基于模擬分析對礦井提升機制動性能影響因素的研究

馮 浩

（大同煤礦集團挖金灣煤業(yè)有限責任公司， 山西 大同 037001）

引言

礦井提升機作為煤礦企業(yè)生產(chǎn)過程中的重要設備，具有控制復雜、運行速度快、慣性質(zhì)量大、工況運行繁瑣等特點，對煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全工作起著關鍵的作用。因此對提升機制動性能影響因素進行研究。

1 礦井提升機結構組成

礦井提升機是工礦企業(yè)聯(lián)系井下與地面的重要生產(chǎn)設備，也是四大運轉設備之一，主要用于煤炭、矸石、材料設備、人員沿井筒的提升工作。目前常見的礦井提升機按鋼絲繩的工作原理主要分為纏繞式礦井提升機和摩擦式礦井提升機兩種，主要由驅(qū)動電機、減速器、卷筒（或稱摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機驅(qū)動[1-2]。本文重點對多繩摩擦式礦井提升機進行研究，其工作原理如圖1 所示：電機帶動卷筒轉動時，通過搭放在卷筒上的鋼絲繩與卷筒之間的摩擦力實現(xiàn)容器的提升與下放工作，纏繞式提升機具有鋼絲繩直徑短、設備尺寸小、提升速度快、能力強等特點，適用于產(chǎn)量較大（120 萬t/a）、開采較深的礦井。

2 礦井提升機模型建立

2.1 建立物理模型

本文采用Pro/Enginee 作為建模軟件，對礦井提升機制動系統(tǒng)進行物理模型的建模工作，結合多繩摩擦提升機的機械組成，如圖2 所示，本次建模主要包含摩擦輪（卷筒）、（上、下）天輪、提升機主軸、罐耳導輪等主要部件。為便于系統(tǒng)地計算與提升結果精度，在不影響運行的前提下，本次三維模型的構建對部件的圓孔、倒角等非關鍵特征部位進行了適當簡化。

2.2 建立提升機動力學模型

圖1 摩擦式礦井提升機結構簡圖

圖2 礦井提升機主要部件三維模型圖

針對提升機動力制動系統(tǒng)的分析工作，本文采用ADAMS（機械系統(tǒng)動力學自動分析）軟件進行模擬研究，首先需要將在Pro/Enginee 中已建立好的提升機物理模型保存為x_t 格式，在導入ADAMS 中，并分別對卷筒與主軸、主軸和機架、卷筒和繩索之間添加約束；其次在邊界條件設定中，需將其接觸類型定義為柔性線—面接觸，導輪與罐道之間接觸類型設置為幾何面—面接觸類型[3-4]。最后對主軸施加驅(qū)動力，該礦井提升機動力系統(tǒng)模型所有條件均定義完成，如圖3 所示。

圖3 礦井提升機動力學仿真模型

3 不同因素對提升機制動過程的影響

3.1 提升速度對提升機制動性能的影響

由實際經(jīng)驗判斷，提升速度是影響提升機制動性能的主要因素之一，在將提升機動力性學仿真模型導入ADAMS 軟件后中，分別對提升機設置以4.5 m/s 和7.5 m/s 的提升速度，并對該工況條件進行分析研究，所得結果如圖4 所示[5]。

由圖4 可以看出，不同得提升速度對提升機制動效果的影響變化趨勢大體相同，且峰值也十分接近，但是具體制動時間卻相差較大。分析認為：無論速度大小，只要提升機處于勻速狀態(tài)且提升物質(zhì)量相同，其在制動過程中所需的制動力相差不大；但是提升速度越大，在制動過程中罐籠以及提升物所擁有的慣性也越大，從而導致摩擦輪做剎車運動所消耗的時間較長；另外，在此過程中，提升速度越大，提升鋼絲繩所受到的張力差值反而有下降的趨勢。

3.2 制動減速度對提升機制動性能的影響

根據(jù)經(jīng)驗判斷，不同大小的減速度對提升機制動性能也會產(chǎn)生不同的影響，在此次仿真模擬中，分別賦予提升機0.8 m/s2與3 m/s2兩種工況下的減速度，對其制動性能進行分析。所得結果如圖5 所示：當提升機緊急制動時，在不同減速度的工況下，其鋼絲繩動張力差峰值與仿真時間均相差較大。提升鋼絲繩所產(chǎn)生的動張力差值隨制動減速度數(shù)值的升高而增加，同時使得更大的外界載荷作用于鋼絲繩、摩擦輪與天輪等主要部件；提升機緊急制動的時間隨制動減速度的增加而縮短。可見制動減速度的大幅提升將有利于提升機快速實現(xiàn)設備的停車進程。

4 結論

圖4 不同提升速度對提升機制動過程影響曲線

圖5 不同制動減速度對提升機制動過程影響曲線

經(jīng)過ADMOS 軟件對礦井提升機在不同工況下制動過程研究發(fā)現(xiàn)，提升速度與制動減速度兩個變量均對提升機的制動性能有較大的影響，根據(jù)最終所得結果提出以下建議：

1）為保證提升機在安全制動的前提下達到最佳的制動效果，建議通過Pro/Enginee 與ADMOS 對多種不同工況的制動情形進行研究，根據(jù)企業(yè)實際情況，確定提升速度、制動減速度、提升載荷等相關參數(shù)；

2）對于摩擦式提升機而言，天輪、摩擦輪、鋼絲繩是使用頻率最高的受力組件，特別是提升鋼絲繩，在緊急制動時會產(chǎn)生較大的動張力。因此，建議提升機零部件的選用需優(yōu)先考慮其結構性能，并對關鍵受力點進行結構的優(yōu)化或材料加強，防治變形、斷裂、脫繩等問題引起機械故障，導致安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。