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超深井摩擦式提升機極限提升能力計算及影響因素分析

發布時間:2022-05-18來源:點擊:98

導讀


根據摩擦式提升機的工作機理,在計算摩擦輪兩側鋼絲繩受力特性的基礎上,探討影響提升能力的幾個關鍵因素,分析不同提升參數下提升機的極限提升能力。結果表明:鋼絲繩滑動和應力波動對極限提升能力影響zui大;zui大提升高度隨著尾繩質量的增加而減小,隨著摩擦輪直徑和鋼絲繩直徑的比值 (D/d) 以及鋼絲繩抗拉強度的增加而增大;zui大提升載荷隨著尾繩質量、摩擦因數、D/d 比值和鋼絲繩抗拉強度及數量的增加而增大;在 1 500 m 左右的提升高度下,提高提升能力的有效途徑是增大鋼絲繩的數量和抗拉強度;在 1 000 m 左右的提升高度時,可以通過增加鋼絲繩數量,適當增加尾繩質量以及鋼絲繩抗拉強度的方法提高提升能力。



隨著經濟和科學技術的發展,人類對自然資源愈加依賴,由于埋藏較淺的煤炭、金屬和非金屬等自然資源的儲量已大幅減少,因此未來我國礦井的開采深度勢必達到 1 000 ~ 2 000 m。為滿足國內經濟發展對于礦產資源的需求,建造深井向更深部開采各種自然資源將是未來采礦業發展的一大趨勢。超深井開采意味著提升設備的大型化和復雜化,目前國內生產并應用的提升機主要是單繩纏繞式提升機 (單卷筒、雙卷筒) 和多繩摩擦式提升機。這 2 種提升系統根據其自身的結構特點,分別適用于淺井多水平提升和一般深井提升,對于這 2 種提升機的提升能力有不少學者已經進行了針對性的研究,但對超深井摩擦式提升機的提升能力缺乏研究,因此有必要對其極限提升能力及其影響因素做深入探討。筆者根據摩擦式提升機的傳動特性,采用數值分析的方法,分析了變參數下摩擦式提升機的極限提升能力、超深井下尾繩、摩擦因數、鋼絲繩數量以及抗拉強度的合理選取。

1 摩擦式提升機鋼絲繩張力分析

由于尾繩的使用以及摩擦傳動,提升鋼絲繩任意斷面處的張力在提升過程可看作一個質量點。在不考慮尾繩環的高度和摩擦輪上纏繞鋼絲繩長度的條件下,設鋼絲繩的懸垂長度為 H。如圖 1 所示的摩擦式提升系統,在重載提升的情況下,提升任意時刻容器底部距提升初始點的距離為 h。

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鋼絲繩在重載提升和重載下降的情況下相對其他工況受力較大,并且兩側鋼絲繩的張力差異較大。重載提升包含提升初始時刻的靜止、加速提升、勻速提升和減速提升等幾個階段;重載下降包含初始時刻的靜止、加速下降、勻速提升和減速下降等幾個階段。2 種工礦下,加速提升和減速下降階段鋼絲繩所受的動張力近似相同,減速提升和加速下降階段鋼絲繩所受的動張力近似相同。

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式中:T1、T2分別為重載側和輕載側鋼絲繩的張力,N;g 為重力加速度,m/s2;Qr為提升容器的質量,kg;Q 為重載側的載重,kg;n 為提升鋼絲繩的數量;P 為提升鋼絲繩單位長度的質量,kg/m;H 為在不考慮尾繩環的情況下的理想提升高度,m;δ 為提升尾繩和提升首繩總質量之比;h1、h2、h3分別為提升靜止、加速提升和減速下降、減速提升和加速下降時 A 點和 A′點之間的高度,m;ha為提升加速段的距離,m;a 為提升加減速度,m/s2。

2 影響提升能力的關鍵因素

超深井摩擦式提升機的適用范圍,主要受到防滑條件和鋼絲繩強度的約束,以及主導輪上摩擦襯墊許用壓強、鋼絲繩的應力波動值等條件的限 制。對于超深井提升系統,鋼絲繩的振動等動態穩定性也是其重要性能。筆者主要從靜態的角度分析摩擦提升機的極限提升能力,故只考慮鋼絲繩強度、繩襯比壓、鋼絲繩應力波動及鋼絲繩滑動的影響,對于其動態穩定性將在后續的分析中體現。

