立井提升系统过卷过放防护缓冲装置的应用研究

穆建荣

【摘 要】目前提升过程中的坠罐伤人事故仍时有发生。分析原因还是这些保护装置大多为电器保护类，像提升机后备保护、深度指示器保护、过卷开关及松绳保护等等，这些保护装置需要经常性的检测、维护和保养，不但工作量很大，而且工作中难免有可能的疏漏，频频发生过卷过放事故。文章对立井提升系统过卷过放防护缓冲装置的应用措施进行了研究。

【关键词】立井提升系统；过卷过放防护；缓冲装置应用

目前在国内运行的立井提升系统中大多都装备了过卷防护缓冲装置，新建立井也在设计之初就安排设计了该种装置。

在与其它单位的走访参观过程中我们发现，实际应用过程中安装使用的该种装置不外乎有两种，即大多数矿井使用的变力滚筒摩擦式和较少部分矿井使用的钢带式，另外翻阅厂家提供的资料觉得有些厂家安装的该种设备选型参数与实际系统有出入，存在安全隐患。

因此有必要对厂家的选型设计进行严格的科学计算、审核并加以规范和约束，才能确保事故状态下该设备的正常投入使用并保障矿井的安全生产。

一、选型计算

过卷防护缓冲装置额定缓冲制动力Fs、缓冲减速度αs和缓冲距离Ss的数值必须按照相关规定结合实际提升方式建立数学模型并根据实际提升系统的计算公式和参数计算确定。

1.选型计算数学模型

为了方便数学计算模型的建立，无论对缠绕式或摩擦式提升系统忽略下列较小干扰因素的影响：忽略提升钢丝绳的横向振动；过卷缓冲开始时过卷开关起作用，电动机已切断电源，无驱动力矩；绞车制动闸未施加制动力；缓冲装置制动力可以视为恒定。

1）缠绕式提升系统计算数学模型

为了避免过卷缓冲过程中主提升钢丝绳的张力加大超限，因此井上过卷和井下过放防护缓冲装置作不同步布置，即把过放缓冲过程的结束作为过卷缓冲过程的开始。根据以上假设，过卷容器的受力状态如图1所示。

图1 图2

T1+Σm1αs-Fs-Σm1g=0（1）

式中：T1为提升钢丝绳与过卷容器连接处的张力，N；Σm1为过卷容器的总质量，kg；αs为过卷容器的缓冲减速度，m/s2；Fs为过卷缓冲装置的调定制动力，N；g为重力加速度，9.18m/s2。

根据假设，T1可由下式计算

T1=ΣMαs+pH（2）

式中：ΣM为除去过卷和过放容器（含承载质量）以外的提升系统的变位质量，kg；p为提升钢丝绳单位长度的重力，N/m；H为井深，m。

αs值由下式计算

αs= （3）

式中：ν0为容器过卷时的初始速度，m/s；S为井架最大允许过卷距离，m。依据煤安国家中心相关暂行规定，对于缠绕式提升系统，提人罐笼过卷缓冲减速度αs≤1g；提物箕斗过卷缓冲减速度αs≤3g。为防止箕斗物料的过度抛洒，可取αs≤1.5g。根据假设和设备布置方式由（1）式推导（1），过卷防护缓冲装置额定制动力数值Fs的计算公式为罐笼提人时

（4）

箕斗提物时

（5）

需要说明的是不等式左边Σm1需代入现场实际空容器（乘1人）质量，以使得计算出的缓冲装置制动力数值不致过小而造成缓冲行程过大。过卷防护缓冲装置在现场实际提升系统中缓冲减速度αs由下式计算

（6）

过卷防护缓冲装置在现场实际提升系统中缓冲距离Ss依据容器中随机载荷的不同，由下式计算

Ss=（7）

对于缠绕式提升系统，计算出的缓冲装置制动力数值还必须经过主提升钢丝绳的安全系数校核，即要保证主提升钢丝绳安全系数n≥3。为保证人身安全，罐笼在混提情况下过卷防护缓冲装置制动力按提人确定，以下的摩擦提升方式计算也是如此。

2）摩擦式提升系统计算数学模型

为了避免过卷缓冲过程中提升钢丝绳张力差超过限度造成摩擦轮打滑，因此井上过卷和井下过放防护缓冲装置作不同步布置，过卷防护缓冲装置的缓冲制动过程与过放容器无关，与首绳相关。根据以上假设，过卷容器的受力状态如图2。根据假设和设备布置方式，过卷防护缓冲装置Fs定制动力数值的计算公式为

