矿井提升机

李  文  成    编写

摘     要

 

一、矿井提升机的发展方向

矿井提升机作为矿山的大型固定设计之一，是联系井下与地面的主要运输工具。矿井提升工作是整个采矿过程中的重要环节。由于矿井提升设备服务年限长、投资大、电耗多（其耗电量一般占矿井总耗电量的30～40%），所以为了降低矿石成本，提高生产的安全可靠性，必须经济合理地设计和使用矿井提升设备。随着矿山生产的进一步现代化，提升设备将成为机械化与电气化相结合的先进技术设备。

本设计简述提升机的发展史开始,对提升机的分类,重要型号,工作原理和提升机拖动的分类作了详细的介绍.同时还对矿山的提升设备做了选型设计,做了提升运动学计算和提升动力计算,校验了等值功率,计算了电能消耗和提升设备效率。并设计了提升设备的控制电路,在设计中提升机采用了三相交流绕线式异步电动机拖动。其电动机采用了可控硅串级调速。着重设计讨论了其主回路和控制单元的设计。根据模拟的情况来看,本设计的方案是可行的,同时充分考虑了通用性、灵活性、实用性。

 

二、矿井提升设备的主要组成部分

矿井提升设备的主要组成部分是：提升容器、提升钢丝绳、提升机及拖动控制系统、井架（或井塔）、天轮及装卸载设备等。

 

三、矿井提升系统

由于井筒条件（竖井或斜井）及选用的提升容器和提升机的类型不同，可组成各种不同的矿井提升系统。较常见的有：

⑴竖井单绳缠绕式箕斗提升系统；

⑵竖井单绳缠绕式罐笼提升系统；

⑶竖井多绳摩擦式箕斗提升系统；

⑷竖井多绳摩擦式罐笼提升系统；

⑸斜井箕斗提升系统；

⑹斜井串车提升系统；

矿井提升设备选型设计

 

  ㈠ 设计资料和依据

 

  1、 矿井年产量  An=30万吨

 

2 、工作制度：年工作日br=300天 日工作小时t=20h

 

3、 井筒深度 Hs=330m

 

4、 卸载高度 Hx=20m

 

5 、装载高度 Hz=20m

 

6 、煤的松散密度 =1.00

7 、提升方式: 斜井串车提升

 

8 、矿井电压: 3000V  6000V

 

 

 

 

  ㈡  设计主要内容

 

 1 、计算并选择提升串车

 

2、 计算并选择提升钢丝绳

 

3、 计算摩擦滚筒直径并选择提升机

 

4、 计算井塔高度

 

5、 选择电动机并验算

 

提升方式的选择

   斜井提升在我国矿井应用极其广泛，它包括斜井串车、斜井箕斗及斜井带式输送机三种提升方式。采用斜井开拓具有初期投资少、建井快、地面布置简单等优点。但一般斜井提升能力小，钢丝绳磨损快，井筒维护费用高。

 

（1）斜井串车提升   可分为单钩与双钩串车两种。其中，单钩串车提升井筒断面小，投资小，生产能力小，耗电量大，但可以用于多水平提升。双钩串车提升生产能力较大，但只能用于单水平提升。一般年产量在21万吨以下的小型矿井多采用单钩，年产量在30万吨左右的矿井多采用双钩，两者均适用于倾角在25°以下。

 

（2）斜井箕斗提升    与串车提升相比，具有提升速度大，生产能力高，容器自重小及装卸载易实现自动化等优点。但需设置装卸载设备、建造煤仓，基建投资大。此外，为了提升矸石、下放材料、升降人员，需要外设置一套副井提升设备。箕斗提升一般采用双钩，适用于井筒倾角为25°~30°，年产量在30万t~60万t的矿井中。

 

（3）带式输送机提升   这种提升方式具有安全可靠、运输量大，且易实现自动化，但初期投资较大，设备安装时间较长，并需要安装卸载煤仓等设备，一般用于年产量在60万吨以上，倾角小于18°的斜井中。《煤炭工业设计规定》规定：大型矿井的主斜井宜采用带式输送机提升。

