罐道效果最明顯,下盤撞擊點為主井靜止工況中的最不利荷載位置。靜止工況中,主井的水平位移峰值隨著提升載重Qz的增大而增大。此外,四角罐道正面水平位移峰值大于四角罐道側面水平位移峰值。主井靜止工況中,作用四角罐道水平力的作用頻率在0.19～1.27 Hz,為低頻沖擊荷載。

3.2.2 主井運行工況測試數據分析

箕斗在主井的四角罐道區域運行時,箕斗提升速度平均約3 m/s,且箕斗到達四角罐道懸臂梁位置處最大速度可達6 m/s。主井運行工況中,考慮采用磁座式加速度傳感器對四角罐道的懸臂梁位置(1測點)和跨中位置(2、3測點)進行測試,每組測試組同步監測兩側四角罐道每一盤的撞擊點,共得到42組主井在運行工況中的振動加速度時程數據。收集實測的振動加速度時程曲線,經實驗室處理得到測試條件下四角罐道表面水平位移時程曲線,如圖7所示。提取每組測試組中不同測點實測的水平位移峰值,見表2。

圖7 四角罐道懸臂梁典型位移時程曲線Fig.7 Typical displacement time history curve of four-corner tank channel’s cantilever beam

依據表2中各測點的水平位移峰值最大值和水平位移峰值平均值,繪制如圖8所示。

分析實測的四角罐道正面水平位移峰值和側面水平位移峰值,對比主井在運行工況時,發現四角罐道的跨中和懸臂梁位置的撞擊點位移實測值,lmax懸臂>lmax跨中,lv懸臂>lv跨中。懸臂梁的水平位移略大于跨中位置,說明運行工況中,箕斗下盤滑靴作用四角罐道懸臂梁位置的效果最明顯,懸臂梁位置為主井運行工況中的最不利荷載位置。運行工況中,主井的水平位移峰值隨著提升載重Qz的增大而增大。此外,四角罐道正面水平位移峰值大于四角罐道側面水平位移峰值。主井運行工況中,作用四角罐道水平力的作用頻率在0.19～1.95 Hz之間,為低頻沖擊荷載。

表2 位移峰值最大值lmax與平均值lv統計

圖8 主井運行工況水平位移峰值最大值lmax、平均值lv與提升載重平均值Qza關系曲線Fig.8 Relations curve of maximum horizontal displacement peak value lmax,mean value lv and lifting load’s mean value Qza in operating conditions of main shaft

4 結論

(1)通過自行設計的四角罐道動力響應測試方法,獲取了煤礦立井井筒裝備作用下四角罐道的水平位移峰值特征和變化規律。

(2)四角罐道的水平位移峰值隨著提升載重Qz的增大而增大,箕斗在運行工況中處于3 m/s時的低速滑行狀態,其碰撞四角罐道引起的四角罐道位移峰值要小于靜止工況。

(3)靜止工況中,下盤的水平位移峰值明顯要大于上盤和中盤,說明靜止工況中,箕斗下盤滑靴作用四角罐道效果最明顯,下盤撞擊點為主井靜止工況中的最不利荷載位置。

(4)運行工況中,箕斗滑靴作用四角罐道懸臂梁位置的效果最明顯,且懸臂梁位置對應箕斗在四角罐道區域最大運行速度位置,懸臂梁位置為主井運行工況中的最不利荷載位置。

(5)四角罐道正面水平位移峰值大于四角罐道側面水平位移峰值,主井作用四角罐道水平力的作用頻率在0.19～1.95 Hz,為低頻沖擊荷載。