第六章主立井单绳缠绕式提升设备的选型计算

主立井提升设备是矿井生产的“咽喉”，其选型是否合理直接关系到矿井的生产能力、安全可靠性及经济效益。单绳缠绕式提升机因其结构简单、维护方便、适应范围广等特点，在中小型矿井及部分大型矿井的主立井提升中仍占据重要地位。本章将系统阐述主立井单绳缠绕式提升设备选型计算的原则、方法和步骤，为工程实践提供理论依据和实用指导。6.1选型计算的原始数据与基本依据在进行提升设备选型计算之前，必须全面收集和明确以下原始数据与基本依据，这是确保选型准确的前提。6.1.1矿井基本参数*矿井设计年产量：这是决定提升设备能力的核心指标，通常以万吨/年为单位。需明确矿井的服务年限及不同时期的产量规划。*井口与井底车场标高：用于精确计算提升高度。*提升井筒直径：限制提升容器的最大外形尺寸。*井筒倾角：对于立井，此值为90度，但需确认是否存在特殊区段。*煤层赋存条件与开采方法：间接影响提升物料的性质和提升量的不均衡程度。*矿井瓦斯等级、涌水量等安全相关参数：影响设备的安全防护等级和选型特殊要求。6.1.2提升容器与装载卸载方式*提升容器类型：根据提升物料性质确定，主立井通常采用箕斗（用于提升煤炭或矸石）或罐笼（可用于提煤、提矸、升降人员和设备）。主井提煤多优先选用箕斗，因其装卸载自动化程度高，提升效率高。*箕斗类型：如立井单绳箕斗有底卸式、侧卸式等，需根据煤质、粒度及卸载方式选择。*装载与卸载设备形式：其效率直接影响提升循环时间。6.1.3工作制度与时间利用系数*年工作日数：根据矿井生产组织确定，通常取300天左右。*日工作小时数：根据矿井规模和管理水平确定，一般为14~16小时。*提升设备的时间利用系数（K）：考虑到设备检修、故障处理及生产不均衡等因素，一般取0.7~0.9。6.1.4相关法规与标准必须严格遵守《煤矿安全规程》、《煤炭工业矿井设计规范》等国家及行业现行法规、标准和设计规范，确保选型的合法性和安全性。6.2提升系统基本参数计算在明确原始数据后，即可进行提升系统基本参数的计算，这是后续设备选型的基础。6.2.1提升高度（H）计算提升高度是指提升容器在井筒内运行的最大垂直距离，精确计算至关重要。对于箕斗提升：H=Hs+Hx+Hj+Hk式中：*Hs——井口水平至井底装载水平的垂直距离（m）；*Hx——卸载高度，即卸载曲轨终点至井口水平的垂直距离（m），由箕斗型号和卸载方式确定；*Hj——装载高度，即井底装载设备至井底装载水平的垂直距离（m），由箕斗型号和装载方式确定；*Hk——过卷高度（m），《煤矿安全规程》有明确规定，需根据提升速度和安全制动减速度计算确定，且不小于规程最小值。对于罐笼提升，计算方法类似，但需考虑罐笼进出车平台高度等因素。6.2.2一次提升量（Q）的确定一次提升量指一次提升循环中提升物料的质量（t），是提升能力的核心指标。首先按矿井年产量计算理论小时提升量：Qh=A*10^4/(T*K)式中：*A——矿井设计年产量（万吨/年）；*T——年提升工作小时数，T=年工作日数×日工作小时数；*K——提升不均衡系数，对主井提煤，一般取1.1~1.2。然后，一次提升量Q（t）与提升循环时间Tz（s）、提升速度v（m/s）相关，初步估算时可表示为：Q=Qh*Tz/3600但Tz又与H、v及加减速度有关，因此一次提升量的确定往往需要与提升速度、循环时间等参数综合考虑，迭代计算。同时，一次提升量还受到提升容器容积、提升机额定载荷、钢丝绳最大静张力等因素的限制，需取各限制条件下的最小值。6.2.3提升速度（v）与加速度（a）、减速度（a'）的选择*最大提升速度（vmax）：提升速度直接影响提升效率，但受安全规程限制和设备性能约束。《煤矿安全规程》规定了不同提升容器和提升高度下的最大允许速度。对于立井箕斗提升，当H>600m时，vmax≤15m/s；H≤600m时，vmax≤12m/s。罐笼提升速度通常低于箕斗。