 

注：串车提升按车场形式不同，又可以分为平车场和甩车场两种方式。甩车场提升方式的优点：地面车场及井口设备简单、布置紧凑、井架低、摘挂钩安全方便;缺点是提升循环时间长、提升能力小、每次提升电动机换向次数多、操纵复杂。平车场没有上述缺点，车场通过能力大，提升操作简单方便。但是，平车场需设置阻车器等辅助设备，故一般情况下甩车场多用于单钩提升，平车场多用于双钩提升。在串车提升中，为在车场内调车和组车方便，应注意一次升降的矿车数尽可能与电机车一次牵引的矿车数成倍数关系。

 

 

 

在斜井提升中以斜井串车提升应用较多，特别是中、小型矿井应用更为普遍，为此我经过考虑应选用斜井串车提升系统。

 

 

 

斜井提升设备的选型计算

一、斜井提升设备选择计算的原始资料

（1）    矿井年产量An＝30万吨（副井为矸石年提升量，最大班数下井人数，长材料、设备等辅助提升量）；

（2）    矿井服务年限；

（3）    井筒斜长＝450米;

（4）    井筒倾角β＝25度；

（5）    矿井工作制度。年工作日数＝300天 每天工作20个小时

（6）    矿车形式。单个矿车自身质量＝595千克,kg;单个矿车载货量m1＝1吨,kg;单个矿车的长度＝2米,m;

（7）    煤的松散容重

（8）    采用的提升方式：斜井串车单钩甩车场提升系统。

（9）    矿井电压筹等级。3000V   6000V

 

1）根据矿井年产量要求计算矿车数

         （1）小时提升量

                    

 

 式中     C————提升不均匀系数，有井底煤仓时C=1.1~1.15，无井底煤仓时C=1.2；矿井有两套提升设备时C=1.15，只有一套提升设备时C=1.25；

          ——年工作日数；

           t———日提升小时数；

          An——矿井年产量，t/年；

          ———提升能力富裕数，对于第一水平=1.2。

 

无井底煤仓c=1.2;  =1.2;

 

       （2）一次提升量

    

 

 

式中T———次提升循环时间，s，计算方法见第四节。

 

     （3）一次提升矿车数

； ；

 

取辆。

 

式中   _____装载系数当倾角为20°以下时，=1，当倾角为了加强21°~25°时，=0.95~0.9;当倾角为25°~30°

_____煤的松散密度；

V———矿车的有效容积，

算出值为小数时，应圆整为较大整数。

2）根据矿车连接器强度计算矿车数

矿车没倾角为β的轨道上提时，受到斜而产生的阻力，n辆矿车的总阻力由最前面的矿车连接器来承担，为保证连接器强度，所拉矿车数受到限制。矿车连接器强度一般容许承受拉力60KN,因此，矿车连接器强度容许的矿车数为

 

=

经圆整

满足设计要求，可以按确定的矿车数为计算。

 

 

式中       单个矿车的载货量及其自身质量，Kg；

         ————矿车运行摩擦阻力系数，矿车为滚动轴承取＝0.02

g—————重力加速度，10m/

应圆整为较小的整数。

1、  斜井提升钢丝绳的选择计算

计算钢丝绳最大斜长：

 

 

————阻车器至摘钩点距离，取＝1.5n=。

————摘钩点至井架中心的水平距离，取＝3＝。

————井口至阻车器的距离，取＝9m。

————井口处钢丝绳牵引角，取＝9°。

———————提升机滚筒中心至天轮中心水平距离，取＝16m。

 

 

 

 

 

 

每米钢丝绳质量为

 

 

式中      ————钢丝绳由A 点至串车尾车在井下的停车点之间的斜长，m；

——————钢丝绳沿托辊和底板移动阻力系数，钢丝绳全部支撑在钢辊上时取＝0.15~0.20，局部支撑在托辊上是取＝0.25~0.4；

——————钢丝绳公称抗拉强度，Pa;

