斜井绞车选型设计.docx
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斜井绞车选型设计
斜井绞车
选型设计方案
设备
2012年9月28日
斜井绞车选型设计
目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
（1）前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
（2）1设计要求及设计参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（3）2钢丝绳选型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（4）3绞车选型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（9）4钢丝绳校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（13）5绞车校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（14）6结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（22）参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（23）参考规范性文件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯（24）
斜井绞车选型设计
我矿的斜井带式制动绞车（型号为JT-0.8×0.6）安装于1991年，虽只用作提升矿车，但也肩负着东部出矿的提升重任，现设置两班制，每日工作时间也有16个小时，属于我矿的重要考核设备。
绞车距今已投入使用20多年，设备陈旧，技术状况较差，且根据国家安全生产监督管理总局下发的文件，已将带式制动绞车列为淘汰产品，禁止在煤矿和金属非金属矿山使用，因此公司领导本着安全第一的原则，考虑到我矿目前的安全形势，决定对斜井绞车进行更换。
本设计在现有的技术参数下，严格参照《GBl6423—2006金属非金属矿山安全规程》和《煤矿安全规程》，并结合全国大部分金属非金属矿山中已通过国家安全生产监督管理总局审查并同意使用的斜井绞车型号，对我矿斜井绞车进行选型设计。
斜井绞车选型设计
1设计要求及设计参数
1.1设计要求
我矿原斜井绞车型号为JT-0.8×0.6，钢丝绳采用的是6×19-NF-Φ15.5，斜井长度为125m，轨道倾角为20°，提升一辆重车。
此次更换斜井绞车，轨道倾角仍为20°，但要求绞车能够在200m斜井长度上提升两辆重车。
根据现场实际尺寸画出斜井绞车提升示意图，如下：
图1斜井绞车提升示意图
1.2设计参数
根据已知参数和现场实际尺寸，则设计参数如下：
（1）矿车类型：
0.68m3翻转式矿车，矿车自重：
M1710kg；
（2）矿岩容重：
3.1t/m3；矿岩松散系数：
1.6；矿车装满系数：
0.85；
3.1
矿车有效载重：
M20.680.851120kg；
1.6
则两辆重车重量：
MK2（M1M2）2（7101120）3660kg；
（3）轨道倾角：
20；
（4）斜井长度：
L0200m；380挂钩点至380井底距离暂取10m；420摘钩点至420井口距离暂取20m；L'2001020230m；
（5）380挂钩点到420第一个地滚筒间钢丝绳长度：
L=210m；
（6）斜井已铺设15kg/m的轨道，600mm轨距，采用水泥轨枕。
斜井绞车选型设计
2钢丝绳选型设计
2.1钢丝绳结构选择
斜井提升用钢丝绳，正常情况下磨损是钢丝绳报废的主要原因，因此在钢丝绳选型时，保证安全系数的前提下，既要考虑钢丝绳的耐磨性，也要根据我矿的提升条件、实际使用情况等方面考虑经济性。
2.1.1三角股钢丝绳
三角股钢丝绳是由6个具有一定螺旋状的等边三角形股围绕绳芯紧密扣合而成。
参考《GB/T8918—2006重要用途钢丝绳》得知6V×18、6V×19适用于斜井提升，它的股外层钢丝有9根。
由于股中钢丝数量少，钢丝直径相对较粗，使用时其耐磨性、寿命远远高于普通圆股钢丝绳，因此价格也是最高的。
与普通圆股点接触钢丝绳相比，它具有以下优点：
1接触面积大，耐磨性能好；
2因股与股之间接触点增多，因而抗压性能好；
