多绳摩擦提升设备的选型计算.ppt

第九章 多绳摩擦提升系统的选型计算,河北工程大学机电学院,第一节 多绳摩擦提升系统选型计算的一般原则,第二节 多绳摩擦提升的防滑分析,第三节 多绳摩擦提升有关参数的确定,第一节 多绳摩擦提升系统选型计算的一般原则,多绳摩擦提升设备所用容器的选择应注意以下几点： 1) 双容器提升的能力是单容器的二倍，并具有设备的尺寸小、重量轻、投资省等一些优点。 2) 由于多绳摩擦提升机的提升钢丝绳的长度是固定的，在运行的短暂间歇时间里，无法调节钢丝绳的长度，因而双容器提升只适用于一个生产水平。 当矿井为多水平同时生产时，双容器只适用于最深的生产水平，一般为主要生产水平。在这个生产水平以上的各个生产水平，将只能作单容器提升的方式运行。 由于楔形罐道是井口及主要生产水平的必要的安全设施，提升容器不可逾越楔形罐道，因而，将不能为主要生产水平以下的生产水平服务。 3) 单容器带平衡锤的提升系统特别适合于多水平提升的矿井使用。而且由于平衡锤的重力大于提升容器的自重，因而改善了多绳摩擦提升系统的防滑性能。 对于同样提升高度及相同产量的矿井，采用单容器带平衡锤的提升系统时，则必须采用一次装载量较大的提升容器。因此相应地增大了多绳摩擦提升机(包括电动机)，设备重量、建筑面积及投资等都要随之相应增加。,4) 双容器提升系统，由于提升钢丝绳的变形(包括弹性伸长和残余变形)的影响，以及提升钢丝绳在主导轮衬垫上的蠕动，在实际运转中，只能保证井口的准确停车，即使是一个生产水平，也不能保证井底的容器停在准确的位置上。 单容器的提升系统，则不受钢丝绳的变形影响，能够确保在各个生产水平的准确停车。由于这一原因，往往某些只有一个生产水平的矿井也采用单容器的提升系统。 5) 对于多水平生产，而且对于煤有不同的品种、牌号有分装分运要求时，可以按照具体的产量及生产水平的需要，在一个井筒中装设两套单容器带平衡锤的提升设备。也可以采用一套单容器，另一套双容器提升方式。 究竟采用双容器或单容器的提升方式，应该结合矿井的具体特点，经过技术经济上的比较，权衡利弊后，才能最后确定。,二、提升钢丝绳的选择原则及计算方法,（一） 提升钢丝绳品种结构的选择原则 1) 当供应的条件允许时，应优先采用三角股钢丝绳；,2) 在三角股钢丝绳的货源无法解决时，应选用线接触、品种结构为W(瓦林吞式)、T(填充式)的同向捻圆股钢丝绳； 3) 在只有普通圆股点接触钢丝绳时，则应选用同向捻的钢丝绳。,（二）提升钢丝绳的选算计算步骤,1. 提升钢丝绳的绳端荷重Qd 箕斗提升时： (9-1) 罐笼提升时： (9-2) 式中 Qz 提升容器(箕斗或罐笼)的质量，kg； Q 一次提升量，kg； z 每次提升的矿车数； G 矿车中货载质量，kg； G0 矿车的质量，kg； g 重力加速度，m/s2。 (9-3) 式中 HH 尾绳环的高度，m，,2. 钢丝绳最大悬垂长度Hc,(9-4) S 提升钢丝绳的中心距(即提升容器在井筒中的中心距)，m； Hg 过卷高度，m，煤矿安全规程及煤炭工业设计规范规定：当提升速度小于10m/s时，过卷高度不小于速度值，且不小于6m；当提升速度不小于10m/s时，不小于10m； Ht 提升高度，m； (9-5) Hz 装载水平至井下运输水平的高度，m； Hs 井筒深度，m； Hx 卸载水平至井口的高度，m， Hk 提升容器在卸载位置时，容器底部至主导轮轴线的高度。,Hk 提升容器在卸载位置时，容器底部至主导轮轴线的高度， (9-6) Hr 容器全高，m；,Hf 防撞梁底部至导向轮层层面的高度，m； Hl 导向轮轴中心距楼板层面的高度，m； Hzx 主导轮中心至导向轮中心的高度，m。