秦寶

(霍州煤電集團 呂梁山煤電有限公司 方山縣店坪煤礦， 山西 呂梁 033102)

0 引言

礦井提升設(shè)備在煤礦生產(chǎn)中起到很重要的作用，擔(dān)負(fù)著礦井中煤礦、設(shè)備、人員及各種材料的運輸。提升機作為安全生產(chǎn)的重要一環(huán)，必須要保證其平穩(wěn)安全運行?，F(xiàn)有的提升裝置中，經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)振動和機械部件強度不足等問題，嚴(yán)重影響了煤礦的高效生產(chǎn)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，礦井提升機故障、鋼絲繩斷裂及制動器失靈等事故造成的人員傷亡人數(shù)較多[1-3]。分析原因，主要是對礦井提升系統(tǒng)的動載變化特性研究較少，缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識。因此,有必要對礦井提升機的動載系數(shù)進(jìn)行研究。

考慮到礦井提升機在使用過程中需要頻繁啟動和制動，且這兩種工況下動載系數(shù)變化較明顯，對系統(tǒng)造成的安全隱患較大。因此，本文重點研究啟動和制動工況下鋼絲繩和傳動系統(tǒng)的動載系數(shù)的變化情況及其影響因素，目的是為礦井提升機的設(shè)計和實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 礦井提升機的組成

礦井提升機作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，主要由主電動機、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、工作機構(gòu)和輔助系統(tǒng)組成[4-5]。

主電動機為系統(tǒng)提供動力，通常有直流電動機和三線纏繞式感應(yīng)電動機。

傳動部分主要由減速機和聯(lián)軸器構(gòu)成，通過聯(lián)軸器與提升機連接，彈性聯(lián)軸器對旋轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行傳遞的同時,起到減振的作用。

制動系統(tǒng)是提升裝置的核心部件，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性具有重要影響。其主要由制動器和液壓傳動裝置組成。通過液壓傳動裝置實現(xiàn)對制動器的具體控制。

工作機構(gòu)主要由卷筒、主軸、左右軸承等部件組成，其主要是用來承受提升載荷，滿足鋼絲繩的纏繞要求，并且能夠根據(jù)實際要求調(diào)節(jié)鋼絲繩的長度。

輔助系統(tǒng)包括控制及自我保護系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對礦井提升機動作的實時控制，以及發(fā)生故障時候能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行有效保護。

圖1為單繩纏繞式提升機工作原理示意圖。通過卷筒上的鋼絲繩實現(xiàn)對提升容器的提升和下放。卷筒上分別纏繞兩根鋼絲繩，鋼絲繩一端固定在卷筒上，另一端與提升容器相連接?？梢钥闯觯瑑筛摻z繩的纏繞方向相反，從而在電動機帶動卷筒旋轉(zhuǎn)時實現(xiàn)提升容器的上下移動。

1-卷筒；2-井筒；3-提升容器；4-天輪；5-鋼絲繩。圖1 單繩纏繞式提升機工作原理示意圖

2 動力學(xué)模型建立

由于礦井提升機各部件之間的質(zhì)量和剛度分布不均勻，所以模型建立時假設(shè)系統(tǒng)中剛體只有質(zhì)量，沒有彈性變形；中間連接的彈性軸段只有彈性變形，而忽略其質(zhì)量。本文研究的單繩纏繞式礦井提升機傳動系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

1-電動機;2-彈性聯(lián)軸器;3-減速器;4-齒輪聯(lián)軸器;5-井筒;6-鋼絲繩;7-吊重。圖2 礦井提升機傳動系統(tǒng)示意圖

根據(jù)上述假設(shè)，系統(tǒng)中軸和鋼絲繩等彈性較大的零件只考慮其彈性變形，忽略其質(zhì)量影響；電動機轉(zhuǎn)子、制動器由于彈性變形較小，分析中只考慮其剛度，忽略彈性的影響。通過多模型的簡化后，建立如圖3所示的三質(zhì)量二自由度力學(xué)模型。

圖3 礦井提升機等效力學(xué)模型

根據(jù)拉格朗日方程建立振動微分方程如下：

(1)

從式(1)中可以看出，系統(tǒng)輸入量包括電機驅(qū)動力矩M1和制動器制動力矩M2，輸出參數(shù)包括θ1、θ2、x，對上式進(jìn)行整理后得：

(2)