3总破断拉力可提高20％一25％；
4制造时由于预先形成螺距，采用了预变形和强有力的矫直定径装置，消除了捻制残余应力，因而结构稳定，使用时不易断丝，且换绳操作方便。
2.1.2面接触钢丝绳
从钢丝绳股内各层钢丝之间的接触状态来看，当前国内外的发展趋势是点到线到面。
即逐步淘汰使用寿命低的点接触钢丝绳，而由线接触钢丝绳以及面接触钢丝绳所替代。
从钢丝绳使用寿命来看，点、线、面接触的三种类型，后者依次比前者提高50％以上。
与普通圆股钢丝绳相比，面接触圆股钢丝绳具有以下优点：
1耐磨性好，钢丝表面平滑，与绳轮之间的接触面积大，单位压力小，可减少绳轮磨损；
2耐疲劳性能好，钢丝之间呈面状接触，接触应力小，不易断丝；
3破断拉力高；
4不松散性能好。
斜井绞车选型设计
面接触钢丝绳用于斜井提升，当首选股中钢丝数少、钢丝直径粗的6T×7结构。
面接触钢丝绳使用寿命比点接触钢丝绳提高50％～100％。
2.1.3线接触圆股钢丝绳
线接触圆股钢丝绳的圆股内不仅同层钢丝之间为线状接触，而且相邻层钢丝
之间也是线状接触。
适合斜井提升用钢丝绳推荐的有两种结构，一种是6×9W，
另一种是6×7。
（1）6×9W钢丝绳
6×9W结构钢丝绳股中心丝由3根组成，外层相间排列粗细各3根钢丝，粗丝位于内层丝凹处，细丝位于内层丝的凸处。
与点接触钢丝绳相比，具有以下优点：
1绳股结构较点接触紧密，在使用时可减少股内钢丝的相对滑动。
因股内
钢丝的捻距相等，故其内层的捻角较小，因而钢绳的结构伸长较小；
2绳股内相邻层钢丝在全长上呈线接触状态，接触面积大，因而在使用时股内钢丝所受的接触应力小；
3钢丝绳的密度系数高，因而在相同强度和直径的情况下，承受载荷高
8％～10％。
（2）6×7钢丝绳
6×7结构钢丝绳是股中心丝外包捻一层钢丝，属于丝数少的线接触钢丝绳，但一般都把它当点接触钢丝绳看待。
直径相同的钢丝绳，股中钢丝数少，钢丝直径相对较粗，耐磨性也相应好一些。
由于6×7结构股中钢丝直径粗，耐磨性好，而且方便生产，价格便宜，现仍在多数煤矿斜井中普遍使用。
因此，结合我矿实际情况，暂选6×7-NF线接触圆股钢丝绳。
2.2钢丝绳抗拉强度的选择
钢丝绳的公称抗拉强度按《GB/T8918—2006重要用途钢丝绳》的规定，从1570MPa到1960MPa共列出5个等级。
选择强度高的钢丝绳，则安全系数高、强度高，但其弯曲、扭转值相应地就会低些，影响使用寿命。
按《煤矿安全规程》的规定：
钢丝绳的公称抗拉强度应根据钢丝绳在使用中所承受的最大静拉力和钢丝绳内钢丝破断拉力总和来计算。
即：
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QjFh
m[1]式中：
Qj——最大静拉力，kN；
Fh——钢丝绳内钢丝破断拉力总和，kN；
m——安全系数，m6.5。
最大静拉力Qj不仅包括绳端荷重MK，而且包括钢丝绳的自身重量ML。
斜井提升系统中，其最大静拉力应考虑倾角及阻力的影响。
所以在420第一个地滚筒切点处钢丝绳的最大静拉力为：
QjgMK（sinf1cos）gML（sinf2cos）[2]
式中：
MK——两辆重车的重量，MK3660kg；
ML——380挂钩点与420第一个地滚筒切点间钢丝绳重量，kg；——轨道倾角，20；
f1——提升容器运动的阻力系数，f1=0.01～0.015，现取f1=0.015；
f2——钢丝绳与底板和地滚筒间摩擦系数，钢丝绳全部支承在地滚筒上时取f2=0.15～0.2，局部支承在地滚筒上时取f2=0.25～0.4，现取f2=0.3；
g——重力加速度，g9.8m/s2。
根据6×7-NF线接触圆股钢丝绳的最小破断拉力，结合耐磨性、安全系数、强度、弯曲、扭转等参数，暂选=1670Mpa。
2.3钢丝绳单位重量P计算
斜井钢丝绳单位重量计算公式为：
PMK（sinf1cos）
[3]
P11
L（sinf2cos）
m
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L——钢丝绳长度，m
所以，应选单位重量大于0.484kg/m的钢丝绳
2.4钢丝绳直径d计算
斜井钢丝绳直径计算公式为：
[4]
MK（sinf1cos）
KK'
hKL（sinf2cos）
gm
式中：
d——钢丝绳直径，mm；
Kh——破断拉力换算系数；
K'——最小破断拉力系数；
K——钢丝绳重量系数，kg/100m·mm2。
将初步选定的钢丝绳结构和公称抗拉强度，再加上《GB/T8918—2006重