在初步选型时，可根据提升高度选取经验值或按公式估算。*加速度（a）与减速度（a'）：其大小影响提升时间、设备动负荷及乘坐舒适性（对罐笼）。《煤矿安全规程》规定a一般不大于0.5m/s²，a'不大于0.75m/s²，且下放重物时的减速度不得大于自然加速度。实际选取时应兼顾效率与安全。6.2.4提升循环时间（Tz）计算提升循环时间是指完成一次提升作业（包括装载、提升、卸载、下放空容器）所需的总时间。Tz=t1+t2+t3+t4+t5式中：*t1——装载时间（s）；*t2——提升时间（s），指容器从装载结束位置至卸载开始位置的运行时间，包括加速、等速、减速阶段；*t3——卸载时间（s）；*t4——下放时间（s），指容器从卸载结束位置至装载开始位置的运行时间；*t5——休止时间（s），考虑操作上的富裕时间。t2和t4的计算需根据速度图（通常为三角形或梯形速度图）进行。对于梯形速度图，运行时间为加速时间、等速时间与减速时间之和。6.2.5提升能力校核根据计算出的一次提升量Q和提升循环时间Tz，可计算实际提升能力：A'=(3600*Q*T*K)/(10^4*Tz)若A'≥A，则满足要求；否则，需调整Q或Tz（如提高v，缩短装卸载时间等）。6.3提升钢丝绳的选型计算提升钢丝绳是提升系统的关键部件，直接关系到提升安全，其选型计算必须精确无误。6.3.1钢丝绳的选择原则*用途：主立井提升应选用专为矿井提升设计的钢丝绳，如圆股右交互捻或左交互捻钢丝绳。*结构：根据提升条件选择，如单绳缠绕式提升常用6×19S、6×37S等结构的钢丝绳，其具有较好的柔韧性和耐磨性。*材质：选用优质高强度钢丝，如NAT（光面）或ZAB（A级镀锌）钢丝，镀锌钢丝可提高抗腐蚀能力。6.3.2钢丝绳最大静张力（Fjmax）及最大静张力差（Fjcha）计算对于单绳缠绕式提升机，钢丝绳的最大静张力发生在提升重载容器时：Fjmax=Q+Qr+Qs式中：*Q——一次提升货载质量（kg）；*Qr——提升容器（如箕斗）质量（kg）；*Qs——钢丝绳的质量（kg），Qs=p*H，p为钢丝绳单位长度质量（kg/m），H为提升高度（m）。最大静张力差则是提升重载侧与下放空载侧的静张力之差，对于单钩提升，Fjcha=Fjmax-(Qr空+Qs下)，其中Qr空为空载容器质量。此值是选择提升机的重要依据。6.3.3钢丝绳安全系数校核钢丝绳的选择必须满足《煤矿安全规程》规定的最小安全系数。对于专为提升物料的钢丝绳，其安全系数（m）为钢丝绳的破断拉力总和（Qp）与最大静张力（Fjmax）之比：m=Qp/Fjmax≥[m]式中：[m]——《煤矿安全规程》规定的最小安全系数，主井提升物料时一般取9。计算时，需注意Qp为所选钢丝绳的总破断拉力（需考虑钢丝绳的捻制损失），可从钢丝绳产品手册中查得。6.3.4钢丝绳直径（d）估算与选型在未选定具体钢丝绳型号前，可先估算所需钢丝绳的最小直径：d≥0.3*√(Fjmax/σ)式中：σ——钢丝绳的公称抗拉强度（MPa）。估算后，根据产品手册选择标准直径的钢丝绳，并进行安全系数的精确校核，直至满足要求。6.4提升机的选型计算提升机是提升系统的核心设备，其选型主要依据钢丝绳的最大静张力、最大静张力差以及滚筒直径等参数。6.4.1提升机型式选择单绳缠绕式提升机按滚筒数量可分为单滚筒和双滚筒提升机。单滚筒提升机结构简单，适用于单钩提升或双钩提升中一个容器固定在滚筒上的情况。双滚筒提升机可实现两个容器的同时提升与下放，便于调节绳长和更换水平，在大中型矿井中应用广泛。6.4.2滚筒直径（D）确定为保证钢丝绳的使用寿命和缠绕性能，滚筒直径与钢丝绳直径（d）的比值必须满足规定：D≥80d（对箕斗提升）或D≥60d（对罐笼提升）。同时，滚筒直径还应与钢丝绳的结构和强度相适应。6.4.3滚筒宽度（B）计算滚筒宽度取决于钢丝绳的缠绕层数、每层缠绕圈数及绳圈间的间隙。