——————钢丝绳安全系数，与竖井要求相同。

 

 

 

直 径/mm		钢丝总 断面积/	参考重力 N/100m	钢丝绳公称抗拉强度/MPa
钢丝绳	钢丝			1550	1700
				钢丝破断拉力总和（不小于）/KN
20.0	1.3	151.24	1429.0	234.0		257.0
22.5	1.4	175.40	1658.0	271.5		298.0
40.0	2.6	605.0	5717,0	937.5		1025.0

 

 

 

 

 

 

按下式验算钢丝绳安全系数：

式中————所选标准钢丝绳的钢丝破断拉力总和，N。

   ＝7.07>6.5

经验算所选钢丝绳在安全规程规定值的，是可以使用的。

 

 

 

2、   提升机选择计算

      ＝39193.56N

 

2JK-2/20  滚筒直径D=2.0m,  滚筒宽度B=1.0m

 

 

 

 

式中    L————  提升斜长，m；

         β———— 井筒倾角，若β与甩车道倾角相差较大时，应按甩车道倾角计算。

验算滚筒宽度

 

 

 

 

采用双层缠绕，符合设计要求。

 

4、计算天轮直径并选择天轮

 

根据《煤矿安全规程》规定，选择天轮直径。

1．             对于地面天轮

若钢丝绳与天轮的围包角大于90度时

Dt≥80d     ＝8020＝1600mm      

                     

2．             对于井下天轮

若钢丝绳与天轮的围包角大于90度时

Dt≥60d     =60     20=1200

式中  Dt—天轮直径，mm。

 

选用固定天轮TSG1600/10

 

 

3、   预选提升电动机

（1）估算电动机功率：

    ＝

式中   ————根据选择的提升机，由提升机规格表查得的标准提升速度，m/s。

————减速器传动效率，单级传动时＝0.92，双级传动时＝0.85

————电动机容量备用系数，＝1.1~1.2。

（2）估算电动机的转速：

 

式中     ————减速器的传动比。在选择提升机时，根据所选择的标准提升速度，由提升机规格表中可查得相应的传到比。

（3）根据P,n及矿井电压等级查电机规格表，预选出合适的电动机。

    

查表可选出电动机型号为   JRQ-148-8型号的电动机。

（4）确定提升机的实际最大提升速度

 

                    

式中         预选出的电动机的额定转速，r/mim。

确定出提升机的最大提升速度斜井串车升降人员或升降物料时，专用人车的运行速度不得超过人车设计的最大允许速度。

 

 

 

 

 

斜井提升运动学计算

甩车场单钩串车提升工作是由提升重串和下放空串车组成。开始重串车在井底车场甩车道中。由于甩车道坡度是变化的，并且串车又在弯道运行，为防止掉道，要求初始速度，弯道中运行速度，当全部重串车提过井底甩车场进入井筒后，以主加速度加速至最大提升速度，并以等速度运行，接近井口时，开始以减速度减速，全部重车进入道岔A 后，重车在停车点停车。扳过道岔A,反向低速滑下甩入井口车场重车道。摘钩后挂上空串车从井口空车甩车车道低速提升过道岔A，并在桥上停车。扳过道岔A，空串车沿井筒下行，至井底车场空车甩车道，进行摘钩再挂上重车，完成了提升整个循环。

1、                                                                                                                        最大提升速度。

《煤矿安全规程》规定：倾斜井巷内升降人员或用矿车升降物料时，提升容器最大速度。专用人车的运行速度不得超过设计最大允许速度。根据此项规定，结合设计条件，先选出提升机及提升电动机以确定。

2、                                                                                                                        其他参数确定

（1）初始加速度   。

（2）车场内速度    。

（3）主加、减速度   升降人员时：；升降物料时：《煤矿安全规程》对升降物料的主加速度和主减速度没有限制，一般可用也可稍大些，但要考虑自然加减速度问题。

   （4）摘挂钩时间  =20s。

（5）电动机换向时间=5s。

   3、一次提升循环时间T

       1）速度图各运行时间与行程计算

      重车在井底车场运行阶段

        ；

 ；

式中     ————井底车场长度，即从井底到井底尾车点的距离，根据一次所拉车数确定，一般串车提出车场后的加速阶段

 