2.1 鋼絲繩強度

摩擦提升機通過提升鋼絲繩和摩擦襯墊的摩擦來傳遞摩擦力矩,使重載側鋼絲繩提升,輕載側鋼絲繩下降,其承受著提升載荷以及自身的質量,是摩擦式提升系統的一個重要組成部分,提升鋼絲繩在正常和非正常工況下發生斷裂是摩擦提升機的主要失效形式之一。因此,為了提升系統的安全運行,提升鋼絲繩必須滿足在一次提升循環中所受的zui大張力小于鋼絲繩中所有鋼絲的破斷力之和,即

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其中

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式中:Td1zui大動張力,N;Tj1為zui大靜張力,N;Pz為鋼絲繩中所有鋼絲的破斷拉力之和,N;k′為鋼絲繩的zui小破斷拉力系數;d 為鋼絲繩直徑,mm;Ro為鋼絲繩抗拉強度,MPa;no為安全系數。

2.2 繩襯比壓

摩擦提升機的工作特點使得摩擦襯墊起著重要的作用,它承擔著全部鋼絲繩的質量、容器和載重、平衡尾繩的質量,因此要具有足夠的抗壓強度,即需要滿足

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式中:q 為摩擦襯墊的許用壓強,一般取 q = 2 MPa;D 為摩擦輪直徑,m。

由以上分析可知重載加速提升時,襯墊承受的壓力達到zui大,由式 (2) 和 (5) 得

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2.3 鋼絲繩應力波動

由于尾繩的使用,摩擦式提升機在一次提升循環中,提升鋼絲繩會產生較大的應力波動。在深井或超深井的情況下,根據南非、西方等國的使用經驗:為了保證鋼絲繩必要的使用壽命,鋼絲繩任意斷面處的應力波動值 Δσ 不應大于鋼絲繩破斷應力的 11.5% 或165 MPa,否則就容易斷絲,嚴重影響其使用壽命。在整個提升過程中,應力波動較大的點為圖 1 中 B 點和 A 點,其中 A 點為容器和提升鋼絲繩的連接點, B點為重載側鋼絲繩和卷筒相切點,它們應滿足如下條件:

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式中:Pg為鋼絲繩的破斷力,N。

2.4 鋼絲繩滑動

摩擦提升機是通過鋼絲繩和摩擦襯墊間的摩擦力克服作用于摩擦輪兩側張力差而傳遞作用力的,摩擦襯墊與鋼絲繩間的摩擦力分布符合歐拉公式

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當摩擦輪兩側的鋼絲繩張力大于zui大摩擦力時,鋼絲繩發生打滑,影響提升機的安全運行;提升機加速提升時,鋼絲繩兩側的張力差異zui大,則需滿足

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式中:α 為鋼絲繩在摩擦輪上的圍包角,rad,μ 為摩擦因數。

3 極限提升能力

由以上約束提升能力的關鍵因素分析,根據式(4) ~ (9),通過改變表 1 中的數據得到不同提升參數下的極限提升能力。

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3.1 尾繩質量

在提繩容器的質量和載重相同的情況下,重尾繩提升時,由式 (2) 和式 (8) 得 5.17 Q + (6 - 11.8 δ) PH≤0,由式 (1) 和式 (8) 得靜止時應滿足,0.13 Q + (δ -0.87) PH ≤0,顯然只有當 1 < δ < 1.87 時才成立;同理,輕尾繩提升時,加速提升階段應滿足 5.17 Q + (6 - 11.8 δ ) PH ≤0,靜止時應滿足,0.13 Q + (1 - 1.87 δ ) PH ≤0,顯然只有當 0.66 < δ ≤ 1 才滿足式子。因此提升尾繩和首繩的比值應滿足 0.66 < δ < 1.87。