根據(jù)上述方程組，確定系統(tǒng)的動載響應(yīng)分別如下:鋼絲繩的動載荷Fr=ks(Rθ2-x)；鋼絲繩動載系數(shù)φr=Fr/Q；傳動系統(tǒng)動載荷Tr=kθ(θ1-θ2)；傳動系統(tǒng)動載系數(shù)φr=Tr/T,其中T=QR/(i1i2)，i1、i2為減速器兩級傳動比。

根據(jù)實際情況，礦井提升機最大動載荷主要發(fā)生在制動和啟動過程中。因此，重點對礦井提升機下降制動、下降啟動、上升制動、上升啟動4種工況下的系統(tǒng)載荷情況進(jìn)行研究，這4種工況下系統(tǒng)的初始條件分別如下。

通過分析可知鋼絲繩和傳動系統(tǒng)的動載響應(yīng)均為時間t的函數(shù)。由于系統(tǒng)在制動時制動力矩為固定值，可以求得下降制動和上升制動時鋼絲繩的最大動載表達(dá)式為[7-8]：

(3)

(QR2+RM2)+Q

(4)

求得下降制動和上升制動時傳動系統(tǒng)最大動載荷的表達(dá)式為：

(5)

(6)

3 仿真分析

根據(jù)上述建立的礦井提升機運動微分方程，利用Matlab軟件對其進(jìn)行仿真計算。本文計算中選擇JK-2.5 m的單繩纏繞式礦井提升機進(jìn)行研究分析。

其中：m=2 000 kg，ks=29 780 N/m，R=1.25 m，M2=64.7 N·m，J2=7 014 kg·m2。通過計算得到礦井提升機下降制動、上升制動過程中鋼絲繩和傳動系統(tǒng)的動載系數(shù)如圖4～7所示。

從圖4～5可以看出，下降制動、上升制動過程中鋼絲繩的最大動載系數(shù)分別為φ下rmax=1.36，φ上rmax=1.33。從圖6～7可以看出，下降制動、上升

圖4 下降制動過程中鋼絲繩動載系數(shù)

圖5 上升制動過程中鋼絲繩動載系數(shù)

圖6 下降制動過程中傳動系統(tǒng)動載系數(shù)

圖7 上升制動過程中傳動系統(tǒng)動載系數(shù)

制動過程中傳動系統(tǒng)最大動載系數(shù)分別為φ下rmax=1.36，φ上rmax=1.39。

分析可知：

1) 鋼絲繩的動載荷主要受礦井提升機設(shè)計參數(shù)、制動器制動力矩和系統(tǒng)的振動頻率3方面因素影響。

(1) 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量J1減小時，會有效降低系統(tǒng)高頻和低頻振動載荷，從而減小系統(tǒng)動載荷。

(2) 鋼絲繩動載荷受鋼絲繩本身剛度ks影響較大。ks直接影響系統(tǒng)低頻分量ω1，從而決定低頻分量引起的系統(tǒng)振動載荷，并且ks越大，低頻分量越大，系統(tǒng)振動載荷也越大。

(3) 鋼絲繩材料選定后，其繩長和鋼絲繩橫截面決定了鋼絲繩的剛度。為了減小系統(tǒng)振動，要在滿足系統(tǒng)強度要求的情況下，盡量選取橫截面小的鋼絲繩。

(4) 礦井提升機上升制動過程中鋼絲繩的動載荷還與系統(tǒng)固有頻率的差值有關(guān)。其差值越小，鋼絲繩動載系數(shù)就越大。因此，應(yīng)該盡量拉大系統(tǒng)各階固有頻率值。

(5) 制動過程中應(yīng)該適當(dāng)選取制動力矩，較大的制動力矩必然對系統(tǒng)產(chǎn)生較強的動載荷。

2) 傳動系統(tǒng)動載荷主要受系統(tǒng)低階固有頻率的影響。

(1) 低階固有頻率越大，系統(tǒng)動載荷也越大。與低階固有頻率相比較，高階固有頻率對系統(tǒng)動載荷影響較小。

(2) 電機轉(zhuǎn)動慣量與傳動系統(tǒng)動載荷之間呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

4 結(jié)語

通過理論計算與數(shù)值模擬相結(jié)合，研究了礦井提升機上升制動、下降制動過程中鋼絲繩動載系數(shù)和傳動系統(tǒng)動載系數(shù)的變化情況，得到了該工況下鋼絲繩和傳動系統(tǒng)的最大動載系數(shù)值。結(jié)合理論計算結(jié)果，分析了鋼絲繩動載系數(shù)和傳動系統(tǒng)動載系數(shù)的各種影響因素。