第七章 立井提升设备选型设计

第七章 立井提升设备选型设计

4 课时

第一节 竖井提升容器的选择

一、提升容器的比较及其应用范围

提升容器主要是底卸式箕斗和普通罐笼。箕斗的优点是：质量轻，所需井筒断面积小，装卸载可自动化，且时间短，提升能力大。箕斗的缺点是：井底及井口需要设置煤仓和装卸载设备，只能提升煤炭，不能升降人员、设备和材料，井架较高，需要另设一套辅助提升设备。

罐笼的优点是：井底及井口不需设置煤仓，可以提升煤炭、矸石，下放材料，升降人员和设备，井架较矮，有利于煤炭分类运输，罐笼的缺点是：质量大，所需井筒断面积大，装卸载不能自动化，而且时间较长，生产效率较低。

选择箕斗还是选择罐笼，需要根据多方面的技术、经济指标来确定。

二、主井箕斗规格的选择

进行提升设备选型设计时，矿井年产量An和矿井深度Hs为已知条件。当提升容器的类型确定后，还要选择容器的规格。在提升任务确定之后，选择提升容器的规格有两种情况：一是选择较大规格的容器，一次提升量较大，则提升次数少。这样，因为一次提升量较大，所需的提升钢丝绳直径和提升机直径较大，因而初期投资较多。但提升次数较少，运转费用较少。二是选择较小规格的容器，情况和上述的相反，因而初期投资较少，而运转费用则较多。那么，应该如何选择提升容器的规格才是合理的呢?其原则是：一次合理提升量应该使得初期投资费和运转费的加权平均总和最小。为了确定一次合理提升量，从而选择标准的提升容器，可按以下步骤计算：

(1)确定合理的经济速度Vj 与一次合理提升量相对应的，有一个合理的经济速度。经研究证明，合理的经济速度Vj 可用下式计算：

Vj?(0.3~0.5)H （１－１）

式中：H为提升高度，m，H=Hz+Hs+Hx；Hz为装载的高度，m，Hz=18~25m，Hs为矿井的深度，m，Hx为卸载高度，m，Hx=15~25m。

? (2)估算一次提升循环时间TXHVj??TX?????Vja （１－２）

式中：a为提升加速度，一般a=0.8m/s2；μ为箕斗低速爬行时间，一般取μ=10s；θ为箕斗

装卸载休止时间，一般取θ=10s。

(3)计算小时提升量As

As?CafAnbr?ts(t/h) （１－３）

式中：C为提升不均衡系数；An为矿井设计年产量；af为提升富裕系数；ts为提升设备每

天工作小时数，一般为14h；br为提升设备每年工作日数，一般为300天 (4)计算小时提升次数ns

ns?3600（次） （１－４） ?TX(5)计算一次合理提升量Q?

Q??AS （１－５） ns根据式（1-5）求出的一次合理提升量Q?，查表选取与Q?相等或接近的标准箕斗，其名义装载量可以大于或小于Q?。在不加大提升机滚筒直径的条件下，应尽量选用大容量箕斗，以较底的速度运行，降低能耗，减少运转费用。

(6)计算一次实际提升量 选取标准箕斗后，根据所选箕斗的有效容积和煤的松散容重计算一次实际升量Q

Q??V （１－６）

式中：γ为煤的松散容重，V为标准箕斗的有效容积。

三、副井罐笼的选择

副井罐笼规格的选择按如下规定确定：

(1)根据井下运输使用的矿车名义载重量(主井为箕斗提升时按辅助运输矿车名义载重量)确定罐笼的吨位；

(2)根据运送最大班下井工人的时间不超过40 min或每班总作业时间是否超过5h来确定罐笼的层数。一般应先考虑单层罐笼，不满足要求时再选择双层罐笼。

此外，罐笼的选择还应考虑如下规定：

(1)升降工人的时间，按运送最大班下井工人时间的1.5倍计算； (2)升降其他人员的时间，按升降工人时间的20％计算。

升降人员的休止时间按下列规定取值；单层罐笼每次升降5人及以下时，休止时间为20s，超过5人，每增加1人增加ls；双层罐笼升降人员，如两层同时进出人员，休止时间比单层增加2 s信号联系时间。当人员只从一个平台选出罐笼时，休止时间比单层增加一倍，另外增加6 s换置罐笼时间；