,3. Hzx数值的确定,应结合选定的多绳摩擦提升机主导轮的直径，从表9-1中选用。对于无导向轮的多绳摩擦提升机，Hzx = 0。 应该指出，这里Hzx的数值是做为设计开始时估算用的，在具体设计中可能有变化，在确定井塔高度时不仅受到罐道类型（钢罐道或钢缝绳罐道）的影响，对于钢丝绳罐道，如果采用液压调绳装置，则防撞梁底部至导向轮层地面的高度Hf，还要比一般绳罐道加大一些，因此，对于Hk数值的确定，不可过分地压缩。设计上应考虑留有余地。,1) 当已知S、r、R、时，求Hzx值 (9-7) 式中 在设置导向轮后，提升钢丝绳在主导轮上增加的围抱角()。 r 导向轮半径，m； R 主导轮半径，m；,2) 当已知Hzx、R、r、S时，提升钢丝绳在主导轮上增加的围抱角， (9-8) 式中 b主导轮中心与导向轮中心的距离,m； (9-9) L0主导轮中心与导向轮中心的水平距离,m； (9-10),除了以上的计算外，Hzx数值的最后确定，在结合建筑结构特点的情况下，还应根据防滑性能对围抱角的要求，进行适当的调整。 提升钢丝绳在主导轮上的围抱角，是按弧度计算的，可以利用下式求出 (9-11) 生产厂希望多绳摩擦提升机实际使用的围抱角不超过195。实际使用中应具体计算，hl的数值也是可以适当调整的。 4. 确定提升钢丝绳每米质量p 提升钢丝绳每米质量p的计算公式 箕斗提升， (9-12) 罐笼提升： (9-13) 式中 B 钢丝绳公称杭拉强度，Pa；0 钢丝绳密度，kg/m3； n 钢丝绳数目； g 重力加速度，m/s2； ma 提升钢丝绳的安全系数。,ma 提升钢丝绳的安全系数，煤矿安全规程及煤炭工业设计规范规定： 当钢丝绳悬垂长度Hc不大于1200m时，按下列公式计算： 专为升降物科时： ma7.2-0.0005Hc (9-14) 专为升降人员时： ma9.2-0.0005Hc (9-15) 降人员和物科时： 1) 升降人员时：ma9.2-0.0005Hc 2) 混合提升时：ma9.2-0.0005Hc 3) 升降物料时：ma8.2-0.0005Hc 根据计算出的p值，从钢丝绳规格表中选出钢丝绳。,5. 验算钢丝绳的安全系数,箕斗提升： (9-16) 罐笼提升： (9-17) 说明：由于还要对多绳摩擦提升的防滑性能进行验算，当防滑条件不能满足时，还需要增加提升容器的重量(加配重)以满足防滑的要求，在这种情况下，由于提升容器重量的增加，应根据增加配重后的容器自重，对提升钢丝绳的安全系数重新校验。,三、平衡尾绳的选择,平衡尾绳是为了平衡提升钢丝绳的重量而获得等力矩设置的。尾绳并不负担其它载荷而只承受其下面悬垂的钢丝绳本身的自重。 为了保证提升系统的安全运行，要求平衡尾绳具有不旋转、不扭结等特点。可使用扁钢丝绳作平衡尾绳。扁钢丝绳的主要缺点是，由于完全用手工编织，生产效率很低，产量很小，根本不能满足大多数矿井的使用需要。可用多层不旋转圆股钢丝绳：187、347两种。 目前，绝大多数生产矿井都已改用圆股钢丝绳作平衡尾绳。新建的矿井，设计中也已全部选用619、624、637等品种普通圆股钢丝绳作平衡尾绳。 可选用两条规格、品种结构相同的钢丝绳作平衡尾绳。也可选用三条。为了使平衡尾绳的总单重与提升钢丝绳的总单重接近甚至相等，在采用三条绳时，可以是品种结构、规格相同的；也可以是相同的品种结构，不同的规格(单重)的三条绳，具体的组成有两种：即“中粗侧细”或“中细侧粗”的办法。,在确定提升钢丝绳和平衡尾绳的结构品种及规格、数量之后，实际上的总单重将只可能出现以下三种情况： 1) 轻尾绳系统 npg n1qg (9-18) 2) 等重尾绳系统 npg = n1qg (9-19) 3) 重尾绳系统 npg n1qg (9-20) 式中 n 提升钢丝绳的数量； n1 平衡尾绳的数量； q 平衡尾绳的每米质量，kg/m。