   ；

           

减速运行阶段

            ；

等速运行阶段

 

＝56.45s

式中    L————提升斜长，；

        ——————井筒斜长，m。

 

s

 

式中   ————井口车场长度，即自井口至尾车停车点的距离。一般可取25~35m。

2）一次提升循环时间

=2(22.5+5+17.5+10+5+20+25)=210s

 

 

 

斜井串车提升能力的验算及自然加、减速度

求出一次提升循环时间后，可按下式核算提升设备的提升能力。

年实际提升能力

=

提升能力富裕系数

 

 

式中    ————串车组一次提升量，t；

其余符号同竖井。

 

选取加、减速度后，若斜井倾角小于6°，还需要根据自然加、减速度来校验；倾角在6°以上时，自然加速度0.7以上，故不需要校验。

 

若选用的加速度大于容器自然加速度时，则此提升机松绳速度大于容器运行速度，使下放钢丝绳松驰。加速完毕等速运转时，容器仍在做加速运动，直至把钢丝绳拉紧，此时钢丝绳将受到一个很大的冲击载荷，有被拉断的危险，                为了防止这种事故，要求。

自然加速度为

 

式中      ————下放钢丝绳作用在滚筒圆周上的力，N；

           β—————井筒倾角；

n----____矿车数；

————单个矿车自身质量，kg；

————下放钢丝绳端的变位质量；

————串车组运行阻力系数；

————天轮变位质量， kg，查天轮规格表可得。

若上提重车时选用的减速度大于由于重力、摩擦阻力产生的自然减速度，钢丝绳运行速度小于容器上升速度导致松绳，严重时能使容器超过钢丝绳发生压绳与掉道事故。提升机停止时，容器还会上冲。然后下落把绳猛然拉紧，使钢丝绳受到很大的冲击。为避免造成此种事故，要求

 

重串车的自然减速度为

 =m/s

式中        ————每辆矿车载货量，kg；

————上升钢丝绳张力，N；

___上升钢丝绳端变位质量，kg。

 

 

斜井提升力学动力学计算

 

斜井提升与竖井提升的动力学计算基相同。其区别点在于斜井提升是在倾斜轨道上运行的，所以钢丝绳与容器在轨道上的运行阻力比竖井大。此外，要注意井上、井下车场倾角和井筒下不同，且坡度又是变化的这一特点，为简单起见，甩车关系密切的角度一般按以行程为函数的直线规律变化。

 

单钩串车提升

 

单钩串车甩车场需分别计算重车组上提的前半循环与空车组下放的事半循环，重车组提和空车组下放的变位质量也不一样。

上提重车组前半循环的基本动力议程式为

    =

   

下放空车组后半循环的基本动力方程式为

   =

式中  ————重车组上提、空车组下放时系统的总变位质量，kg；

                        

利用上述公式计算时，应注意以下两点：

（1）角度在甩车道、井筒和上部桥等处不相同。

（2）在减速阶段，应以代入。

 

 

 

 

 

提升机与井口相对位置的确定

 

一、井架的高度

1、斜井甩车场

=32.73

式中  ——————井口至钢丝绳与天轮接触点间的斜长， 

————井口至道岔A的距离，一般为期不远10m~15m；

————过卷距离，在倾斜井巷的上端，必须留有足够的过卷距离（以上部过卷开关算起），过卷距离应根据巷道的倾角、设计载荷、最大提升速度和实际制动力等计算确定，并应留有关有1.5倍的备用系数；

————道岔A到串车停止时钩头位置距离；

————一辆矿车的长度，m；

————天轮半径，m；

————根据井口车场设计的桥倾角，一般为9°~12°

 

 

二、  钢丝绳弦长

 

 

 

 

 

       

 

 

参考文献

 

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