单绳缠绕式矿井提升机设计说明书

本 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 40 页 1. 概述 1.1 矿井提升机的介绍 矿山生产的全过程离不开矿山运输和提升工作。因此，运输和提升工作的好坏直接关系到矿山生产能否正常高效进行。如果说运输线路是矿山生产的动脉，那提升设备则是其咽喉，可见其重要性和必要性。提升机是联系井下和地面的主要运输工具，矿井提升工作是整个采矿工程中的重要环节。从地下采出的煤炭、矿石必须提升至地面才有实际应用价值。废石的提升、工作人员、材料及设备的升降等都要靠提升工作来完成。矿井提升机是矿井提升设备中的动力部分，由电动机、减速器、主轴装置、制动装置、深度指示器、电控系统和操 纵台等组成。根据提升机工作原理和结构的不同，矿井提升机分类如图 1-1。 16 图 1-1矿井提升机分类 我国目前广泛使用的有单绳缠绕式双圆柱卷筒提升机和多绳摩擦式提升机两种。 根据井筒条件（竖井或斜井）及选用的提升容器和提升机的类型不同，可组成各种不同的矿井提升系统。较常见的有 17： 竖井单绳缠绕式箕斗提升系统； 竖井单绳缠绕式罐笼提升系统； 竖井多绳摩擦式箕斗提升系统； 竖井多绳摩擦式罐笼提升系统； 斜井箕斗提升系统； 斜井串车提 升系统 本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 40 页 1.2 矿井提升机生产过程简介 矿井提升机是沿井筒提运矿石和废石、升降人员、下放材料和工具的设备。提升容器有罐笼和箕斗。根据井筒倾角的不同 ,提升容器分为立井用和斜井用两种 .立井用提升容器主要是箕斗和罐笼 ,箕斗分为底卸式、侧卸式和翻转式 ,罐笼分为普通罐笼和翻转罐笼。斜井箕斗分为翻转式和后壁卸载式两种。罐笼可用来提升矿石、人员、材料与设备等，但是箕斗不能用来提升人员。不同类型矿井提升机的工作方式和工作环境各有所相同，但其根本的工作原理是相似的，矿井提升机提升原理示意图如图 1-2所示： 通过滚筒或齿轮的旋转 带动皮带或链条升降，从而实现箕斗或罐笼的升降，在井下和地面之间往复运动，进行对煤和人员、货物的运输。 11 图 1-2矿井提升机提升原理示意图 1.3 矿井提升的特点 1. 安全性 所谓安全性，就是不能发生突然事故。由于矿井提升设备在矿山生产中所占 本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 40 页 的地位十分重要，其运转的安全性，不仅直接影响整个矿井的生产，而且还涉及人员的生命安全。因此各国都对矿井提升设备提出了极严格的要求。在我国这些规定包括在煤矿安全规程只中。 2. 可靠性 所谓可靠性，是指能够可靠地连续长期运转而不需在短期内检修。矿井提升设备所 担负的任务十分艰巨，不仅每年要把数十万吨到数百万吨的煤炭和矿石从井下提升到地面，而且还要完成其他辅助工作。一个年产 150万吨的矿井，停产一天就要损失大约 20万元。因此矿井提升机至少要服务二十年以上而不需大修。 3. 经济性 矿井提升设备是矿山大型设备之一，功率大，耗电多，大型矿井提升机的功率超过 1000KW。因此矿井提升设备的造价以及运转费用，也就成为影响矿井生产技术经济指标的重要因素之一。 1.4 矿井提升机系统现状 矿井提升机作为矿山企业的关键机电设备，对于矿山的高效，安全生产与经济的运营有极其重要的作用，他 不仅装机容量大，是矿山的主要耗电大户，而且他作为一个典型的位势力矩负载，要求其拖动电动机在其机械特性的四个象限内频繁周期性地进行启动，制动和方向运行。对其在运行过程中的加速度，减速度以及个运行阶段的行程和最后的停车位置都有精确的要求和严格的限制，因为提升机始终是电力拖动与控制的典型应用装置和研究对象，正确处理好矿井提升机的系统极其自动化问题，对保证矿井的生产，安全和效益具有重要意义。 进入 90 年代，随着计算机控制技术和电力电子技术的飞速发展，在提升机拖动系统中，采用电动机 +可控硅整流 +全数字调节 +PLC控制 +上位机监控控制方式。对于这种控制方式主要有以下几点优点：硬件结构简单，故障点少，可靠性高；可控进度高，工作稳定性好；故障自诊断能力强，大大的降低了使用维护成本；具有较高的可购置性，扩展方便，运行灵活性高。这种提升机控制方式在近几年都在普及，然后由于个别厂家压缩成本，而在保护方面出现了偷工减料的现象，导致安全隐患的存在。 首先第一个隐患就是，测速环节，好多厂家都是用霍尔传感器，好一点的用增量编码器，这种测速方式误差大，受现场环境大，测速不准确，因此保护就不完全，这个测速环节必须用测速发电机，这样在 PLC的程 序才能更好的做到与速 本 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 40 页 度有关的保护。 第二隐患就是过分依赖变频器，提升机是煤矿企业的核心设备，而变频器是提升机的核心设备，直接关系生命安全，变频器对环境要求高，而现在煤炭企业的现场环境差是不容忽视的，运营时间长的不免对变频器造成损害，变频器故障，这样就导致了提升机的瘫痪。 