要用途钢丝绳》表2和附录A中找出的Kh=1.134、K'=0.332、K=0.351，代人
公式得：
考虑到纲丝绳的使用寿命、绞车的磨损和绞车的容绳量，暂选用钢丝绳直径
为d16mm
2.5钢丝绳捻法的选择
钢丝绳的捻法分为4种，即左同向捻、右同向捻、左交互捻、右交互捻。
同向捻的钢丝绳在使用中外层钢丝曲率与滑轮槽的曲率较吻合，接触面大，在与地滚筒等接触中钢丝磨损比较均匀。
交互捻钢丝绳外层钢丝不是均匀磨损，局部磨损严重，断丝的机率大，使用寿命短。
同向捻的钢丝绳，由于股内钢丝的扭转力矩与钢丝绳的扭转力矩方向相同，
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在制造时不可能彻底消除，在斜井提升中终端虽不能自由旋转，但在使用中若稍不注意容易使钢丝绳扭结，不安全。
交互捻钢丝绳，由于股内钢丝的扭转力矩与钢丝绳的扭转力矩方向相反，不易产生旋转、扭结等不安全因素。
斜井箕斗提升用钢丝绳宜选用同向捻的钢丝绳，斜井矿车提升用钢丝绳宜选用交互捻的钢丝绳。
我矿380斜井采用的是矿车提升，因此选用交互捻的钢丝绳。
2.6钢丝绳初选型号的确定
综上所述，在符合钢丝绳安全系数的前提下，考虑钢丝绳使用寿命和使用的经济性，暂选线接触圆股钢丝绳6×7-NF-Φ16-1670，捻向为ZS或SZ。
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3绞车选型设计
3.1绞车型号的选择
国家安全生产监督管理总局已将JT、JKA、KJ、JTK等绞车列为淘汰产品，禁止在煤矿和金属非金属矿山使用。
现比较适合的绞车只有JTP、JK两种型号
的绞车，其中JK型绞车最小卷筒直径是2m，但从我矿的提升要求和经济性考虑，没有必要使用JK型绞车，而JTP型绞车从各方面都符合我矿的提升条件，且经济实用。
3.1.1绞车制动系统的选择
现国内矿山普遍使用的绞车主要采用盘闸制动系统，其特点为：
1结构紧凑，质量小，动作灵敏，安全性好，便于矿井自动化；
2盘闸制动器的液压控制系统是同绞车的拖动系统、自动化控制相配合的；
3制动器还要参与绞车速度控制，制动力矩必须在较宽的范围内进行调节，与此相应的液压站（带二级制动）与之适应。
盘闸制动系统的作用：
1在绞车停止工作时，能可靠地闸住绞车，即正常停车；
2在减速阶段及下方重物时，参与绞车的控制，即工作制动；
3当发生紧急事故时，能迅速可靠且合乎要求地闸住绞车，即全制动。
3.1.2绞车电控系统的选择
电磁继电式逻辑电路构成的绞车电控系统和TKD型电控系统已都不符合当前绞车电控系统，现有普通交流接触器式电控系统、PC或PLC控制电控系统和变频调速电控系统三种类型。
普通交流接触器式电控系统相比其他两种的安全性能较低，而变频调速电控系统成本较高，PC或PLC控制电控系统适合本设计要求。
所以本设计选用JTP盘形制动绞车，电控系统采用PC或PLC控制电控系统。
3.2卷筒最小直径D计算
根据《煤矿安全规程》中规定：
井下提升绞车的卷筒直径与钢丝绳直径之比值不应小于60。
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则，D60d6016960mm所以，参照标准卷筒尺寸，选取D=1200mm
3.3卷筒最小宽度B计算
根据《煤矿安全规程》中规定：
专为升降物料的绞车钢丝绳缠绕层数不可超过3层。
卷筒平均缠绕直径公式为：
式中：
Dp——平均缠绕直径，mm；
D——卷筒直径，现取D1200mm；
——缠绕层数，=3；
d——钢丝绳直径，mm；
则，Dp1200314162（163）21225.75mm
又根据卷筒B计算公式为：
nm——为滚筒上缠绕的三圈摩擦绳，nm=3；
ng——《煤矿安全规程》规定为每季度将钢丝绳移动1/4圈附加的钢丝
绳圈数，ng=4
所以，参照标准卷筒尺寸，选取B=1000mm
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3.4最大静张力Fj和最大静张力差Fc计算
根据初步选定的钢丝绳具体型号，将参数代入式[2]可得绞车承受的最大静拉力为：
QjgMK（sinf1cos）gML（sinf2cos）13.93kN
考虑到我矿运输量和运输距离，采用单卷筒单钩提升，则最大静张力和最大静张力差相等，即重车组位于下部车场开始向上运行的阻力。
所以，FjFcQj13.93kN
3.5绞车牵引力F计算
