第四部份 矿井提升设备选型设计.docx
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第四部份矿井提升设备选型设计
第四部份矿井提升设备选型设计
第四部份矿井提升设备选型设计
设计依据
主井提升：
1、矿井年产量An（万吨）；
2、工作制度:
年工作日b（天），每日工作t（小时）；
3、矿井开采水平数，各水平井筒深度Hs（米）及服务年限；
4、提升方式：
箕斗或罐笼；
5、货载的散集密度（t/m3）。
副井提升：
1、矿井年产量An（万吨）；
2、工作制度:
年工作日b（天），每日工作t（小时）：
3、矿井开采水平数，各水平井筒深度Hs（米）及服务年限；
4、矸石年产量：
一般为煤产量的15～20％；
5、最大班下井人数、材料消耗量、需运送设备数量、保健车及炸药等下井次数。
第一节立井单绳缠绕式主井提升设备的选型设计
一、提升容器的选择
立井提升容器主要是箕斗和罐笼。
在同等条件下，箕斗与罐笼相比，质量小，占井筒断面小，装卸载快，提升能力大，电动机功率小，提升效率高，便于实现自动化。
缺点是用途单一，需设置煤仓及装卸载设备，需另设辅助提升设备，井架较高，井筒较深。
可根据矿井生产能力的大小确定提升容器的类型。
提升容器的类型确定后，就要计算提升容器的容量，并从容器规格表中选择标准容器，也可根据现场要求自行设计非标准容器。
在矿井年产量、工作制度一定的情况下，可以选择大容量容器低速提升；也可以选择小容量容器高速提升。
这两种提升方式，前者因容器大，所需提升钢丝绳直径粗，提升机直径大，电动机功率大，设备初期投资高；但运行电费低。
后者则反之。
在实际工作中确定提升方案时，要先对两种方案进行选型计算，从初期投资，运行电费等各方面进行技术经济比较，考虑现场特殊需要，确定经济合理的提升方案。
在做方案设计时，可采用经济提升速度的方法。
一般认为经济的提升速度为：
（m/s） （3—1）
式中—提升高度（m）；
一般情况下取中间值进行计算，即；
对于箕斗提升 （m）； （3—2）
式中—矿井深度；
—卸载高度，箕斗提升可取15~25m；罐笼提升可取为0；
—装载高度，箕斗提升可取18~25m；罐笼提升可取为0；
根据经济提升速度，可估算经济提升时间：
（3—3）
式中——提升加、减速度（开始可假定加、减速度相等），对罐笼可暂取为0.7～0.75m/s2；对箕斗可暂取为0.8m/s2； ——容器爬行阶段附加时间，对罐笼可暂取为5s；对箕斗可暂取为10s；
——容器装卸载休止时间，可暂取为10s；
一次经济提升质量为：
（吨） （3—4）
式中——矿井年产量（吨/年）；
——提升富裕系数，对第一水平要求≥1.2；
C——提升不均匀系数，有井底煤仓C=1.15；无井底煤仓C=1.2；
t——日工作小时数，取14小时；
b——年工作日，取300天；
根据计算所得，从表3—1立井单绳箕斗规格表中选取一次提升质量与之相近的标准箕斗；写出所选箕斗的型号，容器质量（kg）,有效容积（m3）及两箕斗在井筒中的中心矩S（m）等参数。
箕斗的型号：
JL—8，容器质量5.5（kg）,有效容积8.8（m3）及两箕斗在井筒中的中心矩2100（mm）等。
实际一次提升质量Q（吨）为：
Q=V （3—5）
Q=8.83×0.93=496.79（吨）
式中V——箕斗的有效容积，m3；
——货载的散集密度；t/m3。