另一方面由于煤矿自身管理问题存在以下安全技术缺陷 : 1、提升设备的安全保护装置不全。目前矿山使用的提升设备，其安全保护装置普遍不全，其原因主要有： （ 1）矿山企业的机电管理人员普遍反映，不知道按规定究竟需要安装哪些安全保护装置； （ 2）部 分提升设备购置时就未配全保护装置（如：普遍缺少深度指示器失效保护装置 ）； （ 3）部分矿山企业因种种原因有意甩开保护装置（拆除或断线），导致该项保护装置不起作用。 2、设备长期带病运行。金属非金属地下矿山尤其是大量的小型矿山，因技术力量薄弱，设备的选型、安装、调试、维护、管理等均是参照周边同类矿山，因此同类问题往往体现出很强的地域性。这些小型矿山，不知如何维护设备。比较严重的问题有：安全保护装置不起作用，形同虚设；保险闸损坏不及时修复；斜井提升井口不装阻车器；声光信号装置不全；实际提升荷载长期超设备设计能力；斜井人车没有进行定期维护和检验，手动落闸无法实现等，存在严重的安全隐患。 3、带式制动矿用提升绞车广泛用于小型矿山的主提升。近几年的检验中发现，小型金属非金属地下矿山企业普遍采用带式制动矿用提升绞车用于矿山主提升。此外，有不少企业采用卷筒直径 0.8m 的小绞车用于矿山主提升，使用的设备种类五花八门，有调度绞车、建筑卷扬机、电控卷扬机、运输绞车等， 这些设备的共同点是工作制动器（常用闸）采用手动带式闸，因无深度指示器，也就没有深度指示器失效保护、过卷保护和开始减速时能自动示警的警铃，由于卷筒直径小，实 际使用时卷筒上缠绕钢丝绳的层数难以符合标准要求（标准规定：用于斜井专门升降物料时不得超过 3 层）。更令人担忧的是，甚至有些矿山将这样的设备用于竖井提升。 本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 40 页 4、老设备未进行技术改造。自 20世纪 70年代开始，我国的仿苏产品 KJ型单绳缠绕式提升机在使用后陆续发现存在一些结构性缺陷。如强度不够（由于该产品卷筒结构为薄壁强支结构）、制动力矩较小、制动可靠性低等，时至今日，这类提升机有一部分已报废，有一部分已经改造，但也还有一部分未经任何改造依然在矿山使用。 1.5 矿井提升机的发展趋势 近几十年来，随着各种新 技术在矿用提升设备上的运用，提升设备的结构、制动方式和自动控制等方面都有了很大的改进，总的发展趋势为 14 15： 1、矿井提升机在总体上向大负载、高速度、大型化方向发展。为了确保提升设备无事故运行，在提升设备有可能出事故的各个重要环节上，设有各种检测、控制、保护装置。为了提高生产效率，消除操作上的人为因素，在提升设备上配备全自动运行控制装置。 2、无论是煤矿还是金属非金属矿山，无论是国内还是国外，随着矿井开采深度的加大，提升的井筒越来越深，缠绕式提升机由于受缠绕层数的限制，已不能满足开采的需要，因而逐渐 被多绳摩擦式提升机所代替 。 3、提升设备电气控制技术发展迅速。 目前，直流提升系统已经向直流整流装置 +编码测速技术 +PLC+PLC 独立保护+工业电视 +计算机监控 +网络的方向发展；交流提升系统是向变频技术 +编码测速技术 +PLC+PLC独立保护 +工业电视 +计算机监控 +网络的方向发展；电气控制技术的发展使提升机的控制更加自动化，各种保护功能更加齐全，操作更简单，有效地提高了提升系统运行的稳定性和安全可靠性。 本 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 40 页 2 常见提升机的简介 2.1 缠绕式、摩擦式提升机的工作原理 我国目前广泛使用的有单 绳缠绕式和多绳摩擦轮式两种，以下就重点介绍此两种提升机的工作原理。 2.1.1 单绳缠绕式提升机的工作原理 缠绕式提升机的主要部件有主轴、卷筒 主轴承 调绳离合器、减速器、深度指示器和制动器 。示意图如图 2-1所示。 13 图 2-1缠绕式矿井提升机 单绳缠绕式提升机是较早出现的一种类型，工作原理比较简单，就是将钢丝绳的一端固定在提升机的卷筒上，另一端绕过井架上的天轮与提升容器相连接，利用两个卷筒上钢丝绳的缠绕方向的不同，当提升机转动时，使两个容器一个上升一个下降，以完成提升任务，这种提升机在我 国矿山中广泛使用。按卷筒数目的不同，有单筒及双筒提升机两种。双筒提升机在主轴上装有两个卷筒，其中之一与主轴固接（键装或热装），称为固定卷筒；另一卷筒则滑装在主轴上，通过离合器与主轴连接，称为游动卷筒。将两种卷筒做成这样的目的，是为了在需要调绳及更换提升水平时，两个卷筒可以有相对运动。单卷筒提升机只有一个卷筒，一般用于单钩提升，但是如果在单卷筒上固定两根钢丝绳，且其缠绕方向相反，也可作双钩提升，这时，由于一根钢丝绳自卷筒上松放，另一根则向卷筒上缠绕，卷筒表面得到了充分利用，所以单卷筒提升机相对于双卷筒提升机来 说，质量和 本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 40 页 体积都小很多。