周浩燕主井提升系统设计说明书.doc

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主井单绳缠绕式提升设备选型设计
1 选型设计的基本原则
矿井提升设备选型是否合理, 直接影响到矿井的安全生产、 基建投资、 生产能力和吨煤成本。因此在选型设计之前, 必须进行认真的技术方案比较, 使设计方案真正达到技术与经济上的合理。
矿井提升设备的合理设计, 主要取决于确定合理的提升系统, 即设计矿井采用几套提升设备、 提升设备的类型( 单绳缠绕式还是多绳摩擦使) 以及提升式( 采用箕斗还是罐笼) 。一般情况下, 年产量在30万吨及其以上的大中型矿井, 由于提升任务重, 可设两套提升设备, 主井采用箕斗提升, 副井采用罐笼提升。对于年产量超过180万吨的特大型矿井, 主井可采用两套箕斗提升设备, 副井除配备一套提升设备以外, 有时尚需设置一套带平衡锤的单容器提升设备作辅助提升。对于年产量小于30万吨的矿井可采用两套普通的罐笼提升设备, 若一套提升设备能够完成任务, 也可采用一套普通罐笼提升。
对于大中型矿井, 决定其提升方式时, 还应考虑以下几个因素:
( 1) 如果煤的品种较多, 且要求不同品种分别运出时, 应采用罐笼提升为宜;
( 2) 如果对煤由块度要求且要求较高时, 宜采用罐笼提升;
( 3) 地面生产系统靠近井口, 采用箕斗可简化煤流过程; 若远离井口, 并需窄轨运输, 则宜采用罐笼提升;
( 4) 对于采用单容器提升还是双容器提升, 主要取决于同时开采的水平数, 对于煤矿多数以单水平开采, 故一般采用双容器提升。当多水平提升时, 一般采用单容器加平衡锤的提升系统;
( 5) 多绳摩擦式提升机具有诸多优点。在立井提升中, 一般当年产量在60万吨及其以上, 井深有在以上时, 采用多绳提升为好。如果井深更大, 即使年产量较小, 也以多绳摩擦提升为宜。对于斜井或较浅的立井均应采用单绳缠绕式提升设备。
( 6) 对于斜井提升方式主要有串车、 箕斗和带式输送机三种。串车一般用于井筒倾角小于的矿井。对于年产量在21万吨及其以下的矿井, 一般采用单钩串车提升; 当年产量达30万吨, 而提升距离较短时, 一般采用双钩串车提升。箕斗提升一般用于年产量45万吨以上, 井筒倾角大于的矿井, 箕斗一般采用后卸式箕斗。带式输送机一般用于产量较大, 距离较长的斜井中。
以上仅是一般的设计原则, 在具体设计时, 必须根据矿井的具体条件, 提出若干可能方案, 对基本投资、 运转费、 技术的先进性等诸方面进行技术比较后确定。同时还要考虑到中国提升设备的生产和供应情况, 才能确定比较合理的方案。
根据设计的任务要求和具体的生产条件, 本设计是针对副井提升设备的选型设计。基于以上的设计原则, 本提升设备采用单绳缠绕式双罐笼提升设备。
2 设计依据
矿井年产量=160万t;
井深=180m;
主井装载高度=27m;
卸载高度=18m;
散煤容重γ=950。
提升方式: 主井单绳缠绕式提升
3 设计主要内容
( 1) 提升容器的计算和选择;
( 2) 提升钢丝绳的计算和选择;
( 3) 矿井提升机滚筒直径的计算和选择;
( 4) 天轮直径的计算和选择;
(5) 提升机与井筒相对位置的计算;
(6) 电动机功率的初选。
4 设计步骤
4.1 提升容器的选择
提升容器的容量是按提升任务的大小来确定的。提升容器选择大, 初期投资大, 为了降低初期投资量, 选择容器容量越小越好。相反提升容器选择小, 需要加快提升速度, 导致电动机容量和电能消耗增大, 运转费用增加, 而为了节省费用, 又要增大提升容量。为解决这一矛盾, 一般认为, 在不加大提升机及井筒直径的前提下, 选用较大容积的提升容器, 以采用较低的提升速度, 节省电耗, 比较经济合理。
箕斗是单一用途的提升容器, 仅用于提升煤炭或矿石。其结构和工作示意图如图2-1所示。中国煤矿广泛采用固定斗箱底部卸载式箕斗, 其优点是闸门结构简单、 严密, 闸门向上关闭冲击小, 当煤仓已满, 煤为卸载完毕时, 箕斗产生断绳的可能性很小。箕斗闸门开启主要借助煤的压力, 因而卸载时传递到卸载曲轨上的力较小, 改进了井架受力状态。该闸门的缺点是: 如果闭锁装置一旦失灵, 闸门可能由于震动、 冲击而在井筒中自行开启, 不但会把煤卸载在井筒里, 还会撞坏井筒设备, 因此必须认真检查闭锁装置。
箕斗设计和选用主要应考虑其结构坚固, 有足够的刚度, 装卸载快, 闸门工作可靠。
因此, 根据设计依据数据, 主井单绳缠绕式提升系统, 年产量160万吨, 提升容器选择双容器箕斗提升, 下面采用经济速度法对箕斗型号进行选择。
4.1.1 经济提升速度