因此,根據表 1,當 δ 取 0.8、1.0、1.2、1.4 等參數時,可得提升能力隨尾繩質量的變化如圖 2 所示,線條和兩坐標軸圍成的部分即為提升可行域。重尾繩時,由式 (7) 可知 A 點的應力波動和尾繩的質量相關,因此圖 2 中曲線在接近zui大提升高度處將出現和X 坐標軸平行的邊界條件,且隨著尾繩質量的增加,提升高度逐漸減小,zui大提升載荷逐漸增加;輕尾繩時,由于 B 點的應力波動只和提升載荷以及提升鋼絲繩相關,zui大提升高度不隨尾繩質量的改變而變化,zui大提升載荷隨著尾繩質量的增加逐漸增加。

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3.2 鋼絲繩數量

當 n 取 1、2、4、6、8、10 時,不同數量鋼絲繩對應的提升能力如圖 3 所示。從圖 3 可以看出,隨著鋼絲繩數量的增加,zui大提升載荷近似以相同的倍數增加,zui大提升高度增加不明顯。因此在一定提升高度的情況下,可以通過增加提升鋼絲繩的數量達到對提升載荷的需求,一般情況下鋼絲繩數量不應超過10 根。

3.3 摩擦因數

當 μ 分別為 0.15、0.20、0.25 時,摩擦因數對提升能力的影響如圖 4 所示。從圖 4 可以看出,隨著摩擦因數的增加,zui大提升載荷增加,而且在提升載荷一定的情況下,通過增大摩擦因數,可以減小zui小提升高度,但zui大提升高度保持不變,提升能力相對增加。

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3.4 繩徑比

當 D/d 分別為 60、80、100 時,對提升能力的影響如圖 5 所示。從圖 5 可以看出,改變 D/d 不會影響zui小提升高度。當 D/d 從 60 增加到 80 時,隨著比值的增加,zui大提升載荷和zui大提升高度隨之增加,但隨著比值的繼續增加,提升能力將不再變化。

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3.5 鋼絲繩抗拉強度

當 Ro分別為 1 670、1 770、1 870、1 960 MPa時,隨著鋼絲繩抗拉強度的增加提升能力的變化如圖6 所示。從圖 6 可以看出,zui大提升高度和zui大提升載荷隨著鋼絲繩抗拉強度的增加而增加。

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4 實例分析

以超深井 (1 500 m) 和一般深井 (1 000 m) 為研究對象,提升容器的質量和載重相同,鋼絲繩直徑取 d = 45 mm。據以上分析,改變其他提升參數得到提升高度為1 500 m 時,對應的zui大提升載荷如表 2 所列;提升高度為 1 000 m 時,對應的zui大提升載荷如表 3 所列。

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由表 2 可知,提升高度在 1 500 m 左右時,隨著提升鋼絲繩數量的增加,提升載荷近似以相同的倍數增加;隨著摩擦因數和尾繩質量的增加,提升載荷不變;當鋼絲繩的抗拉強度提高一個檔次時,提升載荷顯著增加。因此,對于 1 500 m 以上的超深井提升,相對來說,通過增加鋼絲繩數量和抗拉強度的方法來提高提升能力更加高效。

由表 3 可知,提升能力隨著尾繩質量、抗拉強度以及提升鋼絲繩數量的增加而增加;當摩擦因數達到0.2 時,繼續增大摩擦因數,提升能力不再改變。因此,對于 1 000 m 左右的深井提升,摩擦因數取 0.2,可以通過增加尾繩的質量、鋼絲繩數量以及鋼絲繩抗拉強度的方法,達到提高提升能力的目的。

5 結論

(1) 在影響提升能力的關鍵因素中,防滑確定了其zui小提升高度,應力波動和比壓確定了其zui大提升高度;在 1 000 m 左右的提升深度時,提升載荷的能力達到zui大。

(2) 提升zui大載荷的能力隨著尾繩質量、摩擦因數和鋼絲繩抗拉強度的增加而增加,隨著提升鋼絲繩數量的增加近似以相同的倍數增加;當采用重尾繩時,zui大提升高度隨著尾繩質量的增加而減小,輕尾繩時無變化。對于實際提升工況,可根據以上圖表合理選擇提升參數。

(3) 通過實例分析,得到對于超深井 (1 500 m) 提升,可以通過增大鋼絲繩數量和抗拉強度的方法提高提升能力;對于一般深井 (1 000 m)提升,可以通過增加尾繩質量、鋼絲繩數量以及鋼絲繩抗拉強度的方法提高提升能力。

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