翟政凱

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001）

引言

隨著國(guó)內(nèi)煤礦生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展，煤礦架空乘人裝置開(kāi)始逐漸被應(yīng)用于井下生產(chǎn)作業(yè)，是結(jié)合生產(chǎn)環(huán)境、巷道特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的一種繩索式人員運(yùn)輸系統(tǒng)，可供作業(yè)人員于井下、地面之間往返。相對(duì)于其他運(yùn)輸方式，井下架空乘人裝置承擔(dān)著全礦井下井員工的運(yùn)輸任務(wù)，是一種安全又經(jīng)濟(jì)的煤礦人員運(yùn)送裝置。該裝置投資低、效率高、能耗低、無(wú)污染，是礦井生產(chǎn)的關(guān)鍵安全設(shè)備。

下面就以金家莊礦井為例，從架空乘人裝置的設(shè)備與布置選型設(shè)計(jì)方面，探討一下井下架空乘人裝置的設(shè)計(jì)。

1 金家莊礦概況

山西柳林金家莊煤業(yè)有限公司位于柳林縣縣城東南方向距縣城約10 km的金家莊鄉(xiāng)—雙棗圪塔一帶，行政區(qū)劃隸屬于金家莊鄉(xiāng)管轄。礦井下組煤水平延深后設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為175 萬(wàn)t/年。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（2016）第三百八十二條的規(guī)定要求，長(zhǎng)度超過(guò)1.5 km的主要運(yùn)輸平巷或者高差超過(guò)50 m的人員上下的主要傾斜巷，應(yīng)當(dāng)采用機(jī)械方式運(yùn)送人員，故金家莊煤業(yè)有限公司礦井在北膠帶大巷安裝了一臺(tái)架空乘人裝置來(lái)運(yùn)送人員，以縮短工人上下班行走距離，減輕工人體力消耗，提高工作效率。該架空乘人裝置的驅(qū)動(dòng)裝置、尾部及拉緊裝置均設(shè)在北膠帶大巷內(nèi)。

2 北膠帶大巷架空乘人裝置布置及選型設(shè)計(jì)

2.1 架空乘人裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

機(jī)頭機(jī)尾設(shè)壓繩裝置，單側(cè)壓繩（靠近帶式輸送機(jī)一側(cè)鋼絲繩回壓為0.3 m），鋼絲繩間距為0.9 m，吊椅中心距離巷道壁的最小距離為0.7 m，距帶式輸送機(jī)的距離為1 m，乘人吊椅距底板高度為0.3 m，吊座間距為8 m。該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足《煤礦安全規(guī)程》（2016）第三百八十三條第2 項(xiàng)“吊椅中心至巷道一側(cè)突出部分的距離不得小于0.7 m，可摘掛抱索器（雙向同時(shí)運(yùn)送人員）的鋼絲繩間距不得小于0.8 m，乘人吊椅距底板的高度不得小于0.2 m，乘坐間距不應(yīng)小于牽引鋼絲繩5 s的運(yùn)行距離，且不得小于6 m”，以及《煤礦井下煤炭運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51179—2016）中“帶式輸送機(jī)與巷道側(cè)幫的支護(hù)、管線、設(shè)施之間的距離，不應(yīng)小于500 mm，各乘人站設(shè)上下人平臺(tái)，乘人平臺(tái)處鋼絲繩距巷道壁不小于1 m”的規(guī)定。鋼絲繩安全系數(shù)≥6，由于巷道同時(shí)安裝了架空乘人裝置和帶式輸送機(jī)，所以架空乘人裝置與帶式輸送機(jī)之間全程加裝防護(hù)欄板（網(wǎng)），且防護(hù)欄板（網(wǎng)）應(yīng)足夠堅(jiān)固。架空乘人裝置還要設(shè)置打滑、超速、全線急停、變坡點(diǎn)防掉繩、越位、張緊力下降等保護(hù)裝置。

