給定絞車條件下復雜巷道打運能力的核定*

李志兵，李 寧，徐興東，韓云春

(1.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232100；2.煤炭開采國家工程技術研究院，安徽 淮南 232100；3.西南政法大學人工智能 法學院，重慶 401120；4.青海能源魚卡有限責任公司，青海 德令哈 816200)

0 引言

無極繩絞車作為礦井軌道輔助運輸的主要設備之一，適用于長距離、多彎道、多變坡、大噸位等條件，多用于礦井大巷、采區(qū)巷道、工作面巷道等輔助運輸中[1-4]。但隨著煤礦生產不斷推進，井下運輸距離不斷增長、運輸環(huán)境變得更加復雜；更為主要的是，礦井生產千變萬化，打運貨物載荷隨生產而改變，機電設備有限，可供使用的無極繩絞車型號屈指可數[5-7]。在此情況下，仍采用以給定載荷驗證絞車型號是否滿足要求的傳統(tǒng)選型計算方法給生產帶來很多麻煩[5-7]。因此，采用逆向思維，在考慮有限的絞車型號條件下，根據潘三礦1791(3)軌順掘進期間打運相關實際生產情況，得出打運載荷能力，以指導現場生產。

1 現場生產條件

潘三礦1791(3)軌順掘進期間，無極繩絞車打運系統(tǒng)包括1791(3)軌順和1791(3)軌順提料斜巷，軌順長度1 200 m，為近水平巷道，走向角度近似0°；提料斜巷長度100 m，最大坡度20°，斜巷平均坡度17°。

礦井現有SQ-120/132P無極繩絞車，即為該巷掘進期間計劃采用的絞車，采用φ24.5 mm的鋼絲繩，破斷力為317 kN。SQ-120/132P無極繩絞車最大牽引力120 kN，無極繩絞車設定打運速度v不大于0.8 m/s，鋼絲繩張力初值S1為2.9 kN左右。礦車自重1 300 kg，梭車重量1 500 kg，鋼絲繩單位長度質量2.07 kg/m，無極繩絞車傳動效率0.85。

2 給定載荷驗算絞車能力的傳統(tǒng)方法

以每鉤最多打運三車錨桿作為打運基數，每車裝300套φ22 mm×2 400 mm錨桿(2 145 kg)，三車錨桿總重量為6 435 kg。

2.1 最長運距1 300 m(100 m提料巷、1 200 m軌順)驗算

2.1.1 無極繩絞車牽引力驗算

無極繩絞車所受拉力的計算見式(1)

F=[Z(G車+G載)+G梭)]g(sinβ1+ω1×cosβ1)+ 2δsL1g(sinβ2+ω2cosβ2)+ 2δsL2gω2cos0°

(1)

式中，F為無極繩絞車所受拉力，N；Z為每次牽引的重車數；G車為空車自重，取1 300 kg；G載為打運物件最大重量，取2 145 kg；G梭為梭車重量，取1 500 kg；β1為斜巷最大傾角，取20°；β2為斜巷鋼絲繩平均傾角，取17°；δs為鋼絲繩單位長度的質量，取2.07 kg/m；L1為斜巷運輸距離，取100 m；L2為平巷運輸距離，取1 200 m；ω1為礦車運行阻力系數，取0.015；ω2為鋼絲繩運行時與拖輥和底板間的阻力系數，取0.2。計算得，F=53 kN。無極繩絞車所受拉力為53 kN，小于絞車120 kN的最大牽引力，合格。

2.1.2 無極繩絞車功率驗算

無極繩絞車實踐功率計算見式(2)，功率備用系數計算見式(3)

N=F×V/η

(2)

(3)

式中，N為無極繩絞車實際功率，kW；V為無極繩絞車牽引速度，取0.8 m/s；η為無極繩絞車傳動效率，取0.85;P為無極繩絞車額定功率，取132 kW；K為功率備用系數(絞車設計需大于1.1)。經計算，功率備用系數K=2.64>1.1，合格[8-11]。

2.1.3 重錘重量核算

為保證鋼絲繩在滾筒上不打滑，有

S1=nF/(eμα-1)

(4)

式中，S1為鋼絲繩張力初值，kN；n為摩擦力備用系數(或稱防滑安全系數)，可取1.1～1.2；μ為鋼絲繩與驅動輪間的摩擦系數，其值視驅動輪繩襯材料而定，采用PVC或GM-3繩襯取0.3，鑄鐵繩襯可取0.14；α為鋼絲繩在驅動輪上的總圍抱角。取n=1.2，μ=0.14，α=7π，代入式中得S1=3.07 kN。

張緊重錘采用動滑輪，其最小重量為

G錘=1 000kCx,S1/g=626.1 kg

(5)

式中，G錘為張緊重錘重量，kN；Cx為包括受壓繩輪等在內的阻力系數，取1.2；k為重錘結構系數，單動輪取2。經計算，打運三車錨桿要求安裝張緊重錘重量為626.1 kg，小于800 kg，合格。

2.1.4 鋼絲繩安全系數驗算

無極繩絞車鋼絲繩安全系數的計算見式(6)

n=Qz/Smax=Qz/(F+S1)

(6)

式中，n為無極繩絞車鋼絲繩安全系數；Qz為鋼絲繩破斷拉力總和，取317 kN；Smax為鋼絲繩最大張力，kN。鋼絲繩許用安全系數(運輸最大重物時)為3.7。經驗算，鋼絲繩安全系數n=5.65>3.7，合格[12-14]。

由以上驗算所得，SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩打運三車錨桿，通過以上計算，滿足使用要求。