(3)普通罐笼进出材料车和平板车休止时间为40～60s；

(4)提升矸石量按日出矸石量的50％计算；运送坑木、支架按日需量的50％计算； (5)最大班净作业时间为上述各项提升时间与休止时间之和，一般不得超过5 h； (6)能够运送井下设备的最大和最重部件；

(7)对于混合提升设备，每班提煤和提矸时间均应计人1.25不均衡系数，其提升能力不宜超过5.5 h。

第二节 提升钢丝绳的选择计算

提升钢丝绳的选择计算是提升设备造型设计中的关键环节之一。钢丝绳在运转中受有

许多应力的作用和各种因素的影响，如静应力、动应力、弯曲应力、扭转应力和挤压应力等，磨损和锈蚀也将损害钢丝绳的性能。综合考虑以上应力因素的精确计算是很困难的，目前国内外都是按静载荷近似计算的。我国是按《煤矿安全规程》的规定来设计的，其原则是：钢丝绳应按最大静载荷并考虑一定的安全系数来进行计算。

安全系数是指钢丝绳钢丝拉断力的总和与钢丝绳的计算静拉力之比。但是应当注意，安全系数并不代表钢丝绳真正具有的强度储备，只不过表示经过实践证明在此条件下钢丝绳可以安全运行。

一、单绳缠绕式(无尾绳)立井提升钢丝绳选择计算

图2-5所示为一立井单绳提升钢丝绳计算示意图。

钢丝绳的最大静拉力作用于A点处，其值为： Qmax?Qg?Qzg?pHc (2-1)

式中：Qmax为钢丝绳承受的最大计算静载荷；Q为一次提升的有益载荷Qz为容器质量；p为钢丝绳每米重力；Hc为钢丝绳悬垂长度，Hc?Hj?Hs?Hz。 Hj为井架高度；Hs矿井深度；Hz为容器装载高度。

图2-5 钢丝绳计算示意图

根据《煤矿安全规程》对安全系数的规定，必须满足下式 ：

?BS0Qg?QZg?pHc?ma （2-3）

式中：ma为新钢丝绳的安全系数。

一般钢丝绳的平均比重近似取0.09 N／cm3 ，于是有下式：

p?100?0S0(N/m) （2-4）

将式(2－4)代入式(2—3)并化简整理得： p?Qg?QZg?B?HC10?00S0ma(N/m) （2-5）

代人γ0 的值后，得出选择每米钢丝绳重的公式为：

p?Qg?QZg(N/m) （2-6）

0.11?HCma0

由于实际所选钢丝绳的γ不一定是0.09 N／cm3，因此所选绳是否满足安全系数的要

求必须按实际所选每米绳重按下式进行验算，即所选绳的实际安全系数为：

ma?QqQg?QZg?pHC （2-7）

二、多绳摩擦提升钢丝绳计算特点

图2-6所示为多绳摩擦提升钢丝绳计算示意图， 图中是尾绳环高度，可按下式计算：

Hh?Hg?1.5S

式中：Hg为过卷高度，m，S为两容器的中心距，m；Hh为容器卸载位置至天轮中心线的距离，m，Hz为容器卸载高度，m。 图2-6中的H0为尾绳最大悬垂长度，m。

多绳摩擦提升钢丝绳计算特点为：

(1)有n根提升钢丝绳，每根绳承受的终端载荷为(Q+Qz)/n；(2)有n1根尾绳，设每根尾绳每米重力为q N／m，而且根据主、尾绳每米重力的不同，又有等重尾绳np=nlq、轻尾绳np>nlq和重尾绳np

采用，但轻尾绳则很少采用。因此下面也分两种情况来分析。 ①等重尾绳情况：

图2-6 多绳摩擦提升

钢丝绳计算示意图

计算公式：

1(Q?QZ)gp?n(N/m) （2-8）

0.11?B?HCma验算公式：

ma?Qq1(Q?QZ)g?pHCn （2-9）

②重尾绳情况: 计算公式

1(Qg?QZg???H0)p?n(N/m) （2-10）

0.11?B?HCma验算公式

ma?Qq1(Qg?QZg???H0)?PHCn （2-11）

第三节 提升机的选型计算

选择提升机的主要参数有：卷简直径D；卷筒宽度B;提升机最大静张力Fjmax及最大静张力差Fjc。其中卷筒直径D为选择提升机规格型号的依据；其他三个参数为校核参数。 选择提升机卷筒直径的主要原则是：使钢丝绳在卷筒上缠绕时所产生的弯曲应力不要过大，以保证提升钢丝绳具有一定的承载能力和使用寿命。理论与实践已证明，绕经卷筒和天轮的钢丝绳，其弯曲应力的大小及其疲劳寿命取决于卷筒与钢丝绳直径的比值。