上式中, ——经济提升速度, m/s;
H——装载高度+井深+卸载高度, m。即
( m)
4.1.2 估算提升循环时间

上式中, ——根据经济提升速度估算的一次提升循环时间, s;
——提升加速度, 预设取值;
——容器爬行阶段附加时间, 箕斗低速爬行时间一般取值;
——箕斗装卸载休止时间, 一般取值
4.1.3 计算箕斗一次提升量

上式中, ——矿井年产量, t/a;
——提升不均衡系数, 箕斗提升取值1.1,
——提升能力富裕系数, 取值1.2。
——提升设备年工作日数, 一般取300d;
t ——提升设备日工作小时数, 一般t=14h。
双容器提升, 则一个箕斗的一次提升量为9.08/2=4.54吨。
根据上述计算结果可知, 应选名义载重量为6t的JL-6型立井单绳箕斗, 其有关数据是箕斗自重, 容器全高, 有效容积, 箕斗中心距, 最大终端负荷120KN, 最大提升高度700m, 箕斗总高9450mm。适应的提升钢丝绳直径为43mm, 适应提升机型号为2JK-3.5。
因散煤容重γ=950, 故一次实际提升量。
4.2 钢丝绳的选择计算
提升钢丝绳是提升系统的重要组成部分。它直接关系到矿井的正常生产和人员的安全, 还影响提升机的设计, 又是提升系统中经常更换的易耗品。因此无论从安全生产还是经济运行上考虑都要给予足够的重视。
在矿井提升系统中, 应该根据不同的用途, 选用合适的钢丝绳, 扬长避短, 充分发挥她们的效能, 为此必须对其结构、 性能及选择计算做详细的了解。
钢丝绳的分类
按钢丝绳统制次数分: 单绕绳, 双绕绳, 三绕绳。
按由股捻成绳的捻向分: 左捻绳, 右捻绳。
按捻法分: 同向捻钢丝绳, 交互捻钢丝绳。
按股中钢丝接触情况分: 点接触式, 线接触式, 面接触式。
按绳股断面形状分: 圆股, 异型股。
特种钢丝绳: 多层股不旋转钢丝绳, 密封钢丝绳, 扁钢丝绳。
在矿井提升系统中, 应该根据不同的用途, 选用合适的钢丝绳, 扬长避短, 充分发挥她们的效能, 为此必须对其结构、 性能及选择计算做详细的了解。在选择钢丝绳时还要考虑以下因素: ( 1) 对于单绳缠绕式提升, 一般宜选用光面右同向捻、 断面形状为圆形股或三角形股、 接触形式为点或线接触的钢丝绳, 且多采用价格较低的6股19丝的普通圆股钢丝绳: 对于矿井淋水大、 酸或碱度高和在出风井的井筒中使用, 为防止钢丝绳锈蚀, 宜选用镀锌钢丝绳。( 2) 对于斜井, 因钢丝绳与地辊、 地面摩擦, 为了抗磨损和腐蚀, 宜选用绳股表层的钢丝较粗、 有纤维芯的钢丝绳, 一般多采用6股7丝的普通型圆股钢丝绳, 或线接触式的西鲁式6股19丝钢丝绳, 选用时以股的外层钢丝直径比内层粗为好。( 3) 对于多绳摩擦式提升, 一般宜选用镀锌同向捻( 左右捻各半) 的钢丝绳, 断面形状最好是用三角股。
4.2.1 钢丝绳初选
本设计是单绳缠绕式提升, 因此选择和箕斗相适应的钢丝绳直径为43mm, 钢丝2mm的绳纤维芯GB1102-74绳股钢丝绳。抗拉强度, 箕斗安全系数, 有关数据为直径, , , 。对其每米重量进行验算:
钢丝绳悬垂长度( m)
上式中, H--- 井架高度
H--- 井的深度
H--- 容器装载高度
在井架高度为确定之前, 将井架高度选值为38m
≤65.53N/m
上式中, p——每米钢丝绳重量, N/m;
Q——一次提升货载的重量, N;
——容器的自身重量, N;
抗拉强度, 箕斗安全系数。
因此该型号钢丝绳每米重量符合要求。
4.2.2 验算其安全系数
钢丝绳的安全系数, 根据安全规程的规定为钢丝破断力之和与最大静负荷之比。并规定提升钢丝绳的安全系数为:
① 专为升降人员用的不得低于9;
② 升降人员和物料用的不得低于7.5;
③ 专为升降物料用的不得低于6.5;
④ 摩擦轮提升用的不得低于8。