箕斗选定后因实际提升质量与经济提升质量一般情况下不相等，所以要按实际提升质量Q，重新计算一下完成生产任务所需要的最大一次提升循环时间：
（3—6）
表3—1立井单绳箕斗规格表
型号 JL—3 JL—4 JL—6 JL—8
名义装载质量（t）
有效容积（m3）
提升钢丝绳直径（mm） 3
3.3
31 4
4.4
37 6
6.6
43 8
8.8
43
钢丝绳罐道 直径（mm） 32～50根据安全系数确定
数量 4
刚性罐道 规格 380N/m钢轨
数量 2
箕斗质量（t）
最大终端负荷质量（t）
最大提升高度（m）
箕斗总高（mm）
箕斗中心距（mm）
适用井筒直径（m） 3.8
8
500
7780
1830
4.5 4.4
9.5
650
8650
1830
4.5 5.0
12
700
9450
1870
4.5或5 5.5
14.5
500
9250
2100
5
适应提升机型号 2JK—2.5 2JK—2.5 2JK—3 2JK—3.5
2JK—3 2JK—3.5
由此可估算出完成生产任务所需提升速度的最小值：
（m/s）（3—7）
可作为选择提升速度的依据，实际提升速度应根据实际所选提升机直径、减速器减速比、提升电动机的额定转速计算。
关于选择见提升机及提升电动机的选择部分。
二、提升钢丝绳的选择
立井单绳缠绕式提升一般选用6×19的钢丝绳，如条件许可也可选用线接触钢丝绳或异型股钢丝绳。
钢丝绳品种选定后，就要具体确定钢丝绳的直径和型号参数。
提升钢丝绳的选择按《煤矿安全规程》的规定，应采用最大静载荷来进行计算并考虑一定的安全系数。
各种提升设备用的钢丝绳，悬挂时的安全系数，必须符合下列规定：
ａ．专用于升降人员的，不低于９；
ｂ．升降人员和物料用的，升降人员时不低于９，升降物料时不低于7.5；
ｃ．专用于升降物料的，不低于６.5；
ｄ．多绳摩擦提升钢丝绳，专用于升降人员的，不低于９.2-0.0005；升降人员或升降人员和物料用的,升降人员时不低于９.2-0.0005,升降物料时不低于8.2-0.0005；专用于升降物料的7.2-0.0005；
以上各式中 ——钢丝绳悬垂长度；
对于立井单绳缠绕式提升钢丝绳悬垂长度：
（3—8）
式中 ——井架高度，m；在井架高度尚未精确确定前，可近似选取为：
罐笼提升，15～25m; 箕斗提升30～35m;
可按式（3—9）计算单绳缠绕式提升钢丝绳每米重力：
（N/m） （3—9）
式中QZ——容器质量kg;
Q——一次提升质量kg；
——钢丝绳中钢丝的抗拉强度（Ｎ／cm2）;提升钢丝绳可取为1550Ｎ／mm2或1700Ｎ／mm2,带入公式时应注意单位换算;
计算出钢丝绳每米重力后,可从表3——2钢丝绳规格表中选每米重力稍大于的钢丝绳,并查出该绳全部钢丝破断力之和（N）及其它参数;
可按式（3—10）验算选定钢丝绳的实际安全系数:
（3—10）
若不小于规程规定,则此绳可用,写出钢丝绳标号:
例如:
6×19，直径为34mm,为1700Ｎ／mm2,钢丝的韧性Ⅰ号，光面，右同向捻的钢丝绳，钢丝绳标号为：
钢丝绳6×19—34—1700—Ⅰ—光—右同GB1102-74
还要查出钢丝绳的每米重力p，钢丝直径；
若不满足规程规定，则需重选钢丝绳。
可增大钢丝绳直径或加大，重新验算直到满足要求为止。
三、提升机及提升电动机的选择
矿井提升机是煤矿大型固定设备之一，它在矿井生产中占有极其重要的地位，正确合理地选择提升机．具有重大的经济意义。
