多繩摩擦式提升系統(tǒng)防滑研究

于 淼

(五礦礦業(yè)(安徽)工程設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

近年來，多繩摩擦提升機(jī)在礦山豎井提升中擔(dān)負(fù)著主要提升任務(wù)。對于多繩摩擦式提升系統(tǒng),分析的焦點集中表現(xiàn)在防滑問題上。為了保證摩擦提升在工作中不發(fā)生打滑現(xiàn)象，必須驗算防滑安全系數(shù)，包括靜防滑驗算，動防滑驗算和安全制動防滑驗算。通過實際礦山項目防滑驗算分析，探討具體防滑技術(shù)措施，為類似礦井合理配置提升系統(tǒng)提供有力參考。

某礦主井井筒直徑Φ=6 m，提升高度H=835 m；選取JKM-5×6(Ⅲ)塔式摩擦輪提升機(jī)，交流同步電機(jī)拖動，電機(jī)功率6 500 kW，轉(zhuǎn)速50 rpm；采用雙箕斗等重尾繩提升，箕斗質(zhì)量Qj=50 t，有效載重Q=40 t；提升鋼絲繩選取18股“魚背型”多層不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，鋼絲繩直徑45 mm，單重8.906 kg/m，每根破斷拉力總和QP=1 525 kN，圍包角188°。

1 靜防滑驗算

1.1 靜防滑安全系數(shù)

鋼絲繩最大靜張力Tjs及靜張力差Fc

Tjs=(Q+Qj+nPsH0)g=1 359 930 N

(1)

Fc=Q·g=40 000×9.81=392 400 N

(2)

式中：Q—箕斗有效裝載量，kg；Qj—箕斗質(zhì)量，kg；Ps—實際鋼絲繩每米質(zhì)量，kg/m；H0—鋼絲繩懸垂長度，m。

靜防滑安全系數(shù)：

(3)

相關(guān)規(guī)范規(guī)定靜防滑安全系數(shù)不得小于1.75[1]，通過計算可以看出提升系統(tǒng)靜防滑驗算通過，提升系統(tǒng)配置合理。

1.2 襯墊比壓[2]

(4)

式中:Dj—主導(dǎo)輪直徑，mm；ds—提升鋼絲繩直徑，mm。

襯墊許用單位壓力一般為1.96 MPa，通過驗算可知本提升系統(tǒng)摩擦襯墊比壓合適，符合設(shè)計要求。設(shè)計要求必須對襯墊比壓進(jìn)行驗算，因為此參數(shù)與鋼絲繩的實際使用壽命直接相關(guān)，同時對系統(tǒng)的安全性也將產(chǎn)生重要的影響。

2 動防滑驗算及最大加、減速度

2.1 重載提升加速階段

該工況的受力分析、提升機(jī)旋轉(zhuǎn)方向以及鋼絲繩相對于提升機(jī)的滑動方向，見圖1。

圖1 重載提升加速階段

上升側(cè)動張力：Tds=Tjs+msa1=1 346 828 N

下降側(cè)動張力：Tdx=T'jx+mxa1=719 383 N

1)動防滑安全系數(shù)

(5)

式中:Tds—提升側(cè)動張力，N；Tdx—下降側(cè)動張力，N。

2)最大加速度[3]

(6)

重載提升加速階段：動防滑安全系數(shù)驗算通過，為防滑安全起見，許用加速度應(yīng)小于等于。

2.2 重載提升減速階段

該工況的受力分析、提升機(jī)旋轉(zhuǎn)方向以及鋼絲繩相對于提升機(jī)的滑動方向，見圖2。

圖2 重載提升減速階段

1)動防滑安全系數(shù)

提升端動張力Tds：Tds=T'js-msa3=1 111 613 N；

下放端動張力Tdx：Tdx=T'jx-mxa3=831 738 N；

動防滑系數(shù)為：

2)最大減速度[3]

重載提升減速階段：動防滑安全系數(shù)驗算通過，防滑安全起見，重載提升緊急制動極限減速度a3j=a2max= 4.80 m/s2。

2.3 重載下放加速階段

因為加速過程中重載側(cè)的張力等于靜張力減去慣性力，而輕載側(cè)的張力等于靜張力加上慣性力，所以摩擦輪的兩側(cè)的張力差趨于減小，在一定范圍內(nèi)的加速度愈大則張力愈小，滑動的可能性愈小，故不再研究其作用力。

2.4 重載下放減速階段

該工況的受力分析、提升機(jī)旋轉(zhuǎn)方向以及鋼絲繩相對于提升機(jī)的滑動方向，見圖3。

圖3 重載下放減速階段

提升端動張力Tds：Tds=T'js-msa3=778 243 N

下放端動張力Tdx：Tdx=T'jx+mxa3=1 287 968 N

2)最大減速度[3]:

重載下放減速階段：動防滑安全系數(shù)驗算通過，為保證防滑和安全制動的要求，許用減速度α3必須滿足下式1.5≤α3≤0.8,α3max=0.8×1.69=1.352 m/s2，緊急制動極限減速度a'3j=a3max= 1.69 m/s2。

經(jīng)過分析可知重載提升時加速階段、重載提升時減速階段以及重載下放時減速階段最為危險，所以重點驗算上述三種工況，且上提重物的加速段及下放重物的減速段，動防滑安全系數(shù)不得小于1.25。