上式中, Qq——所选钢丝绳所有钢丝破断力之和, N;
p——每米钢丝绳重量, N/m;
Q——一次提升货载的重量, N;
——容器的自身重量, N;
——钢丝绳悬垂长度
m—— 箕斗拉煤安全系数, 取6.5
故所选钢丝绳合格。
提升钢丝绳除合理的选择外, 还应正确使用, 精心维护, 定期试验, 保证钢丝绳始终处于良好的工作状态, 延长其使用寿命, 保证提升工作的安全。
钢丝绳的润滑非常重要, 直接关系到钢丝绳的使用寿命及安全运行。润滑有三个作用: ①保护钢丝不锈蚀; ②起润滑作用, 减少钢丝绳的磨损, ③防止湿气水分浸入绳内, 并补充绳芯油量。
对钢丝绳润滑油有以下要求: ①粘稠性好, 能使油粘附在绳上, 振动、 淋水也甩冲不掉; ②要有较好的粘温特性, 低温时不硬化, 高温时不流失; ②防锈及润滑性能要好、 不含酸碱性, 应有一定的透明度, 以便发现钢丝绳磨损及断丝。
4.3 提升机的选择计算
矿井提升机是煤矿大型关键设备之一, 它在矿井生产中占有极其重要的地位, 投资和使用时应正确合理地选择提升机, 确定主要的特征参数, 对矿井生产具有重大的经济意义。对于单绳缠绕式提升机主要有: 提升机滚筒直径, 滚筒宽度, 最大静张力, 及最大静张力差; 多绳摩擦式提升机主要有: 摩擦轮直径, 最大静张力, 最大静张力差, 及摩擦衬垫的比压。下面从滚筒直径开始计算, 然后再验算其它参数。
4.3.1 提升机初选
和箕斗相适应的提升机型号为2JK-3.5, 其滚筒直径为3500mm, 宽度为1700mm。
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钢丝绳的使用寿命。因此, 《煤矿安全规程》规定: 对于地面使用的提升机: D, 即

上式中, d——钢丝绳直径
—— 提升钢丝绳中最粗钢丝的直径
因此该提升机滚筒直径符合要求。
4.3.2 提升机宽度验算
卷筒宽度B根据所需容纳的钢丝绳总长度来确定。钢丝绳总长度包括:
1) 提升高度;
2) 供试验用的钢丝绳长度;
3) 为减少绳头在卷筒上固定处的张力而设的三圈摩擦圈。
双滚筒提升机单层缠绕时,
上式中, H——为提升高度, m
D——缠绕滚筒直径, m
d——钢丝绳直径, mm
——为绳圈间隙取值

所选提升机宽度符合条件。
4.3.3 强度校核
缠绕式提升机滚筒要受绳的拉力, 缠绕到滚筒上的绳是在具有一定的绳张力的条件下缠绕到滚筒上的。因此提升绳对滚筒的作用力主要有两个: 一方面是没有缠到简上的绳对滚筒的作用力, 对这个力来讲滚筒像一般的空心轴一样要受到达个力的弯曲和扭转; 另一个是缠绕到滚筒上的绳的张力对滚筒的作用, 这个作用可看作是在筒壳外有一个均匀的压力压到筒壳上, 仿佛一个密闭的圆筒在海底其四周受到均布水压一样, 只是筒壳的两端在提升机处并不受侧面的压力。故钢丝绳最大静张力为:

上式中, Q—— 一次提升量
Q —— 箕斗自重
P —— 钢丝绳单位绳重
H —— 提升高度
g —— 重力加速度
最大静拉力差

因此, 根据以上数据, 选用2JK-3.5/15.5型提升机, 滚筒直径D=3.5m, B=1.7m。减速器传动比。
4.4 天轮的选择计算
天轮是矿井提升系统中的关键部件之一, 安装在井架上做支撑、 引导钢丝绳转向只用, 根据煤炭工业部标准, 天轮有下列三种: ( 1) 井上固定天轮(TSG系列), 见于缠绕式提升机和落地式多绳摩擦提升机; ( 2) 凿井及井下固定天轮, 用于多绳提升机; ( 3) 游动天轮(TD系列), 用于多绳提升机。固定天轮轮体只作旋转运动, 主要用于竖井提升及斜井箕斗提升。游动天轮轮体除旋转运动之外还可沿轴向移动, 主要用于斜井串车提升。根据《煤矿安全规程》规定选择天轮的直径, 对于地面设备, 钢丝绳与天轮围抱角大于90°, 则: ; 钢丝绳与天轮围包角小于90°, 则:
本设计为缠绕式提升、 地面设备, 因此选择井上固定天轮(TSG系列)
天轮直径

上式中, d——钢丝绳直径
—— 提升钢丝绳中最粗钢丝的直径
根据以上数据, 选用型天轮, 名义直径3500mm,绳槽半径23.5mm, 适用钢丝绳直径范围>37～43mm, 允许的钢丝绳全部钢丝破断力总和1420kN, 两轴承中心距S=1m, 轴承中心高255mm, 总质量3640kg。
4.5 矿井提升机与井筒相对位置的计算
单绳缠绕式提升机安装地点的选择, 主要考虑卸载作业的方便和尽可能简化地面运输系统。一般来说, 双筒提升机采用罐笼提升时, 提升机房宜位于重车运行方向的对侧; 用箕斗提升时, 提升机房宜位于卸载方向的对佣。井架上的天轮, 根据提升视舱型式、 容器在井筒中的布置以及提升机房的设置地点, 可装在同一水平轴线上, 也可装在同一垂直平面或不同乎面上。当井筒布置有两套提升设备时, 两套提升机与井筒的相对位置, 根据国内外的实际资料, 有对侧式、 同侧式、 垂直式、 倾角式。
提升机安装地点选好后, 就要确定影响提升机相对位置的五个因素, 即: 井架高度、 提升机滚筒轴线与提升机中心线的水平距离、 钢丝绳弦长、 偏角和出绳角。
4.5.1 井架高度
井架高度是指从井口水乎到员上面天轮轴线间的垂直距离。单绳缠绕式提升机多采用钢结构式井架。井架高度不符合要求时, 会造成重大事故, 加大井架高度又会增加刚才的用量, 因此正确计算井架高度具有安全经济的意义。

上式中, ——卸载高度, 取值18m;
——容器全高9.45m;
——过卷高度, 根据提升速度查表可取值8.25m;
——天轮半径, m。
取井架高度为38m可行。
4.5.2 提升机与井筒提升中心线水平距离
确定原则: 提升机房基础不与井架基础相接触, 避免由于井架振动, 引起提升机房及提升机基础的振动和损坏。其最小距离应满足经验公式:

上式中, ——提升机与井筒提升中心线水平距离, m
——井架高度, m。
考虑到减轻”咬绳”现象, 取
4.5.3 钢丝绳弦长
钢丝绳弦长是指绳弦与卷简接触点到绳弦与天轮接触点的距离。根据理论研究, 钢丝绳弦横向振动的自振频率与绳弦长度及提升高度有关。主要决定于绳弦长度, 当超过60 m时, 其自振频率与提升机卷筒转动产生的任何规则冲击, 一般都可能激发绳弦激烈的横向振动, 故一般限制笼长在60 m以内。

上式中, ——钢丝绳弦长, m;
——井架高度, m;
——卷筒中心线到井口高度, 取值为。
——提升机与井筒提升中心线水平距离, m;
——天轮直径, m。
弦长51m可行, 符合要求。
4.5.4 钢丝绳偏角
这是指钢丝绳弦与天轮平面所成的角度, 其值不应大于。限制钢丝绳与天轮轮缘相互磨损, 当钢丝绳多层缠绕时, 宜取左右, 以改良绕状况。偏角有两个, 外偏角 和内偏角。钢丝绳做单绳缠绕时, 最大内偏角还应保证不”咬绳”。”咬绳”是指由于钢丝绳的直径不是无限小, 如果内偏角过大, 弦长的奔离段与邻圈钢丝绳不是相离而是相交。如果偏角过大, 会出现下列情况:
( 1) 加剧了钢丝绳与天轮轮缘的磨损, 严重时, 还可能引起断绳事故
( 2) 当钢丝绳缠向滚筒时发生咬绳现象, 这将加剧钢丝绳的磨损。特别是当滚筒上绳圈间隙较小, 钢丝绳直径较大或滚筒直径较大时, 也会导致”咬绳”。
下面对偏角进行验算:
最大外偏角
上式中, B——滚筒宽度, m;
——两天轮中心距1m;
——两卷筒之间的间隙, , 为两卷筒中心距。
d——钢丝绳直径, m;
——钢丝绳缠绕在滚筒上的绳圈间隙, m;
——钢丝绳弦长, m; 1.27
最大内偏角