（一） 提升机滚筒直径的确定
提升机滚筒直径D，是计算选择提升机的主要技术数据。
选择滚筒直径的原则是钢丝绳在滚筒上缠绕时不产生过大的弯曲应力以保证其承载能力和使用寿命。
《煤矿安全规程》规定
对于地面使用的提升机（提升装置的滚筒和围包角大于90°的天轮）
（3—11）
对于井下使用的提升机（提升装置的滚筒和围包角大于90°的天轮）
（3—12）
式（3—11）和（3—12）中
D——滚筒直径，mm；
d——钢丝绳直径，mm，
——钢丝绳中最粗的钢丝直径，mm；
根据计算值选取标准的滚筒直径。
（二）提升机的最大静张力和最大静张力差的计算
提升机是按提升机系列规定的许用最大静张力
和许用最大静张力差
设计出的,在选用时，应使实际负荷所造成的最大静张力和最大静张力差小于或等于许用
和
，以保证提升机能正常工作。
（3—13）
（3—14）
根据上面计算的D、值在表3——3提升机规格表中选出合适的提升机来，再进行宽度验算。
（三）提升机滚筒宽度的验算
滚筒宽度应容纳以下几部分长度的钢丝绳。
（1）提升高度H。
（2）钢丝绳试验长度，《煤矿安全规程》规定，升降人员或升降人员和物料用的钢丝绳，自悬挂时起每隔6个月试验1次；专门升降物料用的钢丝绳，自悬挂时起经过1年进行1次试验，以后每隔6个月试验1次。
试验时每次剁掉5m，如果绳的寿命以三年考虑，则试验绳长为30m。
（3）滚筒表面应保留三圈绳不动（称摩擦圈），以减轻绳与滚筒固定处的拉力。
（4）多层缠绕时，上层到下层段钢丝绳每季需错动1／4圈，根据绳子的使用年限，一般取错动圈n′＝2~4圈。
（5）缠绕在滚筒圆周表面上相邻两绳圈间隙宽度
＝2—3圈。
滚筒的应有宽度由下面公式（3—15）求出：
单滚筒或双滚筒提升机，每个滚筒的宽度为
单层缠绕时 （3—15）
滚筒的实际宽度为B，若B′≤B则绳在滚筒上可缠绕单层；若B≤B′≤2B则绳在滚筒上需缠绕两层。
对于缠绕层数《煤矿安全规程》规定：
立井中升降人员或升降入员、物料的，只准缠绕一层；专为升降物料的准许缠两层；倾斜井巷中升降人员的，准许缠两层；升降物料，准许缠三层；在建井期间，无论在立井或倾斜井巷中，升降人员和物料的，都准许缠绕两层。
若缠绕层数超过《煤矿安全规程》规定，则需改选直径较大的提升机。
并重新验算滚筒宽度，直到缠绕层数满足要求为止。
多层缠绕时公式（3—15）中还需增加错动圈n′。
（四）提升机减速器减速比及提升机型号的确定
同一滚筒直径和宽度的提升机可选配几种不同减速比的减速器，同不同额定转速的电动机配套可获得多种提升速度，因此需综合考虑各种因素的影响。
可按式（3—16）列表
（3—16）
计算出所选提升机在配不同转速的电机和不同减速比时的提升速度填入下表，其中减速比i取值应与提升机规格表中i相对应，电动机额定转速为近似值与实际值相差不大。
vm ne
i 980 740 590 490
11.5
20
30
10.5
从表中查出稍大于完成生产任务所需提升速度的最小值
的速度Vm，取Vm为提升速度，查出与其对应的减速比i及电动机额定转速ne。
注意选出Vm不能大于规程要求。
减速器减速比确定后，提升机的型号就确定了。
写出提升机的型号及基本技术参数。
图3—1提升机与井筒相对位置图
式中Hx——卸载高度，即由井口水平到卸载位置容器底部的高度，m．对于罐笼提升：