,从选型设计上说，希望采用等重尾绳，这对于生产管理也较方便(规格较少)，实际上当钢丝绳(提升绳及尾绳)的具体规格确定后，往往并不一定能做到完全相等，故在确定尾绳的规格时，可以使尾绳的总单重略重于提升钢丝绳的总单重(一般以不超过3为宜)，在这种前提下，提升系统的动力学可以按等重尾绳的提升系统计算，这样的简化计算，可以允许。 考虑采用稍重的尾绳，是由于重尾绳具有： 在提升开始时，平衡尾绳与提升钢丝绳的重力差Htg(n1q-np)相当于在空容器侧增加了平衡重，这对于电动机的起动是有利的，起动时间可以缩短，而提升系统的电力消耗也相应地降低了。 重尾绳的提升系统对于提升钢丝绳是不利的因素，因为当重容器在接近井口的停车位置时，提升钢丝绳的安全系数较提升开始时稍有降低，这也是规定超重在3以内的原因，超过太多，将使安全系数降低过多，为此将需要相应加粗提升钢丝绳(或需采用高强度的钢丝绳)，甚至提升机升级，采用较大主导轮的多绳摩擦提升机。,总之，设计上要尽量采用等重尾绳，当做不到这一点时，也应该使差重不能太大。 平衡尾绳除了只担负其本身的重力外，并无其它外加的负荷，因此，选用抗拉强度较低的钢丝绳，其安全系数也是较大的，煤矿安全规程对尾绳的安全系数并无具体规定，故不必再验算尾绳的实际安全系数。 当选用圆股钢丝绳(包括多层不旋转圆股钢丝绳)作平衡尾绳时，抗拉强度可选用1400MPa的钢丝绳，无需更高的抗拉强度。,四、多绳摩擦式提升机的选择,(一) 主导轮直径D 根据煤矿安全规程的规定：摩擦轮式提升机的主导轮直径D与提升钢丝绳直径d之比应符合下列要求： 无导向轮时， D/d 80 (9-21) 有导向轮时， D/d 100 (9-22) (二) 钢丝绳作用在主导轮上的最大静张力Fj 箕斗提升时， (9-23) 罐笼提升时， (9-24) 式(9-23)及(9-24)系按提升容器重载、停止在井底的停车点位置上列出的计算式，这适用于等重尾绳及轻尾绳的提升系统(对于重尾绳的提升系统，若重力差不超过3的系统也适用)。,对于重力差大于3的重尾绳系统，则应该按提升容器在井口停车的位置上，列出相应的计算式，即 箕斗提升时， (8-25) 罐笼提升时， (8-26) 对于等重尾绳的提升系统，由于npn1q的关系，故可以相应地简化为 箕斗提升时， (8-27) 罐笼提升时， (8-28),(三) 钢丝绳作用在主导轮上的最大静张力差Fc,箕斗提升时， (9-29) 罐笼提升时， (9-30) 式中 提升钢丝绳与平衡尾绳总单位质量之差， (9-31) 式(9-29)及(9-30)中的“”系取其绝对值，即不论式(8-31)中“”值是“+”或是“-”值，一律取“+”值计算。对于等重尾绳的提升系统，则0，于是式(9-29)及(9-30)可以简化为； 箕斗提升时， (9-32) 罐笼提升时， (9-33),第二节 多绳摩擦提升的防滑分析,多绳摩擦提升是柔软体摩擦传动的一种，因此，它的提升能力除了受到产量及工作制度等的约束外，还要受到摩擦条件的约束。 一、防滑安全系数 柔软体摩擦传动所能传递的牵引力与柔软体张力、围包角及摩擦系数有关。上升端钢丝绳张力Fs与下放端钢丝绳张力Fx的关系，可用欧拉公式（极限状态）表示 (9-34) 式中 提升钢丝绳与主导轮衬垫间的摩擦系数，取0.2； 提升钢丝绳在主导轮上的围包角，（）； e 自然对数的底，e = 2.718。 将上式两边各减去Fx，得到 (9-35) 上式左边为上升端与下放端钢丝绳张力差，企图使钢丝绳在主导轮上发生滑动。