上式中, B——滚筒宽度, m;
——两天轮中心距1m;
——两卷筒之间的间隙, , 为两卷筒中心距。
H——提升高度, m;
D——提升机滚筒直径, m;
——钢丝绳缠绕在滚筒上的绳圈间隙, m;
——钢丝绳弦长, m; 1.27
4.5.5 卷筒下出绳角
钢丝绳弦对水平线所构成的仰角, 应按提升机技术要求的规定值检验,JK系列提升机曾限定下出绳角不得小于15度, 这是考虑下出绳角过小时, 钢丝绳有可能与提升机基础相接触, 造成钢丝绳磨损。
上式中, ——钢丝绳弦长, m;
——井架高度, m;
——天轮直径, m。
——提升机与井筒提升中心线水平距离, m
D——提升机滚筒直径, m;
Co——卷简中心线与井口的高差, 一般c ＝1—2m
由以上结果可知选型满足要求。
4.6 提升电动机的选择计算
在进行提升设备方案比较时, 对提升设备进行动力学计算, 应先预选提升电动机。一般情况下先预选电动机, 动力学计算完后再进行电动机的验算。矿井电动机有交流和直流两类。当前中国煤矿广泛采用交流线绕式感应电动机。当电动机容量超过1000KW时, 应考虑采用直流电动机拖动。
4.6.1 电动机功率p

上式中, ——矿井阻力系数取值;
——动力系数取值;
Q——一次提升载货重力, N;
——提升机的标准速度, m/s;
——减速器传动效率取值
4.6.2 电动机转速

上式中, i——减速器的传动比;
D——滚筒直径, m;
’——提升机的标准速度, m/s;
根据功率和转速确定选用JR1000-8/1180型异步电动机, 参数为功率, 转速, 最大力矩/额定力矩, 飞轮转矩。
4.6.3 确定提升机的实际提升速度
>8.5 m/s
上式中, ——已选出电动机的额定转数, r/min;
i——减速器的传动比。
提升机的实际提升速度8.76 m/s大于钢丝绳的最大允许速度8.5 m/s, 因此需调整减速器的传动比, 将减速器的传动比提高到18, 则:
<8.5 m/s
提升机的实际提升速度7.54 m/s大于钢丝绳的最大允许速度8.5 m/s, 因此所选减速器传动比18合适。
4.6.4 根据所选设备验算实际运输能力
一次循环提升时间:

双容器一次提升量:

( JL-6型号箕斗的有效容积6.6, 散煤容重950)
最大年产量:
>160万吨
因此, 设备的选型能够满足年产量160万吨的需求。

5 设计心得
本次设计历时近两周时间, 在老师的指导和同学们的讨论帮助下, 我完成了主井单绳缠绕式提升设备的选型以及主井提升系统的系统图。
经过本次设计, 使我首先认识到了矿井提升设备的重要性。矿井提升设备是矿山重要和关键设备之一。其任务是用于煤矿、 金属矿及非金属矿提升和下放人员、 煤炭、 矿石、 矸石及运输材料和设备等。它是联系井上和井下的重要提升运输工具, 在整个矿井生活中占有重要的位置, 因此被人们称为矿山的”咽喉设备”。其次, 掌握了提升设备的选型计算过程, 如箕斗、 钢丝绳、 天轮、 井架、 提升机以及电动机的选型等, 对提升系统有了进一步的认识和理解。再次, 是我重温了CAD计算机绘图知识, 用CAD软件绘制出了矿井提升设备系统图。
当然, 在设计过程中也出现了很多问题, 如对井架高度、 钢丝绳偏角的认识不足导致多次计算错误, 制图软件不熟练导致设计进程缓慢。在以后的学习工作中, 我会继续努力, 加强学习, 争取更多的进步。

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