图3-2所示是锁股(密封)钢丝绳进行弯曲试验的结果，由图示可知，在同一钢丝绳直径条件下，卷简直径愈大，弯曲应力愈小；在相同卷简直径条件下，绳径愈小，弯曲应力愈小，即比值D／d愈大，弯曲应力愈小。

图3-3所示为在不同的D／d弯曲条件下，钢丝绳试验载荷与其耐久性的关系。由图3-3可知，在试验载荷相同时，D／d愈大，钢丝绳所能承受的反复弯曲次数愈多，疲劳寿命愈长。

图3-2 钢丝绳弯 图3-3 不向的D/d时载

曲应力图 荷与耐久性的关系

对于安装在地面的提升机，其直径与钢丝绳直径的关系如下：

D??80d (3-1) D??1200? (3-2)

式中：D′为提升机卷筒直径；d为提升钢丝绳直径；δ为提升钢丝绳中最粗钢丝绳直径。

对于安装在井下的提升机则有：

D??60d (3-3) D??900? (3-4)

选定了标准卷简直径后，卷筒的标准宽度B则为巳知，然后根据实际需要在卷筒上缠绕的钢丝绳长度来计算卷筒的实际宽度B’。在提升机卷筒上应容纳以下几部分钢丝绳： (1)提升高度H，m;

(2)提升钢丝绳试验长度，规定每半年剁绳头一次，每次剁掉5 m，按提升钢丝绳的使用寿命为三年计，则试验长度为30 m；

(3)为了减少钢丝绳在卷筒上固定处的拉力，钢丝绳在卷筒上松绳时，不能全部松放，应在卷筒表面保留三圈摩擦圈，则卷筒的实际容绳宽度B'为：

B??(H?30?3)(d??) (3-５) ?D式中：H为提升高度；D为提升机卷筒直径；d为提升钢丝绳直径；ε为提升钢丝绳绳圈间的间隙，一般为2-3mm，卷筒直径较大时，取大值。如果B′< B，则所选提升机满足宽度要求，如小很多，可适当加大绳圈间隙。如果B′>B：若提升机用于有升降人员的竖井副井提升，根据《煤矿安全规程》规定，钢丝绳在卷筒上只能缠绕一层。但是如果B′比B稍大一点，所选提升机仍可满足宽度要求，但是要是B′-B的差值暂时固定在卷筒内。如果B′-B的差值较大，则所选提升机的宽度不满足要求，则应采取措施：一是另选强度较高的提升钢丝绳型号；二是把提升机卷筒直径增大一级。重新计算B′到满足B′

若提升机用于竖井主井提升，当提升钢丝绳在卷筒上作单层缠绕时，当B‘>B。根据《煤矿安全规程》规定：竖井主井提升的提升钢丝绳可在卷筒上缠两层，作双层缠绕时，提升钢丝缠在卷筒上的实际缠绕宽度B'可按下式

?H?30??3?n???D???3??d??? (3-6) B????k?Dp??式中：Dp为平均缠绕直径；K为缠绕层数；n′为错绳圈数。其中：

DP?D?k?14d2?(d??)2 （3-7） 2为了避免绳圈总在一个地方过渡，每季度要将提升钢丝绳错动1／4圈，根据提升钢丝绳的使用年限，一般取n'=2～4圈。为了保证提升机在其设计强度范围内工作，使提升机的工作负荷不超过其设计值，还必须验算提升工作的最大静张力Fjmax及最大静张力差Fjc，使其满足所选提升机规定的数值[Fjmax]和[Fjc]，可按下式计算：

Fjmax?Qg?Qzg?pH?[Fjmax] (3-8) Fjc?Qg?pH?[Fjc] (3-9)

式中：FJmax为提升机工作状态的最大静张力；Fjc为提升机工作状态的最大静张力差；Q为有益载荷；Qz为提升容器质量；p为提升钢丝绳单位长度重力；H为提升高度。 提升机最大静张力[Fjmax]及最大静张力差[Fjc]在产品规格表中给出。

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