不过单卷筒提升机做双钩提升时，绳长的调节颇为不便，为此，可以把单卷筒制成可分离式的两部分，一部分与主轴固接，另一部分通过离合器与主轴相连，这种型式的称为可分离式单卷筒提升机。 2.1.2 多绳摩擦式提升机的工作原理 多绳摩擦式提升机的主要部件有主轴、主导轮、主轴承、车槽装置、减速器、深度指示器、制动装置及导向轮 。由于使用了数根钢丝绳代替一根钢丝绳，钢丝绳的直径变小，摩擦轮虽变为摩擦筒（亦称主导轮）而稍有加宽，但其直径亦变小。由于多绳不易在同一时间内断裂，故较为安全，多绳摩擦式提升机的结 构图示如图 2-2。 13 图 2-2多绳摩擦式矿井提升机 由于开采深度的增加，需要缠在卷筒上的提升钢丝绳变长，因而矿井提升机的卷筒宽度加大，这带来了一系列问题，如提升机主轴太长、绳弦偏角太大、机器加重而使转动惯量加大等。为了解决这个矛盾，德国人 Koepe提出将钢丝绳搭在摩擦轮上，利用摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦力来带动钢丝绳运动。与卷筒缠绕式相比，摩擦轮的宽度显著地变窄了，同时由于跨度变小，提升机主轴的直径与长度均有所降低，结果显著地减轻了机器的重力，而且由于回转力矩的减少，亦将 降低提升电动机的容量。 多绳摩擦提升设备的布置方式可分为塔式和落地式两类。其提升系统示意图如图 2-3和 2-4所示。 本 科 毕 业 设 计 第 8 页 共 40 页 多绳摩擦提升机的结构特点是与它的动力传递原理以及安装特点密切相关的。即由于它是靠摩擦力来传递动力的，它必须有较高摩擦系数的衬垫，为了保持几根绳的绳槽处的深浅相同，即各绳的摩擦半径相同，需设切槽装置，为了补偿钢丝绳蠕动或滑动对深度 指示器指示位置的影响，设置了深度指示器自动调零装置，为了在使用圆尾绳时尾绳可以松捻而避免打结，在罐笼底部下方设有尾绳悬挂装置。摩擦提升依靠衬垫与钢丝绳之间的摩擦力来传递动力，因此其工作可靠性就在于提升钢丝绳与安在主导轮上的摩擦衬垫之间是否产生滑动，即是否有足够的摩擦力。 2.2 缠绕式、摩擦式提升机的特点、存在的问题以及解决的方法 2.2.1. 缠绕式提升机的特点、缺点以及问题的解决 缠绕式提升机最大的特点是其结构及工作原理十分简单，就是利用钢丝绳的缠绕方向的不同来实现物料的提升。但是，正是因为其结构、工作 原理简单也导致其存在以下很多的问题和不足。 (1)缠绕式提升机只能应用于浅井或中等深度的矿井中。这是因为在深井及大终端载荷时钢丝绳和提升卷筒容绳面积要求太大，这导致了提升机体积庞大，质图 2-3 井塔式多绳摩擦提升系统示意图 图 2-4 落地式多绳摩擦提升系统示意图 本 科 毕 业 设 计 第 9 页 共 40 页 量激增，使提升机的提升高度受到滚筒容绳量的限制，不适用于深井提升。 (2)单绳缠绕式提升机的载荷由单根钢丝绳承担，因此单绳缠绕式提升机的钢丝绳直径往往很大。 (3)缠绕式提升机的钢丝绳缠绕在卷筒上，因此其卷筒直径比较大，这就使其回转力矩比较大，这就使缠绕式提升机的质量比较大，从而使电动机的容量和耗电量也增大，所以提升机的效率比 较低。 (4)卷筒的直径比较大，这就使提升机的提升速度受到了限制，因此电动机的转速也比较低，减速器比较大。 (5)缠绕式提升机的钢丝绳是缠绕在卷筒上，因此钢丝绳的弯曲次数比较多，这就导致钢丝绳的工作条件比较差，钢丝绳的寿命降低。 (6)单绳缠绕式提升机是用单根钢丝绳提升容器，因此容器在提升过程中会发生转动，这就使提升容器的罐耳和罐道发生摩擦，产生摩擦阻力。 (7)单绳缠绕式提升机由单根钢丝绳提升容器，因此它的安全性比较低。 缠绕式提升机存在的一些问题是可以通过改变其结构而解决的。例如：单绳缠绕式提升 机的钢丝绳直径过大；单绳缠绕式提升机的提升容器的转动；单绳缠绕式提升机的安全性比较低。这些都是由于提升是靠单根钢丝绳承载造成的，要解决这些问题可以增加提升钢丝绳的数量，即采用多绳缠绕式提升机。而另一些解决不了的问题就要靠改变提升机的工作原理，采用摩擦式提升机来解决了。 11 2.2.2. 摩擦式提升机的特点、缺点以及问题的解决 多绳摩擦式提升机与单绳缠绕式提升机比较其主要优点： (1)提升高度不受滚筒容绳量的限制，适用于深井提升。 (2)载荷是由数根钢丝绳承担，故钢丝绳直径较相同载荷下单绳提升小。 (3)摩擦轮直径显著减小。 (4)由于摩擦轮直径小，回转力矩减小，在提升载荷相同的情况下，多绳摩擦提升机的质量比单绳缠绕式提升机小 1/4 1/5,提升电动机的容量和耗电量也相应降低，设备的效率提高。 (5)摩擦轮直径较小，在相同提升速度下，可以使用转速较高的电动机和较小的减速器。 (6)钢丝绳是搭放在摩擦轮上，减少钢丝绳的弯曲次数，改善了钢丝绳的工作条件。 本 科 毕 业 设 计 第 10 页 共 40 页 (7)采用偶数跟提升钢丝绳，钢丝绳的捻向是左右捻各半，消除了提升容器在提升过程中的转动，减少了容器的罐耳和罐道的摩擦阻力。 (8)数根钢丝绳同时承受载荷，提升 工作的安全性大为提高，数根钢丝绳被同时拉断的可能性极小，因此可以不再使用防坠器，从而减少了提升容器的质量。 虽然多绳摩擦提升机解决了单绳缠绕式提升机存在的一些问题，但是多绳摩擦提升机自身也存在一定的缺陷与不足。 (1)数根钢丝绳的悬挂、更换、调整、维护检修工作复杂，而且有一根钢丝绳损坏需要更换时，为保持各钢丝绳具有相同的工作条件，往往需要更换所有的钢丝绳。 (2)因不能调节绳长，故双钩提升工作不适用于多水平提升。 (3)当井深超过 1700m 时，钢丝绳与容器在连接处的应力波动的较大，钢丝绳的故障增多，故钢丝绳 摩擦提升不宜用于超深井提升。 要解决多绳摩擦式提升机钢丝绳的悬挂、更换等检修复杂、不适用于多水平提升、不宜用于超深井提升这些问题，不是单靠改变提升机的结构能够解决的。多绳摩擦式提升机本身的原理是利用多根钢丝绳和摩擦衬垫的摩擦力来传动的，因此要解决多绳摩擦式提升机的这些问题就必须改变其工作原理，因此这些问题并不是摩擦式提升机自身可以解决的。 11 本 科 毕 业 设 计 第 11 页 共 40 页 3 矿井提升机的设计选型计算 3.1 设计背景和依据 1.设计背景 : 山西天泰和瑞煤业有限公司位于泽州县下村镇北约 3Km处，行政区隶属 下村镇管辖，其地理坐标为北纬 500435 130435 ，东经 2124112 112 0334 。 井田面积 1.244Km2 ，井田内稳定可采煤层为山西组的 3 号煤层及太原组的15号煤层。含煤地层总厚 137.55m，煤层平均总厚 12.82m，含煤系数 9.32%。矿井 3 号煤层探明经济基础储量为 9263Kt， 15 号煤层经济基础储量为 1035Kt。 3号煤为中灰、特低硫、高热值无烟煤，具有一定市场竞争力。 矿井布置主力井、副立井、回风立井三个井筒。主力井圆形断面，净直径 5.5m，垂深 283m，净断面积 23.75m2 。主力井设计为担负矿井的原煤提升任务，兼做为矿井的进风井和一个安全出口。 2.设计依据 : 1)矿井年产量： An=45万吨 2)工作制度：年工作日 330天，日工作小时 16h 3)井筒深度：sH=283m 4)装载高度： Hz=20m 5)卸载高度： Hx=18m 6)煤的松散密度： =0.95 7)矿井电压： 3000v、 6000v 8)主井提升方式：双箕斗 ,井底设煤仓，定量自动装载 3.2 竖井提升容器的选择 3.2.1 提升容器的比较及其应用范围 提升容器主要是底卸式箕斗和普通罐笼。箕斗的优点是：质量轻，所需井筒断面积小，装卸载可自动化，且时间短，提升能力大。箕斗的缺点是：井底及井口需要设置煤仓和装卸载设备，只能提升煤炭，不能升降人员、设备和材料，井架较高，需要另设一套辅助提升设备。 罐笼的优点是：井底及井口不需设置 煤仓，可以提升煤炭、矸石，下放材料，升降人员和设备，井架较矮，有利于煤炭分类 本 科 毕 业 设 计 第 12 页 共 40 页 运输，罐笼的缺点是：质量大，所需井筒断面积大，装卸载不能自动化，而且时间较长，生产效率较低。 选择箕斗还是选择罐笼，需要根据多方面的技术、经济指标来确定。 3.2.2 主井箕斗规格的选择 进行提升设备选型设计时，矿井年产量 An和矿井深度 Hs为已知条件。当提升容器的类型确定后，还要选择容器的规格。在提升任务确定之后，选择提升容器的规格有两种情况：一是选择较大规格的容器，一次提升量较大，则提升次数少。这样，因为一次提升量较大，所需的 提升钢丝绳直径和提升机直径较大，因而初期投资较多。但提升次数较少，运转费用较少。二是选择较小规格的容器，情况和上述的相反，因而初期投资较少，而运转费用则较多。那么，应该如何选择提升容器的规格才是合理的呢 ?其原则是：一次合理提升量应该使得初期投资费和运转费的加权平均总和最小。为了确定一次合理提升量，从而选择标准的提升容器，可按以下步骤计算： 8 (1)确定合理的经济速度 Vj 与一次合理提升量相对应的，有一个合理的经济速度。经研究证明，合理的经济速度 Vj 可用下式计算 10： HVj )5.03.0( （ 3-1） 式中： H为提升高度， H=Hz+Hs+Hx； Hz为装载的高度，根据设计任务书 Hz=20m； Hs为矿井的深度，根据设计任务书 Hs=283m； Hx为卸载高度，根据设计任务书 Hx=18m； H=Hz+Hs+Hx=20+283+18=321m 所以： HV j )5.03.0( =（ 0.30.5） 321 =5.378.95 m/s 取 Vj=6.6 m/s (2)估算一次提升循环时间 XT aVVHT jjX （ 3-2） 式中： a为提升加速度， 取 a=0.5m/s2； 本 科 毕 业 设 计 第 13 页 共 40 页 为箕斗低速爬行时间，取 =15s； 为箕斗装卸载休止时 间，一般取 =8s。 aVVHT jjX =321/6.6+6.6/0.5+15+8=84.8s (3)计算小时提升量 As )/( httbACaAsrnfs （ 3-3） 式中： C为提升不均衡系数 ，有井底煤仓时 C=1.11.15，无井底煤仓时取 C=1.2，根据设计背景，本矿井有井底煤仓，因此取 C=1.12。 