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矿井提升机安全制动与防滑安全区域

信息来源:gkong.biz  时间:2010-04-21  浏览次数:92

  煤炭工业部南京设计研究院 王耀文
  摘要
  对矿井提升机液压制动系统整定公式计算表明,在一般情况下,油压值允许有一定的整定区间,而不是以往常用的特定值。将使设计、调试与日常维护工作简便易行,还对多绳摩擦提升系统的防滑问题作了综合性讨论,提出“安全区域”概念,将防滑计算归结为平面图像问题,直观明了。并从设计角度举例说明之。
  叙词:矿井提升机 液压制动系统 整定区间 防滑 安全区域.
  1 立井单绳缠绕式提升系统安全制动的整定
  对于洛阳矿山机器厂的B157、B159和TE002等盘形闸液压系统,油压为P时产生的制动力矩为:
  Mz=2AxυRz(P2-P) (N·m) (1)
  式中,A——每一制动油缸的有效面积,m2
  X——参与制动的盘闸对数
  υ——制动盘与闸瓦间的摩擦系数
  Rz——等效制动半径,m
  P2 ——闸瓦贴制动盘时的松闸油压(俗称贴闸皮油压),Pa
  要满足《煤矿安全规程》第409条的规定,制动系统产生的静阻力矩倍数K≥3,即
  Mz=2AXυRz(P2-P0)≥3Mj=3RS (N·m) (2)
  式中,P0——液压系统残压,Pa
  Mj ——提升系统最大静阻力矩,N·m
  R——主导轮(滚筒)半径,m
  S——提升系统最大静张力差,N
  考虑到闸瓦允许磨损量δ(一般在δ≥1mm时,闸瓦磨损开关应动作),应对P2值作一调整,其值为δK/nA (Pa) 。由式(2)及P2调整值可得
  式中,k——碟簧刚度,N/mm
  n——每一制动油缸内的碟簧片数
  调绳时,盘闸产生的静阻力矩倍数不得小于1.2,此时仅有半数盘闸参与左滚筒制动
  AXυRz(P2-P0)≥1.2Mj ′=1.2RSt (N·m) (4)
  式中,Mj′——调绳时静阻力矩,N·m
  St——调绳时左滚筒上的最大静张力,N
  同样可得
  式(3)和(5)给出了闸瓦贴制动盘时的松闸油压下限值。
  二级安全制动时,半数油缸直接回油P=P0;另半数油缸内油压值降至P1(P0≤P1≤P2 ,P1称为二级制动时第一级制动油压值〈Pa〉),直至安全制动结束才完全回油。此时的制动力矩
  Mz=AXυRz(P2-P0)+AXυRz(P2-P1)
  =AXυRz(2P2-P1-P0) (N·m) (6)
  在忽略运动阻力时,重载下放安全制动力矩
  MZ =Rmax′+RS (N·m) (7)
  式中,m——提升系统变位质量,kg
  ax′——重载下放时安全制动减速度,m/s2
  由于规定立井下放安全制动减速度ax′≥1.5m/s2 ,代入上两式后得P1上限值
  同样,重载上提时安全制动力矩
  MZ=Rmas′-RS (N·m) (9)
  式中,as′——重载上提时安全制动减速度,m/s2
  而上提时安全制动减速度as′≤5m/s2 ,代入得P1下限值
  式(8)和(10)给出了P1的整定区间,在此区间内所有油压值均可满足《煤矿安全规程》关于单绳缠绕式立井提升系统安全制动减速度的要求。
  将P1的整定由原来常用的一特定值改为一个区间,可使整定工作十分方便快捷,而且提高了安全程度。以往的整定值常取式(8)所给出的上限值,这显然不妥当,实际操作时很难调准,极易超限。
  本文推荐P1的标定值
  若P1≤P0,则取P0值,即取消二级制动,或者在式(3)和(5)规定条件下重新选择P2值。
  由式(11)确定P1后,发生安全制动时的减速度为:
  重载下放时
  重载上提时
  2 斜井提升系统安全制动的整定
  斜井提升常采用单绳缠绕式提升机,故推导过程基本同上。P2值的选取应按式(3),若为双滚筒双钩提升系统(可能发生调绳),则还要校验式(5)。