一般来说均在井口水平装、卸载，这时Hx＝0；对于箕斗提升；地面要装设煤仓，煤仓的高度与煤仓容积、生产环节自动化程度和箕斗卸载方式等因素有关，一般Hx＝18—25m；
Hr——容器全高，由容器底至连接装置最上面一个绳卡的距离，m，此值可由容器的规格表中查得；
Hg——过卷高度（容器从卸载时正常位置，自由的提升到容器连接装置上绳卡同天轮轮缘接触点的高度。
《煤矿安全规程》对立井提升过卷高度的取值规定见表3—7；
Rt——天轮半径，m。
表3—7立井提升过卷高度取值表
提升速度，m／s
≤3 4 6 8 ≥10
过卷高度和过放距离，m
4.0 4.75 6.5 8.25 10.0
注；提升速度为表中所列速度的中间值时，用插值法计算。
式（3—20）中最后一项0.75Rt是一段附加距离。
这是因为过卷高度只计算到过卷时容器连接装置上绳头与天轮轮缘相接触点的距离。
从这一接触点至天轮中心的距离大约为0.75Rt。
所以在计算井架全部高度Ｈj时，要将此段距离计入。
井架高度Ｈj的计算值圆整为整数值。
（二）滚筒中心线至井筒中提升钢丝绳间水平距离Ls
一般来说，在井筒与提升机房之间很难再设置其他建筑物，因此为节省占地面积，滚筒中心线至井筒中钢丝绳间水平距离Ls愈小愈紧凑。
但根据井架天轮受力情况又可看出，为了提高井架的稳定性，使其具有较好的受力状态，在井筒与提升机房之间．设有井架斜撑。
斜撑的基础与井筒中心的水平距离约为0.6Ｈj左右，另外，还应使机房的基础与斜撑的基础保证不接触，考虑上述原因，Ls的最小值Lsmin可按下面经验公式计算
Lsmin≥0.6Ｈj+3.5+D （3—21）
式中Ｈj——井架高度，m；
D——提升机滚筒直径，m。
（三）钢丝绳弦长Lx
钢丝绳弦长是钢丝绳离开滚筒处至钢丝绳与天轮接触点的一段绳长。
参阅图3—1可看出，上下两条弦长不完全相等。
但近似地以滚筒中心至天轮中心的距离来计算弦长，误差不大，我国煤矿工程设计中都是如此处理。
当井架高度Ｈj和滚筒中心线至井筒中钢丝绳间水平距离Ls均已确定时，弦长Lx即为定值。
Lx——按下式求出
（3—22）
式中Rt——天轮直径，m：
C0——滚筒中心线与井口水平的高差，m。
它由三部分组成：
（1）滚筒中心线高出提升机房地面的高度，可查提升机规格表；
（2）提升机房地面与室外地面的高差；
（3）提升机房室外地面与井口水平的高差，决定于地形。
设计时一般取C0＝2~2.5m
为了防止在运行中钢丝绳振动而跳出天轮绳槽，钢丝绳弦长一般限制在60m以内。
井筒中仅布置一套提升设备时，弦长多数是满足上述要求的。
只有在井筒中布置两套提升设备，而且两台提升机采用同侧布置方案时，后台提升机的弦长就有可能超过60m。
这时可在适当的地方，加设支撑导轮．以减小弦长跨度。
（四）钢丝绳的外偏角和内偏角
钢丝绳的偏角是指钢丝绳弦与通过天轮平面所成的角度，偏角有外偏角和内偏角之分。
在提升过程中，随着滚筒转动，钢丝绳在滚筒上缠绕或放松，偏角是变化的。
《煤矿安全规程》规定：
最大外偏角和最大内偏角均不得超过1°30′，作单层缠绕时，最大内偏角还应保证不咬绳。
（1）双滚筒提升机做单层缠绕时
最大外偏角
（3—23）
式中B——滚筒宽度，m；
S——两天轮间距离、m。
此值决定于容器规格及容器在并筒中的布置方式，与采用的罐道形式也有关系，可查容器规格表中两容器的中心距决定；
——两滚筒内支轮之间的间隙，m，不同型式的提升机不尽相同，可通过提升机规格表中的有关参数计算得出；