An为矿井设计年产量 ,根据设计任务书 An=45万吨。 af为提升富裕系数，取 af=1.2。 ts为提升设备每天工作小时数，根据设计任务书 ts=16h。 br为提升设备每年工作日数，根据设计任务书取 br=330天。 srnfs tbACaA=1.12 1.2 450000/（ 330 16） =114.55 t/h (4)计算小时提升次数 ns Xs Tn 3600 （次） （ 3-4） Xs Tn 3600 =3600/84.8=42.45 次， 取 ns=42次。 (5)计算一次合理提升量 Q sSnAQ （ 3-5） sSnAQ =114.55/42=2.73 t 根据式（ 3-5）求出的一次合理提升量 Q ，查表 3-1选取与 Q 相等或接近的标准箕斗，其名义装载量可以大于或小于 Q 。在不加大提升机滚筒直径的条件下，应尽量选用大容量箕斗，以较底的速度运行，降低能耗，减少运转费用。 本 科 毕 业 设 计 第 14 页 共 40 页 表 3-1箕斗规格型号 型号 JL-3 JL-4 JL-6 名义装载质量 KN 30 40 60 有效容积 M 3.3 4.4 6.6 提升钢丝绳直径 m 31 37 43 刚性罐道 规格 380N/m钢轨 数量 2 箕斗质量 T 3.8 4.4 5.0 最大终端负荷 T 8 9.5 12 最大提升高度 m 500 650 700 箕斗总高 mm 7780 8560 9450 箕斗中心距 mm 1830 1830 1870 查表 3-1，选用 JLS-3型箕斗，其参数见上图。 (6)计算一次实际提升量 选取标准箕斗后，根据所选箕斗的有效容积和煤的松散容重计算一次实际升量 Q VQ （ 3-6） 式中：为煤的松散容重， V为标准箕斗的有效容积。 VQ =0.95 3.3=3.135t 设置井下装载系统，使用给煤机配用 3t 定重容器装载。所以箕斗每次实际提升量 Q=3t。 3.3 提升钢丝绳的选择计算 3.3.1 钢丝绳的分类 按结构分类：分为点接触钢丝绳、线接触钢丝绳、面接触钢丝绳、多层股不旋转钢丝绳、异型股钢丝绳（三角股、扇形股、椭圆形股和扁平形）、满充式钢丝绳、涂塑钢丝绳等。 按 绳芯分类：天然纤维芯钢丝绳、合成纤维芯钢丝绳、 金属绳芯钢丝绳、金属股芯钢丝绳。 按用途分类：可分为一般用途钢丝绳、重要用途钢丝绳。 本 科 毕 业 设 计 第 15 页 共 40 页 3.3.2 钢丝绳的标示 表面：光面钢丝绳用 NAT表示，镀锌钢丝绳用 ZBB、 ZAB、 ZAA 表示。 绳芯：纤维芯用 FC 表示（其中天然纤维芯用 NF 表示，合成纤维芯用 SF 表示，如：聚丙烯用 PP 表示，聚乙烯用 PE 表示）。金属绳芯用 IWR 表示，金属股芯用 IWS表示。 捻法：右交互捻用 ZS，左交互捻 SZ，右同向捻用 ZZ，左同向捻用 SS。 绳股：圆股不用代号标记。 “V” 表示三角股； “ ” 表示椭圆股； “T”表示面接触钢丝绳； “S” 表示西鲁式钢丝绳； “W” 表示瓦林吞式钢丝绳； “SW”表示西鲁 瓦林吞式钢丝绳； “FI” 填充式钢丝绳； 钢丝绳强度： 1570、 1670、 1770、 1960等等 钢丝绳完整表示方法 18 NAT 6 19S+FC 1770 ZS GB/T20118-2006 产品执行标准（一般用途） 钢丝绳捻向（右交互捻） 公称钢丝抗拉强度（ MPa） 钢丝绳结构（西鲁式、麻芯） 钢丝绳表面状态（光面） 钢丝绳公称直径 3.3.3 钢丝绳结构选 择 1、对于单绳缠绕式提升，一般宜选用光面右同向捻、断面形状为圆形股或三角股、接触形式为点或线接触的钢丝绳；对于矿井淋水大、水的酸碱度高，以及在出风井中，由于腐蚀严重，应选用镀锌钢丝绳。 2、在磨损严重的条件下使用的钢丝绳，如斜井提升等，应选用外层钢丝尽可能粗的钢丝绳；斜井窜车提升时，宜采用交互捻钢丝绳。 3、对于多绳摩擦提升，一般应选用镀锌、同向捻（左右各半）的钢丝绳，断面形状最好是三角股。 4、罐道绳最好用半密封钢丝绳或三角股绳，表面光滑，比较耐磨。 3.3.4 单绳缠绕式 (无尾绳 )立井提升钢丝绳选择计算 提升钢丝绳的选择计算是提升设备造型设计中的关键环节之一。钢丝绳在运转中受有许多应力的作用和各种因素的影响，如静应力、动应力、弯曲应力、扭 本 科 毕 业 设 计 第 16 页 共 40 页 转应力和挤压应力等，磨损和锈蚀也将损害钢丝绳的性能。综合考虑以上应力因素的精确计算是很困难的，目前国内外都是按静载荷近似计算的。我国是按煤矿安全规程的规定来设计的，其原则是：钢丝绳应按最大静载荷并考虑一定的安全系数来进行计算。 安全系数是指钢丝绳钢丝拉断力的总和与钢丝绳的计算静拉力之比。但是应当注意，安全系数并不代表钢丝绳真正具有的强度储备，只不过表示经过实践证明 在此条件下钢丝绳 可以安全运行。 图 3-1所示为一立井单绳提升钢丝绳计算示意图。 