  P1上、下限的确定,仅在数值上有差别。按《煤矿安全规程》第410条表8对斜井的规定,将有关as′和ax′ 的参数分别代入式(8)和(10)即可。对P1的标定值(式〈11〉)也需作相应的数值调整。
  同样,若得出P1≤P0,则取消二级制动,或重调P2值。
  3 多绳摩擦式提升系统安全制动的整定
  以落地式双容器提升系统为例讨论(塔式提升系统的差别仅在导向轮数量与落地式提升系统天轮数量不同,计算防滑极限减速度时所用公式有所不同,下导轮变位质量QE=0,有时甚至上导轮变位质量QD=0)。在考虑多绳摩擦式提升系统时,S=(Q+QH)g .空载时S=QHg .(式中,Q为多绳提升系统不平衡质量〈kg〉;QH为提升高度段主尾绳质量差〈kg〉)
  具体整定步骤如下:
  由式(3)确定P2的下限值。P1的取值应满足防滑条件,重载下放时
  式中,重载下放滑动极限减速度
  式中,QS ——一侧平衡质量,kg
  μ——提升绳与衬垫间的摩擦系数
  α——围包角,rad
  重载上提时:
  式中,重载上提滑动极限减速度a S为
  空载下放时
  式中,空载下放滑动极限减速度a k.x为
  式中,QV——多绳提升空载时一侧平衡质量,kg
  空载上提时
  上式中空载上提滑动极限减速度a k.s为
  式(14)、(16)、(18)、(20)及式(10)决定了P1的下限值,P1的上限值仍由式(8)决定。P1的标定值推荐为
  上式中,若由式(14)决定P1下限,则D=ax m+S;若由式(16)决定P1下限,则D=aS m-S;若由式(18)决定P1下限,则D=ak。x mk+QH g;若由式(20)决定P1下限,则D=ak。s mk-QH g(空载时m应由mk代);若由式(10)决定P1下限,则D=5 m-S 。
  若P1≤P0,则取消二级制动或重新选择P2值。
  同样,对塔式提升系统或平衡锤提升系统也可推出类似结果,这里不再赘述。
  4 多绳摩擦式提升系统防滑安全区域
  对于多绳摩擦式提升系统,在忽略井筒阻力前提下,滑动极限减速度公式为式(15)、(17)、(19)、(21)。(仍以落地式双容器提升系统为例展开讨论。)
  在发生安全制动时,提升系统实际减速度由式(12)、(13)确定。
  现行有关技术规定对上述各式的限制条件为:
  ax ≥1.5m/s2
  aS ≥1.5m/s2
  5m/s2≥ax′≥1.5m/s2且ax′≤ax
  5m/s2≥as′≥1.5m/s2且as′≤ax
  将各限制条件分别代入式(12)、(13)、(15)、(17)、(19)、(21)中,可得到下列限制曲线。
  重载下放滑动极限减速度不小于1.5m/s2:
  重载上提滑动极限减速度不小于1.5m/s2:
  空载下放滑动极限减速度不小于1.5m/s2:
  空载上提滑动极限减速度不小于1.5m/s2:
  重载下放安全制动减速度不小于1.5m/s2:
  重载上提安全制动减速度不大于5m/s2:
  重载下放安全制动减速度小于滑动极限减速度:
  重载上提安全制动减速度小于滑动极限减速度:
  空载下放安全制动减速度小于滑动极限减速度:
  空载上提安全制动减速度小于滑动极限减速度:
  重载下放安全制动减速度小于5m/s2及重载上提安全制动减速度不小于1.5m/s2两个限制条件一般不起约束作用。
  一个提升系统确定后,eμα、QD 、QE 、QH 、QV 、R 、mk均为常量,Mz也可由本文讨论中给出,故在式(22)~式(31)中,仅有QS 、Q为变量(提升系统变位质量m为mk加上载荷Q及〈或〉矿车自重,与Q线性相关),故可在QS — Q平面坐标系中,绘出各限制曲线图像,参见图一、图二。(空载情况下限制条件,即式(24)、(25)、(30)、(31)不含变量QS、Q,故仅需数值校验,但本文将空载时的QV视同QS,QH视同Q,所以在QS — Q平面上也可绘出空载点,统一加以考虑。)