上式右边为钢丝绳与摩擦衬垫之间的摩擦力，它阻止钢丝绳与摩擦衬垫之间产生相对滑动。若张力差与摩擦力大小符合式(9-35)，说明两个力处于临界状态。,为了保证摩擦提升机无滑动地安全运行，必须使摩擦力大于张力差，即 (9-36) 或者 (9-37) 式中 防滑安全系数。 式（9-37）称为防滑安全系数的分析计算式。 在计算时，若Fs和Fx代表静张力，则计算所得的防滑安全系数称为静防滑安全系数，用j表示。 若Fs和Fx不仅包括静张力，而且包括在加、减速时的惯性力，则计算所得的防滑安全系数称为动防滑安全系数，用d表示。 煤炭工业设计规范规定：上提重物加速阶段及下放重物减速阶段的动防滑安全系数不得小于1.25，静防滑安全系数不得小于1.75。,煤炭工业矿井设计规范规定摩擦式提升防滑安全校验应符合下列规定：摩擦式提升机工作问所产生的制动力矩均不得小于提升最大静荷重旋转力矩的3倍；并应根据设计实用最大不平衡负载，按闸间隙2mm时的弹簧力配备制动器对数(即为允许最小安全制动力矩)，取其计算值进位为整数选取。摩擦式提升机保险闸所确定的安全制动力矩(即安全闸制动力矩)，应能满足不同负载(包括空载)在各种运行方式下产生紧急制动减速度时，主摩擦轮两侧张力比值(Fs/Fx)小于钢丝绳滑动极限(ea)且同时应满足重载下故减速度不小于1.5m/s2及重载提升减速度不大于5m/s2。摩擦式提升防滑安全校验应按下列公式计算：P1d/P2d ea。,至于钢丝绳滑动的方向，可能是向后滑（即钢丝绳的滑动方向与主导轮运转方向相反），也可能是向前滑（如安全制动或下放重物时），这要看主导轮两侧张力的大小情况而定。 静防滑安全系数为 即 当 = 0.25、 = 180200时， 。 计算防滑安全系数时，必须事先分析防滑安全系数的变化规律，就是找出一个提升循环中最易滑动的危险点，只要验算这一点的防滑安全系数就可以。,二、防滑安全系数的变化规律,(一) 上提货载 1等重尾绳系统 静防滑与动防滑安全系数不同。其规律如图9-3所示。,1) 静防滑安全系数 先求出钢丝绳的静张力。 上升端钢丝绳的静张力为 (9-38) 下放端钢丝绳的静张力为 (9-39) 式中 H0=Hk-Hx，m； Hk 井架高度，m； Hx 卸载高度，m； Wx 下放空容器运行阻力，N， 对于箕斗提升Wx0.075Qg；对于罐笼提升Wx0.1Qg； Ws 上提重容器运行阻力，N， 对于箕斗提升Ws0.075Qg；对于罐笼提升Ws0.1Qg。,钢丝绳最大悬垂长度Hc为 由于等重尾绳npn1q，所以 下放端钢丝绳的静张力Fxj为 (9-40) 上升端钢丝绳的静张力Fsj为 (9-41),将式(9-40)及(9-41)式代入(9-39)式得 (9-42) 式中 k 矿井阻力系数， 箕斗提升时，k取1.15；罐笼提升时，k取1.2。 对于箕斗，Qg + Ws + Wx = Qg +0.075Qg + 0.075Qg = 1.15 Qg = kQg； 对于罐笼，Qg + Ws + Wx = Qg +0.1Qg + 0.1Qg = 1.2Qg = kQg。,2) 动防滑安全系数 在提升加速开始时，动防滑安全系数最小， (9-43) 将(8-42)及(8-43)式代入式(8-45)得 (9-44) 式中 mx 下放空载侧变位质量， (9-45) ms 提升重载侧变位质量， (9-46) ns 导向轮数目； Gx 导向轮的变位质量，kg，Gx的数值可从表6-12中查出 导向轮的变位质量计入下放侧变位质量中的目的是可得到更低的防滑安全系数。换句话说，就是在导向轮侧下放比在导向轮侧上提更容易产生动态滑动。