钢丝绳的最大静拉力作用于 A点处，其值为： cz pHQQQ m ax (式 3-7) 式中：maxQ为钢丝绳承受的最大计算静载荷； Q 为一次提升的有益载荷 ,Q=3 410 N zQ 为容器重量； zQ =3.8 410 N p 为钢丝绳每米重力； cH为钢丝绳悬垂长度，zsjc HHHH =34+283+20=337m； jH为井架高度；sH矿井深度； zH 为容器装载高 根据煤矿安全规程对安全系数的规定 5，必须满足下式 ： acZB mpHQQS 0 （ 3-8） 式中： ma为新钢丝绳的安全系数，其值必须严格按照煤矿安全规程规定选取。 S0为钢丝绳所有钢丝断面面积之和， m2 B为钢丝绳抗拉强度， Pa 一般钢丝绳的平均比重近似取 0.09 N cm3 ，于是有下式： )/(00 mNSp （ 3-9） 式中： 0为钢丝绳的比重， 0=9.0 104 N/m3 将式 (3-9)代入式 (3-8)得： 图 3-1 钢丝绳计算示意图 本 科 毕 业 设 计 第 17 页 共 40 页 acZBmpHQQP 0 BP )ma0 CZ PHQQ （ P( B- )ma0 CH )(ma0 ZQQ )/(0mNHmQQpCaBZ （ 3-10） 代人 0=9.0 104 N/m3的值后，得出选择每米钢丝绳重的公式为： )/(101.1 5 mNHmQQpCaBZ （ 3-11） 查表 3-2，钢丝绳的抗拉强度 B数值有 表 3-2 钢丝绳的抗拉强度 B 钢丝绳公称抗拉强度 /MPa 1470 1570 1670 1770 1870 取 B=1770MPa 表 3-3 钢丝绳安全系数 ma 最低值 5 用途分类 安全系数最低值 单绳缠绕式提升装置 转为升降人员 9 升降人员和物料 升降人员时 9 混合升降时 9 升降物料事 7.5 专为升降物料 6.5 本次设计的为专为升降物料提升装置，因此 ma=6.5 所以 3375.6 101700101.1108.31036544P=23.4 N/m=234 kg/100m 根据计算结果查图 3-2选取钢丝绳型号 1 本 科 毕 业 设 计 第 18 页 共 40 页 图 3-2钢丝绳型号 选取直径为 30mm，天然纤维芯钢丝绳，抗拉强度为 1770MPa，其型号表示为：30 NAT 6 19S+FC 1770 Z GB/T20118-2006 由于实际所选钢丝绳的 0 不一定是 0.09 N cm3，因此所选绳是否满足安全系数的要求必 须按实际所选每米绳重按下式进行验算，即所选绳的实际安全系数为： CZqa pHQQ Qm （ 3-12） 式中 Qq为所选钢丝绳全部钢丝破断拉力总和，查上表得 525KN Q 为一次提升的有益载荷 ,Q=3 410 N zQ 为容器重量； zQ =3.8 410 N PHC=337 332 10 100=11188.4N 所以 CZqa pHQQ Qm = 63.64.1 1 1 8 8108.3103 10525 44 3 6.5 本 科 毕 业 设 计 第 19 页 共 40 页 经验算所选钢丝绳在安全规程规定值内，是可以使用的。选用合格。 3.4 天轮 选择计算 天轮安装在井架上，作支撑，供矿井提升时支拖提升机卷筒到提升容器之间，引导钢丝绳转向之用。绳槽带塑衬或胶块，增加钢丝绳的使用寿命。 6 3.4.1 天轮分类 立井天轮， 凿井天轮， 游动轮。 3.4.2 天轮结构 直径 4000mm时，采用模压铆接结构； 直径 3500mm时，采用模压焊接结构； 直径小于 3000mm 时，采用整体铸钢结构。 天轮轮缘的结构对钢丝绳的使用寿命有一定影响，应尽量减轻轮缘的重量。 3.4.3 天轮工作原理 1)立井天轮及凿井天轮的轮体只作旋转运动。 2)立井天轮主要用于立井提升及斜井箕提升。 3)凿井天轮用于立井凿时悬吊吊盘及稳绳。 4)游动天轮的轮体除作旋转运动外，还可以轴向移动，主要适用于串车提升。 3.4.4 立井天轮基本尺寸 立井天轮基本尺寸见图 3-3 本 科 毕 业 设 计 第 20 页 共 40 页 图 3-3天轮基本尺寸 3.4.5 天轮的选型计算 天轮安装在井架上，作为提升钢丝绳的支撑、导向之用。根据煤矿安全规程的规定，天轮直径tD需按下面条件确定。 5 tD 80d （ 3-13） 并且应满足 tD1200 （ 3-14） 式中 d为钢丝绳直径， d=30mm 为钢丝绳中最粗钢丝直径 =2mm 则 tD80d =80 30=2400mm tD1200 =1200 2=2400mm 查图 3-3选用 TLG 2500/17的天轮。 天轮特征表 型号 名义直径 mm 绳槽半径 mm 轴承中心高 mm 总重 N TLG 2500/17 2500 17 200 15100 本 科 毕 业 设 计 第 21 页 共 40 页 3.5 提升机的选型计算 选择提升机的主要参数有：卷简直径 D；卷筒宽度 B；提升机最大静张力 Fjmax及最大静张力差 Fjc。