  所有限制曲线在QS— Q平面上构成了提升系统防滑安全区域,再加上起动加速度限制条件及提升绳安全系数(即强度校验)限制条件,就构成了提升系统的许用区域。只要提升系统的各种载荷变化(QS、Q的变化)均处于该区域内,即为防滑安全及提升绳安全的提升系统。
  主井提升系统的QS、Q常为定值(若为双箕斗提升),加上空载状态,在QS— Q平面上也只有三、四个工况点。但副井提升工况较复杂,图一中给出的例二的运行范围,即为较典型的情况。
  图一中,重载下放时防滑安全区域为限制曲线(26)(对应着式〈26〉,下同)、限制曲线(28)、及QS轴围成的曲边三角形;重载上提时为限制曲线(27)、(29)、(E)及QS构成的一个开放区域,曲线(E)为重载上提加速段滑动极限条件。
  考虑到提升钢丝绳强度极限条件(曲线〈G〉为物料,〈G′〉为人员),就构成了该系统的QS— Q许用区域。
  以上方法的实质是考虑了Mz因素的滑动极限法。其优点为可清晰地把图像作出,便于分析防滑问题的症结所在,找出可能的危险工况,对症解决问题,不易造成遗漏。缺点是计算工作量较大。
  5 提升系统质量模数Z和制动力矩倍数K的关系
  由关系式Mz=KRS及m=ZS和式(12)、(13)可得到:
  K=ax′Z+1 (32)
  K=as′Z-1 (33)
  将ax’≥1.5m/s2及as’ ≤5m/s2分别代入,即可得到立井单绳缠绕式提升系统的K值选取允许区间,参见图三。由图三可知:
  对于立井单绳缠绕式提升系统:
  1)Z值不得小于0.5714,否则不论K取何值,均无法同时满足上提、下放两种工况下《煤矿安全规程》的要求,亦即无法找到一合适Mz值。(恒减速安全制动和双值安全制动除外,不在本文讨论范围内。)
  关于二级制动的范围
  0.5714≤Z≤0.8000时,K的取值区间在小于3的范围内(1.8571≤K≤3.0000),表明必须采用二级制动,否则三倍静阻力矩不够。
  0.8000≤Z≤1.3333时,可取K=3,不必采用二级制动即可满足《煤矿安全规程》的要求。但本文作者并不推荐此时K值一定取3 。
  Z>1.3333时,为保证下放重载安全制动减速度不小于1.5m/s2,必须使K>3且落入其允许范围内。此时也不需二级制动。
  对于斜井提升系统,仅需将ax′ 、as′的不同允许值分别代入式(32)、(33)中,同样可得到类似于图三的K—Z图,并进行分析。
  对于多绳摩擦式提升系统,则还应考虑防滑条件。K的上限值由下列各式给出:
  K≤asZ-1
  K≤ax Z-1 (34)
  K≤5Z-1
  K的下限值仍由式(32)决定,对多绳摩擦式提升系统,仍为K≥1.5Z+1 。
  多绳摩擦式提升系统的K值允许区间及二级制动范围,由于滑动极限减速度的影响,可能有较大的数值变化,一般地说,必须采用二级制动的范围扩大了。实际工作中应针对具体提升系统参数,作出类似于图三的K—Z图具体分析。
  K的推荐值:K=(KmaxKmin)1/2 (35)
  式中,Kmax为K的上限值,对立井单绳缠绕式提升系统,Kmax=5Z―1;对倾角不大于30°的斜井提升系统,Kmax=AcZ―1;对于多绳摩擦式提升系统,Kmax由式(34)给出(Ac为自然减速度)。
  Kmin为K的下限值,对立井提升系统,Kmin=1.5Z+1 ;对斜井提升系统,当倾角小于15°时Kmin=0.75Z+1;倾角在15°~30°范围内时,Kmin=0.3AcZ+1;倾角大于30°的斜井提升系统,Kmax、Kmin的取值与立井相同。
  若按式(35)确定K值(也就是确定了Mz值) , 就要求P1油压值按式(11)或式(11′)确定。
