基于模拟分析对矿井提升机制动性能影响因素的研究

冯 浩

（大同煤矿集团挖金湾煤业有限责任公司， 山西 大同 037001）

引言

矿井提升机作为煤矿企业生产过程中的重要设备，具有控制复杂、运行速度快、惯性质量大、工况运行繁琐等特点，对煤矿企业的生产效率和安全工作起着关键的作用。因此对提升机制动性能影响因素进行研究。

1 矿井提升机结构组成

矿井提升机是工矿企业联系井下与地面的重要生产设备，也是四大运转设备之一，主要用于煤炭、矸石、材料设备、人员沿井筒的提升工作。目前常见的矿井提升机按钢丝绳的工作原理主要分为缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机两种，主要由驱动电机、减速器、卷筒（或称摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动[1-2]。本文重点对多绳摩擦式矿井提升机进行研究，其工作原理如图1 所示：电机带动卷筒转动时，通过搭放在卷筒上的钢丝绳与卷筒之间的摩擦力实现容器的提升与下放工作，缠绕式提升机具有钢丝绳直径短、设备尺寸小、提升速度快、能力强等特点，适用于产量较大（120 万t/a）、开采较深的矿井。

2 矿井提升机模型建立

2.1 建立物理模型

本文采用Pro/Enginee 作为建模软件，对矿井提升机制动系统进行物理模型的建模工作，结合多绳摩擦提升机的机械组成，如图2 所示，本次建模主要包含摩擦轮（卷筒）、（上、下）天轮、提升机主轴、罐耳导轮等主要部件。为便于系统地计算与提升结果精度，在不影响运行的前提下，本次三维模型的构建对部件的圆孔、倒角等非关键特征部位进行了适当简化。

2.2 建立提升机动力学模型

图1 摩擦式矿井提升机结构简图

图2 矿井提升机主要部件三维模型图

针对提升机动力制动系统的分析工作，本文采用ADAMS（机械系统动力学自动分析）软件进行模拟研究，首先需要将在Pro/Enginee 中已建立好的提升机物理模型保存为x_t 格式，在导入ADAMS 中，并分别对卷筒与主轴、主轴和机架、卷筒和绳索之间添加约束；其次在边界条件设定中，需将其接触类型定义为柔性线—面接触，导轮与罐道之间接触类型设置为几何面—面接触类型[3-4]。最后对主轴施加驱动力，该矿井提升机动力系统模型所有条件均定义完成，如图3 所示。

图3 矿井提升机动力学仿真模型

3 不同因素对提升机制动过程的影响

3.1 提升速度对提升机制动性能的影响

由实际经验判断，提升速度是影响提升机制动性能的主要因素之一，在将提升机动力性学仿真模型导入ADAMS 软件后中，分别对提升机设置以4.5 m/s 和7.5 m/s 的提升速度，并对该工况条件进行分析研究，所得结果如图4 所示[5]。

由图4 可以看出，不同得提升速度对提升机制动效果的影响变化趋势大体相同，且峰值也十分接近，但是具体制动时间却相差较大。分析认为：无论速度大小，只要提升机处于匀速状态且提升物质量相同，其在制动过程中所需的制动力相差不大；但是提升速度越大，在制动过程中罐笼以及提升物所拥有的惯性也越大，从而导致摩擦轮做刹车运动所消耗的时间较长；另外，在此过程中，提升速度越大，提升钢丝绳所受到的张力差值反而有下降的趋势。

3.2 制动减速度对提升机制动性能的影响

根据经验判断，不同大小的减速度对提升机制动性能也会产生不同的影响，在此次仿真模拟中，分别赋予提升机0.8 m/s2与3 m/s2两种工况下的减速度，对其制动性能进行分析。所得结果如图5 所示：当提升机紧急制动时，在不同减速度的工况下，其钢丝绳动张力差峰值与仿真时间均相差较大。提升钢丝绳所产生的动张力差值随制动减速度数值的升高而增加，同时使得更大的外界载荷作用于钢丝绳、摩擦轮与天轮等主要部件；提升机紧急制动的时间随制动减速度的增加而缩短。可见制动减速度的大幅提升将有利于提升机快速实现设备的停车进程。

4 结论

图4 不同提升速度对提升机制动过程影响曲线

图5 不同制动减速度对提升机制动过程影响曲线

经过ADMOS 软件对矿井提升机在不同工况下制动过程研究发现，提升速度与制动减速度两个变量均对提升机的制动性能有较大的影响，根据最终所得结果提出以下建议：

1）为保证提升机在安全制动的前提下达到最佳的制动效果，建议通过Pro/Enginee 与ADMOS 对多种不同工况的制动情形进行研究，根据企业实际情况，确定提升速度、制动减速度、提升载荷等相关参数；

2）对于摩擦式提升机而言，天轮、摩擦轮、钢丝绳是使用频率最高的受力组件，特别是提升钢丝绳，在紧急制动时会产生较大的动张力。因此，建议提升机零部件的选用需优先考虑其结构性能，并对关键受力点进行结构的优化或材料加强，防治变形、断裂、脱绳等问题引起机械故障，导致安全生产事故的发生。