其中卷筒直径 D为选择提升机规格型号的依据；其他三个参数为校核参数 选择提升机卷筒直径的主要原 则是：使钢丝绳在卷筒上缠绕时所产生的弯曲应力不要过大，以保证提升钢丝绳具有一定的承载能力和使用寿命。理论与实践已证明，绕经卷筒和天轮的钢丝绳，其弯曲应力的大小及其疲劳寿命取决于卷筒与钢丝绳直径的比值。 3.5.1 提升机的表示方法 2 J K B 改进序号 补充特征（变频调速为 P，直流调速为 Z，开关磁阻为D，电阻调速不注） 卷筒宽度，单位为米（ m） 卷筒直径，单位为米（ m） 隔爆型（非隔爆型不注） 矿井提升机 卷扬机类 双卷筒（单筒不 注） 示例 1：卷筒直径为 3m、宽度为 2.2 m，采用非隔爆型电阻调速的单卷筒单绳缠绕式矿井提升机的产品型号为： JK-3 2.2。 3.5.2 提升机的计算 3 图 3-4所示是锁股 (密封 )钢丝绳进行弯曲试验的结果，由图示可知，在同一钢丝绳直径条件下，卷简直径愈大，弯曲应力愈小；在相同卷简直径条件下，绳径愈小，弯曲应力愈小，即比值 D d愈大，弯曲应力愈小。 图 3-5 所示为在不同的 D d 弯曲条件下，钢丝绳试验载荷与其耐久性的关系。由图 3-3 可知，在试验载荷相同时， D d 愈大，钢丝绳所能承受的反复弯 本 科 毕 业 设 计 第 22 页 共 40 页 曲次数愈多， 疲劳寿命愈长。 对于安装在地面的提升机，其直径与钢丝绳直径的关系如下： 80Dd (3-15) 1200D (3-16) 式中： D 为提升机卷筒直径； d为提升钢丝绳直径 ,d=30mm； 为提升钢丝绳中最粗钢丝绳直径 , =2mm 所以： D 80d =80 30=2400mm D 1200 =1200 2=2400mm 图 3-4 钢丝绳弯 曲应力图 图 3-5 不同的 D/d 时载荷与耐久性的关系 本 科 毕 业 设 计 第 23 页 共 40 页 表 3-3 JK矿井提升机型号参数表 产 品 型 号 卷筒 钢丝绳最大静张力 钢丝绳最大静张力差 钢丝 绳最 大直 径 钢丝 绳最 小拉 断力 总和 提升高度或运输长度 最大提升速度 电动机转速(不大于 ) 个 数 直径 宽度 两卷筒中心距 载人 载物 载人 载物 一层缠绕 二层缠绕 三层缠绕 不大于 m kN mm kN m m/s r/min 2JK-2.5 1.2 2 2.5 1.20 1.29 69 90 55 30 621 215 422 670 8.8 750 2JK-2.5 1.2P 2JK-2.5 1.35 1.35 1.44 286 564 885 2JK-2.5 1.35P 2JK-2.5 1.5 1.50 1.59 302 638 1013 2JK-2.5 1.5P 查表 3-3，初步选用 2JK-2.5 1.2 型号的提升机，其卷筒直径为 2.5m，宽度为 1.2m。 选定了标准卷筒后，根据实际需要在卷筒上缠绕的钢丝绳长度来计算卷筒的实际宽度 B 。在提升机卷筒上应容纳以下几部分钢丝绳： (1)提升高度 H， m。 (2)提升钢丝绳试验长度，规定每半年剁绳头一次，每次剁掉 5 m，按提升钢丝绳的使用寿命为三年计，则试 验长度为 30 m。 本 科 毕 业 设 计 第 24 页 共 40 页 (3)为了减少钢丝绳在卷筒上固定处的拉力，钢丝绳在卷筒上松绳时，不能全部松放，应在卷筒表面保留三圈摩擦圈，则卷筒的实际容绳宽度 B为： 30( 3 ) ( )HBdD (3-17) 式中： H为提升高度 ， H=321m D为提升机卷筒直径 ， D=3m d为提升钢丝绳直径 ， d=0.03m 为提升钢丝绳绳圈间的间隙，一般为 2-3mm，卷筒直径较大时，取大值取 =3mm 30( 3 ) ( )HBdD = m33.1003.003.03314.3 30321 1.2m BB ，若提升机用于有升降人员的竖井副井提升，根据煤矿安全规程规定，钢丝绳在卷筒上只能缠绕一层。若提升机用于竖井主井提升，当提升钢丝绳在卷筒上作单层缠绕时，当B B。根据煤矿安全规程规定：竖井主井提升的提升钢丝绳可在卷筒上缠两层。而本设计为主井竖井的提升，因此可以选用两层缠绕方式。另一方面，根据上表提升机的参数情况可知：本矿井提升的高度为 321m，如做单层缠绕时不能满足提升高度要 求。因此选用双层缠绕方式。作双层缠绕时，提升钢丝缠在卷筒上的实际缠绕宽度 B可按下式 3-103303525.22335.2303213330 dDkDnHBp (3-18) 式中： Dp为平均缠绕直径； K为缠绕层数 ， k=2； n 为错绳圈数。 其中： 22 )(42 1 ddkDD P （ 3-19） 为了避免绳圈总在一个地方过渡，每季度要将提升钢丝绳错动 1 4圈，根据提升钢 丝绳的使用年限，一般取 n=2 4 圈，本次计算取 n=3。 所以： 本 科 毕 业 设 计 第 25 页 共 40 页 22 )(42 1 ddkDD P =2.5+ 223- 330-304102 1-2 =2.525m 带入（ 3-18）得： 3-103303525.22335.2303213330 dDkDnHBp=0.927m 1.2m 所选 2JK-2.5 1.2 型号的提升机，其卷筒直径为 2.5m，宽度为 1.2m，双层缠绕，满足使用要求。 