d——钢丝绳直径，m；
——钢丝绳缠在滚筒上的绳圈间隙，m；
Lx——钢丝绳弦长，m。
最大内偏角
（3—24）
式中H——提升高度，m；
D——提升机滚筒直径，m。
（2）双滚筒提升机做多层缠绕时
最大外偏角（按缠满滚筒考虑）
（3—25）
最大内偏角
（3—26）
（五）提升机滚筒的下出绳角
滚筒出绳角的大小，影响提升机主轴的受力情况。
设计JK型提升机主轴时，是以上出绳角为零度，下出绳角β为15°考虑的。
滚筒的实际出绳角度增大时，对提升机主轴的工作有利。
限制下出绳角β的最小值为15°，是考虑到β过小时，钢丝绳有可能与提升机基础接触，增大了钢丝绳的磨损。
为此，对于JK型提升机，只需检验
下出绳角β，令其大于15°就可以了。
β值按下式计算
（3—27）
利用式（3—20）、式（3—21）算出Hj、Ls后，也有可能偏角不能满足要求。
为此一般是适当增大Ls值，这会使Lx增大，从而满足α1α2的要求。
总之，应根据实际条件，具体分析妥善解决。
最后画
提升机与井筒相对位置图。
五、提升设备的运动学及动力学计算
（一）提升系统变位质量的计算
为计算总变位质量，我们可首先分别计算出各运动部件的变位质量，然后相加即可。
各运动部件的质量变位原则，必须保证该部件在变位前后的动能相等。
提升系统中有三部分作直线运动，即提升载荷、提升容器（对于罐笼提升，则包括罐笼自重和矿车自重）和提升钢丝绳，它们直接作用于滚筒圆周上，其速度和加速度就是滚筒圆周上的速度和加速度，所以不用变位，它们本身的质量就是变位质量。
提升系统中还有三部分作旋转运动，即提升机（包括减速器）、天轮和电动机转子。
在提升过程中这些部件各运动质点都围绕自己的轴，以不同的回转半径和回转速度旋转，需要把它们变位到滚筒圆周上，则各部件变位后的质量值就不等于它原来的数值。
提升机（包括减速器）的变位质量mj和天轮的变位质量mt可以在它们的技术规格表中查出，不必计算。
只有电动机转子的变位质量需要计算。
电动机转子的变位质量md由下式求得
（3—28）
式中（GD2）d——电动机转子的飞轮力矩、N·m2，可由电动机规格表中查到；
D——提升机滚筒直径，m。
则提升系统的总变位质量Σm为
Σm=Q+2QZ+2pLp/g+2mt+mj+md （3—29）
式中Lp——一根提升钢丝绳总长度，m；
Hc——钢丝绳的悬垂长度，m；
Lx——钢丝绳的弦长，m；
3D——3圈摩擦圈绳长度，m；
——多层缠绳的错绳用绳长，m，n′＝2～4圈；
若挂有尾绳，式（3—29）中还应加上尾绳的质量，尾绳的质量按尾绳的长度与每米长度尾绳的质量的乘积计算。
其余字母的含义与前面相同。
（二） 提升加速度的确定
1、箕斗提升初加速度
的确定
为了保证提升开始时，空箕斗对卸载曲轨及井架的冲击不致过大，箕斗离开卸载曲轨时的速度被限制在V0＜1．5m／s，如果箕斗在卸载曲轨内的行程为h。
，则箕斗的初始加速度
（3—30）
目前大量通用的箕斗卸载曲轨行程为h。
＝2．13m，）新标准系列箕斗的卸载曲轨行程为2．35m，所以初加速度
为
故箕斗提升初加速度
一般采用0．5m／s2
2、主加速度
的确定
主加速度
是按安全经济的原则来确定的，主加速度的大小受《煤矿安全规程》、减速器强度、电动机过负荷能力三个方面的限制。
（1）《煤矿安全规程》对提升加、减速度的限制：