,2重尾绳系统 1)静防滑安全系数 在提升终了时达到最小值，可按下式计算 (9-47) 2) 动防滑安全系数,在提升终了或加速阶段终了时，动防滑安全系数可能最小。但由于提升终了时其动防滑安全系数大于静防滑安全系数，如果静防滑安全系数已经大于1.75，则动防滑安全系数就不用验算。这样，只验算加速阶段终了时的动防滑安全系数即可。,在多数情况下，对于重尾绳系统，当整个系统的变位质量不很大时，只要静防滑安全系数满足要求，动防滑安全系数也能满足要求。这就说明重尾绳系统改善了动防滑条件，因而当不能采用等重尾绳时，建议采用重尾绳系统。 (二) 下放货载 对于箕斗提升，一般仅作上面的计算已经够了。 对于罐笼提升，还要作下放货载的验算。,图9-5所示为等重尾绳系统下放货载防滑安全系数的变化规律。 由图9-5可见，静防滑安全系数为一常数，动防滑安全系数在提升终了时最小。,说明： 对于动防滑安全系数验算的必要性，目前国内外都存在着一些不同的看法。 有的认为：对于加、减速阶段的动防滑安全系数不必进行验算，而将Fsj/Fxj的比值控制在不超过1.5的范围内即可，国外有的国家也是这么规定的。 如果以动防滑安全系数不超过1.25作依据，则确定的允许加速度将偏于保守，计算出的加速度数值仅为按Fsj/Fx1.5时极限加速度数值的57。 动防滑安全系数的验算从防滑性能上看： 单、双容器提升时的防滑计算结果也不一样。 某些矿井(例如：井深较浅)采用双容器提升在防滑性能上不能满足要求时，如果改用单容器提升，往往其防滑性能却能符合要求。对于某些一次提升量较大的矿井，也有类似的情况。,就提升性质来说，罐笼提升与箕斗提升的防滑性能也不相同。前者由于自重大，具有较高的防滑性能。 动防滑安全系数应该进行验算，这是考虑到国产多绳摩擦提升机衬垫的质量尚需进一步提高。 使用中，也还需要一个熟悉过程，目前也不宜采用过大的加、减速度，故在计算选型时留有一定的余地，即偏于安全可靠些。 从国内外的矿井提升机使用情况看，加、减速度的数值实际上都没有采用过大的。,(三) 防滑性能的分析,下面对防滑性能中的最不利情况作进一步的分析 l静防滑 双容器提升时，以一侧提升货载(最大载重)，另一侧下放空容器(对于罐笼提升，则为下放侧的罐笼内无矿车或其它物件)时，对防滑性能最不利。 单容器提升时，以提升平衡锤，另一侧下放空容器时，对防滑性能最为不利。 最容易产生滑动的点为： 1) 轻尾绳的提升系统，为提升开始的始点； 2) 等重尾绳的提升系统，为提升过程的任意点； 3) 重尾绳的提升系统，为提升终了时的终点。,2动防滑 双容器提升时，以提升重物，下放空容器时的加速阶段，且导向轮位于下放侧时，对防滑最为不利。 单容器提升时，以提升平衡锤，另一侧下放空容器时的加速阶段，且导向轮位于平衡锤侧时，对动防滑最为不利。 最容易产生滑动的点为： 1) 轻尾绳的提升系统，为最大加速阶段的始点； 2) 等重尾绳的提升系统，为最大加速阶段的任意点； 3) 重尾绳的提升系统，为最大加速阶段的终点。,三、增大防滑安全系数的措施,从上式可见，增加围包角、摩擦系数和下放端钢丝绳的张力Fx都可以增大防滑安全系数。 (一) 增加围包角 最常用的围包角有180和185195两种。 当180时，提升系统具有设备尺寸小、井塔低，提升钢丝绳只受单向弯曲，因而使用寿命较长等一些优点，设计上应优先考虑采用这种提升系统。 与具有导向轮的提升系统相比，则围包角较小，提升能力较低；主导轮直径必须等于两侧提升中心距。 2) 对于185195的形式，围包角增大了，可以改变两侧提升钢丝绳的提升中心距，这是其优点。 缺点：增加了井塔高度，钢丝绳有附加弯曲，降低了钢丝绳使用寿命。 