  实际的提升系统,尤其是副井提升系统,Z常为变量。设计时应将所有工况均加以考虑,对某一指定的提升系统,K=f(Z)曲线均应落入K值的允许范围内。
  另外,在立井提升系统中,当Z>1.3333时,K>3,此时式(2)、(3)不再适用,需修正为:
  Mz≥KMj =KRS (N·m) (Z>1.3333) (2′)
  式中K值可由式(35)求出。对斜井提升系统也需作类似修正。
  举例
  例一、(安全制动整定)三河口主井提升系统,为立井6t双箕斗提升,2JK—3/20A型单绳缠绕式提升机。R=1.5m,Rz=1.635m,S=77241N,m=65828kg,Z=0.8522<1.3333,取K=2.726(采用二级制动),St=68170N,TE002液压站,参数为:X=8,A=9.43×10—3m2,υ=0.4,δ=1mm,n=8,k=40221N/mm,P0=4×105Pa 。
  由式(3)得 P2≥4.456×106Pa,由式(5)得 P2≥3.420×106Pa,故取 P2=4.5×106Pa,最大油压值Pmax=6.15×106Pa (残压C=1.65×106Pa),由式(8)、(10)分别求得P1≤3.25×106Pa,P1≥0.94×106Pa,由式(11)得P1=2.20×106Pa,可见P1允许有约±1.0×106Pa的调节区间。
  安全制动减速度由式(12)、(13)得到:(Mz=3.16×105N·M)
  ax′= 2.025m/s2>1.5m/s2
  as′= 4.372m/s2<5m/s2
  均符合要求且有裕量.调试运行结果与其基本相符.
  例二、(防滑安全区域)城郊初设副井落地式4×4提升系统,1.5t双层四车宽窄罐笼。R=2m,μ=0.2,α=184°(1.0222π),QD=QE =6500kg,m=168680kg,mk=147400kg,Mz=8.63×105N·m,QS=36764kg,QV=35324kg,升降物料时Q=10800kg,升降人员时Q=5880kg(宽满窄空,最不利情况),升降大件时Q=9260kg(对侧窄罐内配2辆重矿车),提升高度560m,平衡尾绳QH =195kg,提升速度Vmax=7.285m/s,加速度a=0.7m/s2。
  参见图一,下放物料工况区域为△KZM,其中,K点为两罐笼均装空矿车;Z点为一罐装四重车,对侧配四空车;M点两罐笼均为四重车。上提物料工况区域为△KZ′M。D2(D2′)点为下(提)大件时对侧窄罐内配2辆重车,D4(D4′)点为下(提)大件时对侧窄罐内配4辆重车。人员升降时工况区域为梯形K0N2M1N1(下放)和梯形K0N2′M1′N1(上提),其中,K0为空载点;N2(N2′)为窄罐空,宽罐满(84人);M1(M1′)为两罐笼均满;N1为宽窄罐均乘60人(窄罐满)。造成升降人员时工况区域为梯形而非三角形的原由是该系统采用宽窄罐运行,虽罐笼配为等重,但满载人数并不相等。
  由图一可见,例二提升系统各种工况均处于防滑安全区域及许用区域内,为安全提升系统。另外也可看出,大件工况时对侧窄罐内不允许少于2辆重车配重,否则防滑不安全。
  例三、某矿落地式3.5×4提升机,1.5t双层四车宽窄罐,R=1.75m,μ=0.2,α=182.964°(1.01646π),QD=QE =6300kg,m=84412kg,Mz=4.0464×105N·m,QS=34348kg,QV=31468kg,升降物料时Q=10800kg,升降人员时Q=6160kg,提升高度480m,重尾绳QH =477kg,加速度a=0.6m/s2。
  图二即为本例图像。由图可见,下放物料时安全制动减速度不满足式(26),即此时安全制动减速度小于1.5m/s2。另外,在下放四车料石时,滑动极限减速度亦不足1.5m/s2。故该系统的防滑设计存在问题。

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