“立井中用罐笼升降人员的加、减速度不得超过0．75m／s2；斜井中升降人员的加、减速度不得超过0．5m／s2。
”对升降物料的加、减速度规程没有规定，一般在立井，加、减速度最大不超过1．2m／sz。
（2）按电动机的过负荷能力来确定。
电动机的最大平均出力应大于或等于加速阶段实际所需的最大出力，即
（3—31）
式中Fe——电动机的额定出力，N；
Pe——电动机的额定功率，KW；
——减速器的传动效率；
λ——电动机过负荷系数；
∑m——提升系统得总变位质量，㎏；
（3）按减速器允许的输出传动转矩来确定
电动机通过减速器作用到滚筒主轴上的拖动力矩，必须小于减速器所允许的最大输出转矩，即
（3—32）
式中——减速器输出轴最大允许输出转矩，N·m；可由提升机规格表3—3查得，
D——滚筒直径，m。
综合考虑上述三个条件，按其中最小者确定主加速度的大小。
（三）提升减速度的确定
提升减速度除了要满足上述《煤矿安全规程》的规定外，还与提升设备所采用的减速方式方式有关，目前常见的减速方式有三种。
1、自由滑行减速方式
在减速开始时，将电动机从电网切除，容器靠系统的惯性向卸载位置运行，速度逐渐降低。
既不用电力拖动，又不用制动器制动，故称为自由滑行减速方式。
采用自由滑行减速方式时，电动机已从电网断开，此时拖动力为0，根据基本动力方程
因减速阶段开始时
=H-
所以减速度
（3—33）
式中
——采用自由滑行减速方式时的减速度，m／s2；
——减速阶段的行程，一般为30～40m。
2、电动机减速方式
这是用电动机缓慢减速，即将电动机的转子附加电阻再逐级的接人转子回路，使电动机在较软的人工特性上运行，为了能较好地控制电动机，这时出力应不小于35％的额定值，即
所以当采用电动机减速方式时，其减速度为
（3—34）
3、制动状态减速方式
当提升系统的惯性力很大时，在整个减速运行阶段减速度很小。
因此，为了使提升系统得到合理的减速度，必须对系统施加足够的制动力，故称为制动状态减速。
当所需制动力很大时，可采用动力制动或低频发电制动等电气制动方式，此时减速度可按需要确定。
当所需制动力不大时，可采用机械制动减速。
当采用机械制动减速时，为了避免闸瓦过度发热和磨损，制动力应不大于0.3Qg，即
所以采用机械制动减速方式时的减速度
为
（3—35）
电气制动减速方式时的减速度
为
（3—36）
式中FZ——电气制动给出的制动力。
定减速方式时，应首先考虑采用自由滑行减速方式，因这种方式，既达到了减速的目的，又充分利用了提升系统的动能，操作简单、节省电能。
若此减速度
值太小，可采用制动减速方式，此时制动力不大于0.3Qg，可考虑采用机械制动减速，若大于0.3Qg，则需采用电气制动方式。
对于副井，为了安全可靠，都应采用电气制动方式。
对于多绳摩擦提升、斜井提升设备，则经常用电动机减速方式。
需要说明的是,最终只能在三种制动方式中选择一种合适的制动方式,并计算出相应得减速度做为提升系统的减速度。
（三） 速度图参数的计算
速度图是验算设备的提升能力、选择提升机控制设备及动力学计算的基础。
各类速度图的计算方法大致相同。
在计算速度图参数之前，必须已知提升高度H，最大实际提升速度Vm，及速度图各主要参数、、、v4、h4及等。
下面以箕斗提升六阶段速度图为例介绍速度图参数的计算步骤和方法。
1、卸载曲轨中初加速时间
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