实践表明：当超过195以后，钢丝绳工作条件显著恶化，使钢丝绳使用寿命急剧下降。,(二) 提高摩擦系数,提高摩擦系数即寻找高摩擦系数、高比压和磨损小的新型衬垫材料。 目前生产厂供给的衬垫，摩擦系数虽然都大于0.2，但考虑到多绳摩擦提升机在实际运行中，衬垫会受到油污或井筒中淋水的影响，使摩擦系数有所降低，因此厂家规定：用户在设计选型中，摩擦系数仍按0.2计算。 在选用钢丝绳方面： 优先选用密封股钢丝绳或椭圆股、三角股钢丝绳，以增加钢丝绳在衬垫上的接触面积。 在使用过程中钢丝绳只能涂戈培油或者不涂油。,(三) 提高下放端钢丝绳的张力Fx,因为下放端多为空容器，所以有下列措施 1) 加大钢丝绳直径，即在可能范围内选用较粗或强度较低的钢丝绳，在尾绳配置上，采用重尾绳提升系统，但这将使在减速阶段的动防滑性能有所降低，因而实际上很少采用。 设计上一般都采用等重(或接近等重)尾绳提升系统。 2) 加大容器自重。 一般多绳提升箕斗或罐笼除用厚钢板制造外，由于箕斗自重较小，往往要增加配重(罐笼的自重较大，不需要增加配重)。 3) 采用单容器带平衡锤的提升系统。 煤矿安全规程规定：平衡锺的重力：专为升降人员用的，要等于罐笼本身重力加规定乘载人数半数的重力；升降人员和物料的，不得小于罐笼重力加规定乘载人数的重力。 4) 对于双罐笼提升设备，一般在上提货载时，在下放端的空罐笼中要放入空矿车，来提高下放端钢丝绳张力。 (四) 控制最大的加、减速度，减小动载荷 可以从电气控制和制动器两个方面想办法。,第三节 多绳摩擦提升有关参数的确定,为了保证多绳摩擦提升机的防滑要求，在设计中要注意防滑条件对各种参数的限制。 容器自重和加、减速度是与防滑条件有关的重要参数。 一、容器配重及加速度的确定 验算防滑条件利用式(9-37)。即存在两个条件：静防滑条件及动防滑条件。 利用静防滑条件求出的容器质量称为容器静防滑质量； 利用动防滑条件求出的容器质量称为容器动防滑质量。 这两个质量中较大者就应作为确定容器质量及配重的依据。 下面以等重尾绳双容器提升系统为例进行计算。,(一) 容器静防滑质量的计算,(9-48) 对于等重尾绳双容器提升系统，上式中各参数计算如下： (9-49) (9-50) (9-51) 式中 下放空容器或上提重容器的运行阻力系数，箕斗0.075；罐笼0.1。 将有关数据代入(9-48)式，即可求出容器静防滑质量Qzj为： (9-52),(二) 容器动防滑质量的计算,对于加速阶段，动防滑安全系数已由(8-46)式算出，即 (9-53) 将(8-47)及(8-48)式代入，进行整理之后得 (9-54),令 (9-55) (9-56) (9-57) 则式（9-54）变为 (9-58) 从而得到容器的动防滑质量Qzd为 (9-59) 上式中，对于某个确定的系统，A、B和C均为常数。因此，上式表示在动防滑条件下容器动防滑质量与提升加速度之间的函数关系。,(三) 确定加速度a1,利用式(9-59)确定容器动防滑质量时，必须先确定加速度a1。加速度a1除了受(8-56)式、(8-58)式以及煤矿安全规程有关规定的约束外，还要受容器动防滑质量的约束。加速度的增加会使容器动防滑质量加大。因此，在某些情况下，如果由式(8-56)、(8-58)以及煤矿安全规程确定的加速度值使容器质量增加很多时，那么也可以先确定一个可行的容器质量值，再回算加速度a1，即 (9-60) 但应注意的是，由上式确定的加速度值必须满足式(8-56)、式(8-58)以及煤矿安全规程的规定。,(四) 确定容器配重Qpz,将式(9-52)计算出的Qzj，与式(9-59)计算出的Qzd相比较，选其中较大者作为确定容器质量的依据