3.5.3 提升机强度校验 为了保证提升机在其设计强度范围内工作，使提升机的工作负荷不超过其设计值，还必须验算提升工作的最 大静张力 Fjmax及最大静张力差 Fjc，使其满足所选提升机规定的数值 Fjmax和 Fjc，可按下式计算： m a xm a x jzj FpHQQF (3-20) jcjc FpHQF (3-21) 式中： Q 为一次提升的有益载荷 ,Q=3 410 N； zQ 为容器重量， zQ =3.8 410 N； p 为提升钢丝绳单位长度重力， P=33.2N/m； H为提升高度， H=321m； 提升机最大静张力 Fjmax及最大静张力差 Fjc在产品规格表中给出maxJF=90KN,jcF=50KN。 所以 : KNKNpHQQF zj 90782992.33108.3103 44m a x KNKNFpHQF jcjc 5566.403 2 12.33103 4 验算合格，因此所选提升机卷筒型号满足使用要求。 3.6 提升机与井筒的相对位置 图 3-6所示为影响缠绕式提升机安装位置的主要参数关系图。图中： 井架高度JH：地面至天轮中心线的距离。 本 科 毕 业 设 计 第 26 页 共 40 页 弦长 Lx：提升机卷筒轮缘至天轮轮缘的距离。 偏角：在绳弦所在平面内，从天轮轮缘作垂线使之垂直于井筒中心线，则绳弦与垂线所形成的角度称之为偏角。下绳弦与水平线形成仰角 图 3-6 影响提升机安装位置的主要参数关系图 3.6.1 钢丝绳弦长 Lx 及偏角 在提升过程中，弦长、偏角是变化的，且相互制约。为了防止运转时钢丝绳跳出天轮边缘， Lx 不宜过大。 Lx过大时，绳的振动幅度也增大。因此将弦长 Lx限制在 60m以内。由图 3-6可以看出，上、下两条绳弦长度不相等，但在计算中，近似地认为卷中心至天轮中心的距离即为弦长。 由图 3-6可见，当右钩提升即将开始时，右钩钢丝绳形成最大外偏角 1 ，左钩钢丝绳形成最大内偏角 2 ，当左钩提升即将开始时，左钩钢丝绳形成最大外偏角 1 ，右钩形成最大内偏角 2 。 限制偏角的原因及具体规定是： （ 1）偏角过大将加剧钢丝绳与天轮轮缘的磨损，降低了钢丝绳的使用寿命，严重时有可能发生断绳事故。因此，煤矿安全规程规定，内外偏角应小于 031 。 5 图 3-7 钢丝绳在卷筒上 缠绕时，“咬绳”示意图 本 科 毕 业 设 计 第 27 页 共 40 页 （ 2）某些情况下，当钢丝绳缠向卷筒时，发生“咬绳”现象。由图 3-7 可见，若内偏角过大，绳弦的脱离段与邻圈 钢丝绳不相离而相交，如图中 A点所示，这就是“咬绳”。有时，虽然内偏角并不是很大，但由于卷筒上绳圈间隙 较小、钢丝绳直径 d较大或卷筒直径 D较大也会“咬绳”。“咬绳”加剧了钢丝绳的磨损。 图 3-8提升机在不同， d及 D时避免“咬绳”的内偏角的允许角度曲线 由图 3-6可以看出，外偏角与弦长 L的关系式为： 4 x1 Ld3-2 aa r c t a n）（ SB （ 3-22） 式中： B为卷筒宽度， B=1.2m； S为两天轮中心距，查箕斗型号参数表，中心距 S=1.83m； a为两卷筒之间的距离，查提升机型号参数表， a=0.09m； 上式中：若取 Lx较小， 1 能超过最大允许值 031 ，应以煤矿安全规程规定的最大允许值 031 带入上式，求出相应的最小弦长min,XL。 4 即： m a x1m inx ta nd3-2 a SBL （ 3-23） 内偏角 2 与弦长 Lx的关系为： 本 科 毕 业 设 计 第 28 页 共 40 页 2 =xLS d)3D30H(-B-2aa r c t a n）（ （ 3-24） 式中： H为提升高度； 30为钢丝绳试验长度； 3为摩擦圈数； 2 查图 3-8可得 4212 o 。 上式中分子中跨弧一项代表提升终了时，卷筒表面未缠绳部分的宽度。 同理，以最大允许角度max2，代入上式，可求出相应的minx，L。 即： minx，Lm ax2t a nd)3D 30H(-B-2 a，）（ S （ 3-25） 要特别指出的是：上式应同时满足前述两个规定。 选择 L和 L 中的大值，定位最小弦长 L。若求出的 L已超 60m，设法解决。若仅由于“咬绳”致使 过小以致 L过大时，可以根据具体情况，适当增大 或采取其他措施，提高 以降低 L。 显然，式（ 3-25）是适用于单层缠绕的。对于双层或多层缠绕的提升机，由于层与层之间已加剧了钢丝绳的磨损。故一般不再考虑“咬绳”问题。多层缠绕时，minx，L的计算公式应为 4： minx，Lmax2tan2a， S （ 3-26） 则minx，L 421ta n2 09.0-83.1ta n2 am ax2 o S =35.6m 初步取 Lx=45m 把 Lx=45m带入（ 3-22）得到外偏角 1 =0.3 1.5 把 Lx=45m带入（ 3-24）得到内偏角 2 =0