通過驗算可知本次提升系統(tǒng)動防滑驗算通過，本次提升系統(tǒng)配置合理。對于多繩摩擦來說，動防滑驗算是保證系統(tǒng)安全必須進(jìn)行的，由于淺井提升，提升鋼絲繩重量在系統(tǒng)靜張力中占比較小，易發(fā)生鋼絲繩打滑，因此防滑驗算尤其對淺井更為重要。動防滑驗算不通過可以通過兩種方式來解決：一種是增加箕斗自重，還有一種是減小減速度。一般情況下豎井提升減速度本來就很小，調(diào)整空間不大，而且調(diào)整太多還會影響一次提升運行時間從而影響提升量。由于淺井提升，提升鋼絲繩重量在系統(tǒng)靜張力中占比較小，易發(fā)生鋼絲繩打滑，因此在淺井提升中更多的通過增加容器自重的方式解決系統(tǒng)防滑問題，而對于深井提升來說，容器自重則更多考慮的是容器自身結(jié)構(gòu)和強度的要求。

3 安全制動防滑驗算[3]

3.1 制動器選取

M'z≥3FcR=3×392 400×225=2 648 700 N·m

(7)

式中：M'z—制動器提供的制動摩擦力矩數(shù)值總和，N·m；R—提升機(jī)半徑，m。

選取能提供N= 80 kN正壓力的閘頭，則需要的閘頭對數(shù)：

(8)

式中：μ—閘瓦與制動盤間摩擦系數(shù)，取0.38；Rm—平均摩擦制動半徑，m。

預(yù)留一定富裕系數(shù)，選取22對制動器。

3.2 工作制動

工作制動主要是克服靜張力差，靜張力差大小為：

Fc=Q·g=40 000×9.81=392 400 N

(9)

由于靜張力差而產(chǎn)生的靜力矩為：

Mc=Fc·r=392 400×2.25=882 900 N·m

(10)

17對80 kN制動器所能提供的最大制動力矩為:

M=2μNr'=0.38×22×160 000×2.425=3 243 680 N·m

(11)

(12)

提升機(jī)應(yīng)有能獨立操縱的工作制動和安全制動系統(tǒng)；提升機(jī)在制動狀態(tài)時所產(chǎn)生的制動力矩不得小于實際提升最大靜荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩的3倍。

3.3 安全制動

安全制動即緊急制動時，由于電機(jī)不投入使用，因此緊急制動是機(jī)械制動，下面對重載提升緊急制動和重載下放緊急制動這兩個工況進(jìn)行分析。規(guī)范要求提升設(shè)備安全制動的減速度，滿載下放時不應(yīng)小于1.5 m/s2, 滿載提升不應(yīng)大于5 m/s2。

1)重載提升緊急制動

不投入制動閘時制動減速度：

(13)

式中:∑m—系統(tǒng)變位質(zhì)量總和，287 619 kg。

重載提升緊急制動時,制動摩擦力矩:

MZ=∑m·az·r-KMc

(14)

式中：MZ—制動摩擦力矩，N·m；MC—靜張力差力矩，N·m 。

由于規(guī)范要求重載提升制動減速度<5 m/s2,同時小于前面已計算重載提升緊急制動極限減速度a3j= 4.80 m/s2，故緊急制動減速度范圍az=[1.57,4.80] m/s2。

對應(yīng)的制動減速度4.30 m/s2在緊急制動減速度范圍內(nèi)az=[1.57,4.80] m/s2，驗算通過。

2)重載下放緊急制動

前面已計算重載下放緊急制動極限減速度為1.69 m/s2，同時規(guī)范要求制動減速度不得小于1.5 m/s2，故制動減速度范圍為az=[1.50,1.69] m/s2。

重載下放緊急制動時，制動摩擦力矩Mz=(2-K)Mc+∑m·az·r。

下放貨載防滑極限減速度1.5 m/s2

綜上所述，對于摩擦式提升機(jī)工作制動或安全制動的減速度，不得超過鋼絲繩的滑動極限，即不引起鋼絲繩打滑。制動力矩不得超過規(guī)定限值，否則，若制動力矩過小，產(chǎn)生的減速度太小，使本來立即停車能防止的事故，由于停車時間太長而造成事故；若制動力矩太大，產(chǎn)生的制動減速度過大，就會出現(xiàn)過大的動載荷，這對提升系統(tǒng)很不利，會影響機(jī)械的使用壽命。

4 結(jié)語

為驗證提升系統(tǒng)合理性，提供行之有效的防滑驗算方法，并通過防滑驗算分析，總結(jié)以下防滑技術(shù)措施：

1)增大鋼絲繩張力，其具體措施有增大容器自重或采用尾繩增加載荷。

2)增大鋼絲繩與摩擦滾筒的圍包角，其具體措施是設(shè)置導(dǎo)向輪。在工程實際中，導(dǎo)向輪的設(shè)置主要是減小容器的間距，從而減小井筒直徑，節(jié)省工程量，同時也增大了摩擦力，只有小型提升機(jī)的應(yīng)用中才一般不設(shè)置導(dǎo)向輪。

3)控制最大加減速度，減小動載荷，但變加減速度在實際工程操作中并不可行。

4)選用高性能的摩擦襯墊或在鋼絲繩上涂摩擦脂，增大滾筒襯墊的摩擦系數(shù)。

5)對多水平提升系統(tǒng)采用平衡錘單容器提升。

6)根據(jù)礦井實際最大靜張力差，確定盤式制動器的最大工作油壓值，由安全制動和緊急制動的摩擦力矩合理設(shè)置投入盤閘的對數(shù)，從而使提升系統(tǒng)正常工作安全運行。

待研究方向：

應(yīng)進(jìn)一步研究摩擦襯墊的摩擦系數(shù)在不同溫度、壓力、速度等條件下的可變性，以及鋼絲繩彈性振動情況下動張力影響的防滑分析。