计算绞车牵引力考虑到绞车承受载荷的不均衡性，应取一个安全系数c，
一般取1.25，则绞车的牵引力应为：
FcQj[7]
则：
FcQj1.2513.9317.41kN
3.6电动机的选择
3.6.1电动机功率计算
电动机功率估算公式为：
Qjv
N[8]式中：
N——电动机功率，KW；
——矿井阻力系数，即考虑提升容器在井筒中活动时的风阻、轨道阻力和钢丝绳弯曲阻力系数，现取=1.2；
v——最大提升速度，暂取v=1.8m/s；
——减速器的传动效率，一级传动时=0.92，二级传动时=0.85；现取=0.85。
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3.6.2电动机转速计算
根据公式：
60vi
[9]
n
D
式中：
n——电动机转速，r/min；
i——减速器传动比，现取i24
经上述计算，初步选用YR-280S-8型电动机，功率为55KW，额定转速为
725r/min。
3.7绞车初选型号的确定
综上所述，结合目前国内生产的主要几种绞车型号，初步选定为JTP-1.2×1.0盘形制动绞车，电控系统采用PC或PLC控制电控系统，减速器传动比为24，电动机为YR-280S-8型，其功率为55KW，额定转速为725r/min。
-12-
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4钢丝绳校核
4.1钢丝绳安全系数校核
查《GB/T8918—2006重要用途钢丝绳》表9可知钢丝绳最小破断拉力
F0142kN，查《GB/T8918—2006重要用途钢丝绳》附录A可知破断拉力换算
系数Kh1.134，则钢丝绳破断拉力总和FhF0Kh161kN，根据式［1］可得:
由此可知，6×7钢丝绳的安全系数符合《煤矿安全规程》的规定
4.2钢丝绳单位重量校核
查《GB/T8918—2006重要用途钢丝绳》中6×7钢丝绳的单位重量
P'89.9kg/100m，则：
P'89.9kg/100mP48.4kg/100m符合要求。
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5绞车校核
5.1绞车最大静张力和最大静张力差校核
查JTP-1.2×1.0绞车的最大静张力和最大静张力差分别为：
Fj'30kN、Fc'30kN，则：
Fj'30kNFj13.93kN
Fc'30kNFc13.93kN所以，该型号绞车的最大静张力和最大静张力差满足要求。
5.2绞车牵引力校核
查JTP-1.2×1.0绞车参数表可知：
F'30kN
则，F'30kNF17.41kN所以，该型号绞车的牵引力能满足要求。
5.3绞车卷筒校核
5.3.1钢丝绳直径与卷筒直径比校核
钢丝绳直径与卷筒直径比为：
符合《煤矿安全规程》中井下提升绞车的卷筒直径与钢丝绳直径之比值应不
小于60的规定
5.3.2卷筒容绳量校核
已知容绳量计算公式为：
B2.5db
[10]
H（nmng）DpLm
d
式中：
b——穿绳孔直径，一般取bd521mm；
nm——为滚筒上缠绕的三圈摩擦绳，nm=3；
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ng——《煤矿安全规程》规定为每季度将钢丝绳移动1/4圈附加的钢丝
绳圈数，ng=4；
Dp——平均缠绕直径，Dp1225.75mm；
Lm——定期试验用的钢丝绳长度，一般取Lm30m
则，
H（310002.5162134）3.141.22630538.5m
163
H538.5mH'660m
所以，该型号绞车容绳量符合要求
5.4绞车制动力矩校核
已知绞车最大静力矩：
查JTP-1.2×1.0绞车参数表可知绞车额定静力矩为：
Te63kNm
所以符合《煤矿安全规定》中对绞车制动性能的要求：
工作制动器和安全制动器制动力矩均不应小于绞车最大静力矩的3倍
5.5运动学、动力学计算
5.5.1提升系统变位质量计算查JTP-1.2×1.0绞车参数表可知：
绞车的变位质量：
Mt7000kg
电动机的变位质量：
Md660kg
钢丝绳的变位质量：
Mg（2102573.141.230）0.899262kg
两辆重车的变位质量：
Mc2（7101120）3660kg
则变位质量总计：
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MMtMdMgMc7000660262366011582kg