Fs=Σm1geμα+Σmαs-Σmg（8）

式中：Σm1为首绳质量，kg；e为自然常数e=2.718281828459；μ为首绳对摩擦轮衬垫的摩擦系数μ=0.2；α为首绳对摩擦轮的围包角，以弧度制为单位代入；Σm为过卷容器的随机质量，kg；αs为容器过卷缓冲减速度，m/s2；g为重力加速度，9.81m/s2。依据煤安国家中心相关暂行规定，对于摩擦提升系统罐笼提升过卷缓冲减速度αs≤1g，箕斗提αs≤3g料，为减少过卷缓冲过程中箕斗中物料的过度抛洒，可取αs≤1.5g，则过卷防护缓冲装置在罐笼提人时，取αs≤1g，则

Fs≤Σm1geμα（9）

过卷防护缓冲装置在箕斗提料时，取αs≤1.5g，则

Fs≤Σm1geμα+0.5Σmg（10）

过卷防护缓冲装置在现场实际提升系统中缓冲减速度αs由下式计算

（11）

过卷防护缓冲装置在现场实际提升系统中缓冲距离Ss依据容器中随机载荷的不同，由下式计算

Ss=（12）

对于摩擦提升系统不验算提升钢丝绳的安全系数，只考虑过卷防护缓冲装置给出的制动力不能造成提升绳在摩擦轮的滑绳，并且平衡两容器间的张力差。

2.实例计算

1）缠绕式提升系统实例计算

已知某矿副立井为缠绕式提升系统，双层提人。相关提升参数如下：最大提升速度νmax=ν0=6.85m/s；罐笼自身质量（含悬挂及抓捕器）m=3850/kg；罐笼内总乘人数及质量24×75=1800kg；单层提矿车，加载总质量（含矿车）Q=3500kg提升钢丝绳型号为18×7多层不旋转Φ36，最大总破断力为P=0.995×106N；提升系统变位质量（罐笼除外）：ΣM=28922kg；允许最大过卷距离：S=8m。罐笼提人时，容器的计算质量Σm1=3850+75=3925kg将有关数据代入式（4），算得容器（乘一人）在全速过卷时需要的缓冲制动力范围为57825N≤Fs≤283725N，要满足主提升钢丝绳安全系數n≥3，则

Fs< =331666N

因此，取均值Fs=170775N对于提升系统是安全的。姑且取中间值Fs=171kN。将有关数据代入式（6）、（7），算得容器全速过卷过程的缓冲减速度和缓冲距离分别为αs=6.38m/s2

Ss=3.68m

以上计算出的数据既符合有关规定要求，也满足现场实际。对于缠绕式箕斗提升系统的计算根据（5）、（6）和（7）式与上同理进行计算。

2）摩擦式提升系统实例计算

已知某矿立井为摩擦提升系统。相关提升参数如下：最大提升速度νmax=ν0=11m/s；容器自身质量（含自动张力平衡悬挂）m=26291kg；总乘人数及质量2×36×75=5400kg，载物质量19800kg；提升钢丝绳（首绳）型号：6V33-40-1770、钢丝绳悬垂长度669m，使用四根绳，每根绳单位长度质量p=6.35kg/m；尾绳型号：170×28扁尾绳，两根绳使用，每根绳单位长度质量p=12.3kg/m；主提升钢丝绳对摩擦轮的围抱角α=181.84°，换算成弧度制为α=1.01π；允许最大过卷距离：S=10m。首绳质量为Σm1=6.35×669×4=16992kg，罐笼的计算质量（乘一人）Σm=26291+75=26366kg，将有关数据代入式（9），算得容器（乘一人）全速过卷需要的缓冲制动力为Fs≤314335N取值Fs=300kN，并将其它有关数据代入式（6）、（7），算得容器全速过卷过程（乘一人）的缓冲减速度和缓冲距离分别为

αs=9.26m/s2≤9.81m/s2

Ss=6.53m≤10m

以上计算出的数据既符合有关规定要求，也满足现场实际。如果依照式（6）计算出的αs值大于9.81m/s2，则可将Fs取值减小再代入（6）式计算，直到满足要求为止。对于摩擦式箕斗提升系统的计算根据（10）、（11）和（12）式与上同理进行计算。

二、结论

通过以上对缠绕式和摩擦式两种提升系统中容器的受力分析，建立了过卷防护缓冲裝置在容器全速过卷事故状态下的缓冲制动力、缓冲减速度和缓冲距离数值的计算模型，经过实例计算确定以上数值，用来对厂家提供的过卷防护缓冲装置进行选型审核，保证了矿井安装的此类设备符合相关要求，也保障了矿井提升系统的安全。

参考文献：

[1]国家安全生产监督管理局。煤矿安全规程[S]。北京：煤炭工业出版社，2010

[2]夏荣海，郝玉琛。矿井提升机械设备[K]。徐州：中国矿业学院出版社，2000