B=(n*(π*D+(n-1)*e)+(Z-1)*s)/π式中：*n——钢丝绳缠绕层数；*e——钢丝绳直径（m）；*Z——提升高度所需的钢丝绳缠绕圈数，Z=(H+L)/(π*D平均)，L为滚筒两端固定绳所需的余留圈数（通常为3~4圈），D平均为该层钢丝绳缠绕的平均直径；*s——层间过渡间隙（m）。缠绕层数不宜过多，一般不超过3层，以避免钢丝绳过度磨损和跳槽。6.4.4提升机电动机功率（N）计算提升机电动机功率需根据提升过程中的最大静张力、提升速度以及各种效率损失进行计算。常用公式：N=(Fjmax*vmax)/(1000*η)式中：*Fjmax——钢丝绳最大静张力（N）；*vmax——最大提升速度（m/s）；*η——传动效率，包括减速器、联轴器等的效率，一般取0.85~0.92。此功率为等速运行时的功率。考虑到加速阶段的附加载荷，实际选用电动机功率应大于此计算值，并进行发热和过载能力校验。通常还需考虑一定的备用系数。6.4.5提升机型号确定根据计算出的最大静张力、最大静张力差、滚筒直径和宽度以及电动机功率，查阅提升机产品目录，选择合适型号的提升机。所选提升机的额定参数必须大于或等于计算值。6.5提升容器的选型提升容器的选型主要依据一次提升量、井筒直径以及装卸载方式。6.5.1箕斗的选型*容积计算：根据一次提升量Q和煤炭的散体密度γ（t/m³），计算箕斗的有效容积V：V=Q/(γ*φ)，φ为装满系数，一般取0.9~1.0。*型号选择：根据计算的有效容积，结合井筒直径限制，从标准箕斗系列中选择合适的型号。需注意箕斗的名义容积与有效容积的区别，并考虑煤的块度对装载的影响。*结构形式：选择底卸式或侧卸式，主要取决于卸载设备和井筒布置。6.5.2罐笼的选型（若采用）罐笼的选型需考虑提升货载的类型（煤、矸、设备、人员）、数量及井筒尺寸。按层数可分为单层、双层和多层罐笼。其吨位或载人数量应满足设计要求，并符合《煤矿安全规程》关于罐笼安全设施的规定。6.6辅助设备的选型提升系统的辅助设备包括天轮、导向轮、装卸载设备、深度指示器、防过卷保护装置、制动系统等，这些设备的选型同样重要。6.6.1天轮的选型天轮安装在井架顶部，用于改变钢丝绳的运动方向。其直径选择原则与提升机滚筒直径类似，天轮直径D天≥80d（对箕斗提升）或D天≥60d（对罐笼提升）。天轮的轮缘槽型应与所选钢丝绳直径相匹配。6.6.2制动系统与液压站制动系统是提升机的安全关键，必须保证可靠。应根据提升机型号和工作要求，选择合适的盘式制动器或块式制动器，并配备相应的液压站，确保制动力矩满足安全制动和工作制动的要求。6.6.3减速器与联轴器根据提升机电动机转速与滚筒转速的比值选择减速器的速比。减速器的额定功率和扭矩应满足提升机的工作要求。联轴器则用于连接电动机与减速器、减速器与滚筒，其类型和规格需根据传递的扭矩和转速选择。6.6.4装卸载设备箕斗提升的装卸载设备应与箕斗型号配套，保证装卸载快速、准确、无撒煤。装载设备如定量斗、自动装载闸门；卸载设备如曲轨、卸载闸门等。其能力应与提升能力相匹配。6.7设备选型的综合校验与优化完成初步选型后，需进行全面的综合校验，以确保整个提升系统的安全可靠和经济合理。*强度校验：对提升机、钢丝绳、天轮、井架等关键部件的强度进行复核。*运动学与动力学校验：检查提升速度、加速度、减速度是否在规定范围内，提升循环时间是否满足生产要求。*经济性比较：在满足安全和生产能力的前提下，对不同型号或规格的设备进行经济性比较，考虑初期投资、运行成本、维护费用等。*安全性评估：确保所有安全保护装置（如过卷、过速、过负荷、限速等）齐全可靠，符合规程要求。若校验中发现问题，需返回相应步骤进行参数调整或重新选型，直至所有指标均满足要求。6.8结论与建议主立井单绳缠绕式提升设备的选型计算是一项系统性、专业性很强的工作，涉及多方面的知识和经验。本章所阐述的方法和步骤，为设计人员提供了一个基本框架。在实际应用中，还需结合矿井的具体条件，深入