5.5.2运行参数的确定
查JTP-1.2×1.0绞车参数表可知，提升系统最大提升速度vm'1.84m/s，符合《煤矿安全规程》中：
斜井用矿车升降物料时，速度应不超过5m/s的规定参照《煤矿安全规程》对斜井提升运行参数的规定，本设计运行参数确定如下：
2
（1）初加速度：
a10.3m/s2；
（2）车场内低速运行速度：
v01m/s；
2
（3）主加、减速度：
a2a30.5m/s2；
2
（4）自然减速度：
a4f1g0.147m/s2；
（5）最大运行速度：
vm'1.84m/s；（6）休止时间（摘挂钩和发信号时间）：
t45s。
5.5.3运动学的计算
（1）重车在380车场运行阶段
1初加速阶段时间：
t1v013.3s
1a10.3
11
②初加速阶段距离：
L11v0t1113.31.65m
22
③初等速阶段距离：
L210L1101.658.35m
④初等速阶段时间：
t2L28.358.4s
v01
（2）重车在井筒里运行阶段
1主加速阶段时间：
t3vm'v01.8411.7s
3a20.5
2主加速阶段距离：
L3（vm'v0）t3（1.841）1.72.4m
322
3主减速阶段时间：
t4vm'v01.8411.7s
a30.5
-16-
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4主减速阶段距离：
L4（vm'v0）t4（1.841）1.72.4m
422
⑤高等速阶段距离：
L5200L3L42002.42.4195.2m
⑥高等速阶段时间：
t5L5195.2106.1s
5vm'1.84
3）重车在420车场运行阶段
①末减速阶段时间：
t6v016.8s
a40.147
11
②末减速阶段距离：
L61v0t6116.83.4m
22
③末等速阶段距离：
L720L6203.416.6m
④末等速阶段时间：
t7L716.616.6s
v01
4）具体的提升运动学图如下：
图2提升运动学图
5.5.4动力学的计算
（1）重车在380车场运行阶段
①初加速开始时：
F1KMKg（sinf1cos）PL'g（sinf2cos）Ma11.136609.8（sin200.015cos20）
0.8992309.8（sin200.3cos20）115820.3
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18789N
2初加速终了时：
F2F1gPL1sin187899.80.8991.65sin2018784N
3初等速开始时：
F3F2Ma118784115820.315309N
4初等速终了时：
F4F3gPL2sin153099.80.8998.35sin2015284N
2）重车在井筒里运行阶段
①主加速开始时：
F5F4Ma215284115820.521075N
2主加速终了时：
F6F5gPL3sin210759.80.8992.4sin2021068N
3高等速开始时：
F7F6Ma221068115820.515277N
④高等速终了时：
F8F7gPL5sin152779.80.899195.2sin2014689N
5主减速开始时：
F9F8Ma314689115820.58898N
6主减速终了时：
F10F9gPL4sin88989.80.8992.4sin208891N
3）重车在420车场运行阶段
①末等速开始时：
F11F10Ma48891115820.1477188N
②末等速终了时：
F12F11gPL7sin71889.80.89916.6sin207138N③自然减速开始时：
F130N
-18-
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4自然减速终了时：
F140N
4）具体的提升动力学图如下：
图3提升动力学图
5.5.5等效力的计算
将各阶段力的平方与该段时间乘积计算如下：
1221227
（F12F22）t1（187892187842）3.3116.5107
22
1221227
（F32F42）t2（153092152842）8.4196.5107
22
1221227
（F52F62）t3（210752210682）1.775.5107
22
1221227
（F72F82）t4（1
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