2.2 最短運距300 m(100 m提料巷、200 m軌順)驗算

同理，使用上述方法，可以得出最短運距300 m時，SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩打運三車錨桿，滿足使用要求。總之，使用給定載荷驗算絞車能力的傳統(tǒng)方法，驗算了在最長打運距離和最短打運距離2種情況下，打運總重量為6.435 t的三車錨桿(含車皮重量)，可滿足要求。

3 給定絞車型號核算打運能力

3.1 最長運距(1 300 m)最大打運載荷驗算

3.1.1 無極繩絞車最大拉力F1驗算

依據無極繩絞車額定功率，無極繩絞車最大拉力F1的驗算見式(7)

F1=Pη/(K·V)

(7)

式中，V為無極繩絞車牽引速度，取0.8 m/s；P為無極繩絞車額定功率，取132 kW；η為無極繩絞車傳動效率，取0.85；K為功率備用系數(絞車設計>1.1)。計算得，F1為127.5 kN。

3.1.2 無極繩絞車最大拉力F2驗算

根據鋼絲繩在滾筒上不打滑的原則，驗算無極繩絞車最大拉力F2。張緊重錘采用動滑輪，則無極繩絞車鋼絲繩張力初值為

S1=gG錘/1 000kCx

(8)

式中，S1為鋼絲繩張力初值，kN；G錘為張緊重錘重量，800 kg；Cx為包括受壓繩輪等在內的阻力系數，取1.3；k為重錘結構系數，單動輪取2。計算得，S1為2.9 kN。

為保證鋼絲繩在滾筒上不打滑，有

F2=S1(eμα-1)/n

(9)

式中，n為摩擦力備用系數(或稱防滑安全系數)，可取1.1～1.2，取n=1.2；μ為鋼絲繩與驅動輪間的摩擦系數，其值視驅動輪繩襯材料而定，采用PVC或GM-3繩襯取0.3，鑄鐵繩襯取可取0.14，取μ=0.14；α為鋼絲繩在驅動輪上的總圍抱角，絞車實際包圍角α為9π。計算得，F2為124.4 kN。

3.1.3 無極繩絞車最大拉力F3驗算

根據鋼絲繩安全系數滿足要求，驗算無極繩絞車最大拉力F3。鋼絲繩許用安全系數(運輸最大重物時)為3.7。為保證鋼絲繩安全系數滿足要求，則

F3=Qz/3.7-S1

(10)

式中，Qz為鋼絲繩破斷拉力總和，取317 kN。計算得，F3為82.7 kN。

3.1.4 最大打運載荷驗算

根據上述計算，結合鋼絲繩額定牽引力F額為120 kN?？芍?，再在1791(3)軌順SQ-120/132P無極繩絞車現存安裝狀態(tài)下，無極繩絞車鋼絲繩最大拉力F=min{F額，F1，F2，F3}=82.7 kN。無極繩絞車最大打運載荷G總(包括梭車、車皮和物件的總重量)驗算

G總=[F-2δsL1·g(sinβ2+ω2cosβ2)-

2δsL2gω2cos0°]/g(sinβ1+ω1×cosβ1)

(11)

式中，F為無極繩絞車所受拉力，取56 400 N；δs為鋼絲繩單位長度的質量，取2.07 kg/m；L1為斜巷運輸距離，取100 m；L2為平巷運輸距離，取1 200 m；ω1為礦車運行阻力系數，取0.015；ω2為鋼絲繩運行時與拖輥和底板間的阻力系數，取0.2；β1為斜巷最大傾角，取20°；β2為斜巷鋼絲繩平均傾角，取17°。代入，經計算得，G總=20.3 t。所以，G載總=G總-G梭=18.8 t。

由以上驗算得，SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩在現有條件下，最大打運路線為1 300 m時，最大打運貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量)，為18.8 t。

3.2 最短運距(300 m)最大打運載荷驗算

同理，使用上述方法，可以得出最短運距300 m時，使用SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩，最大打運貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量)，為16.36 t。

總之，使用給定絞車型號核算打運能力的方法，得出最大打運路線時，最大打運貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量)，為18.8 t；最短運距時，最大打運載荷G總(包括梭車、車皮和物件的總重量)，為17.86 t；取小值，最大打運貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量)，為16.36 t。

4 2種計算方法的對比

方法1(給定載荷驗算絞車能力的傳統(tǒng)方法)根據打運物件載荷，確定無極繩絞車型號；方法2(給定絞車型號核算打運能力)根據已有絞車型號，確定最大打運物件載荷，屬相互逆向思維。使用方法1驗算的打運載荷為6.435 t，使用方法2驗算的打運載荷為16.36 t，打運能力增加了2.54倍；使用方法1選型的絞車，礦井不一定備有，如需重新購買，影響生產，使用方法2可充分發(fā)揮礦井現有的生產設備。方法1得出的最大打運載荷并不一定是絞車的最大打運能力，容易出現“大馬拉小車”的現象；方法2出的最大打運載荷能充分發(fā)揮絞車的能效，有利于提升生產效率。因生產現場打運物件種類繁多，且多有變化，方法2得出的最大打運載荷，能更加簡單、直接地指導工人生產。

5 結語

無極繩牽引絞車運輸是巷道輔助運輸的有效方式之一，絞車選型是生產設計的重要一環(huán)，然而受礦井配備絞車種類限制，生產實際過程中，往往是先確定絞車型號，再驗算打運能力。通過理論分析，推導得出2種方法(給定載荷驗算絞車能力的傳統(tǒng)方法和給定絞車型號核算打運能力)的最大打運載荷能力，得出方法2的優(yōu)勢，并將該方法應用到淮南礦業(yè)集團潘三礦1791(3)軌順掘進期間使用SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩進行打運的最大載荷核算，提升了打運效率，滿足了安全生產，技術經濟效果明顯。