2.2 礦井基本情況

金家莊北膠帶大巷為礦方已有巷道，巷道采用矩形斷面，巷道斜長(zhǎng)約為950 m，傾角為-0.53°～8.46°，寬度為4.8 m，高度為3.2 m。巷道一側(cè)布置有寬度為1 200 mm的帶式輸送機(jī)，將架空乘人裝置布置在巷道另一側(cè)，綜合考慮到巷道和帶式輸送機(jī)寬度設(shè)計(jì)，選用了雙向可摘掛抱索器架空乘人裝置，井筒斷面布置如圖1 所示。

圖1 井筒斷面布置（單位：mm）

水平輸送距離Lh=855.422 m，平均角度4.597°，提升高度H=68.791m，輸送距離（斜長(zhǎng)）L=858.18 m，吊座質(zhì)量G1=15 kg，吊座間距L1=8 m，每米吊座質(zhì)量q1=G1/8=1.875 kg/m，人員質(zhì)量G2=95 kg，每米人員質(zhì)量q=G2/8=11.875 kg/m，托繩輪質(zhì)量G3=15 kg，托繩輪間距L2=6 m，每米托繩輪質(zhì)量q2=G3/L2=2.5 kg/m，重力加速度g=9.81 m/s2。初選鋼絲繩規(guī)格20NAT6x36WS+FC1670-ZZ（無(wú)油），鋼絲繩直徑d=20 mm，每米鋼絲繩質(zhì)量q0=1.52 kg/m，鋼絲繩最小破斷力F0=220 kN，換算系數(shù)k=1.226，鋼絲繩和托繩輪間摩擦系數(shù)f=0.035，頭部驅(qū)動(dòng)輪直徑D=1 200 mm，繩速v=1.08 m/s，驅(qū)動(dòng)輪圍包角α=180°，鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪輪襯間摩擦系數(shù)μ=0.25。

2.3 架空乘人裝置選型計(jì)算

本井下架空乘人裝置有滿(mǎn)載、空載、上運(yùn)部分滿(mǎn)載且下運(yùn)部分空載和下運(yùn)部分滿(mǎn)載且上運(yùn)部分空載四種運(yùn)行工況。其中上運(yùn)部分滿(mǎn)載且下運(yùn)部分空載是最不利的工況，架空乘人裝置運(yùn)行功率最大，因此本文按上運(yùn)部分滿(mǎn)載且下運(yùn)部分空載運(yùn)行工況設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.3.1 阻力計(jì)算

1）鋼絲繩上行滿(mǎn)載（滿(mǎn)員）時(shí)的阻力Fs=（q+q1+q2+q0）×f×Lh×g+（q+q0+q1）×H×g=（11.875+1.875+2.5+1.52）×0.035×855.422×9.81+（11.875+1.52+1.875）×68.791×9.81=15 524 N。

2）鋼絲繩下行空載（無(wú)人乘坐）時(shí)的阻力Fx=（q0+q2）×f×Lh×g－q0×H×g=（1.52+2.5）×0.035×855.422×9.81-1.52×68.791×9.81=154.9 N。

2.3.2 張力計(jì)算

尾輪進(jìn)繩側(cè)鋼絲繩張力S3=Smin=1 000×q0×g+2 000=1 000×1.52×9.81+2 000=16 911.2 N。

尾輪出繩側(cè)鋼絲繩張力S4=1.01S3=1.01×16 911.2=17 080.3 N。

驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)繩側(cè)鋼絲繩張力S1=S4+Fs=17 080.3+15 524=32 604.3 N。

驅(qū)動(dòng)輪出繩側(cè)鋼絲繩張力S2=S3-Fx=16 911.2-154.9=16 756.3 N。

2.3.3 防滑驗(yàn)算和鋼絲繩安全系數(shù)的校核

防滑驗(yàn)算：S1/S2=1.946≤eμα=2.193，滿(mǎn)足要求。

鋼絲繩安全系數(shù)驗(yàn)算：n=k×F0/S1=1.226×220×1 000/32 604.3=8.272＞6，滿(mǎn)足要求。

驅(qū)動(dòng)輪直徑和鋼絲繩直徑之比值：1 200/20=60，滿(mǎn)足要求。

驅(qū)動(dòng)輪直徑和鋼絲繩中最粗鋼絲直徑之比值：1 200/1.14=1 052.6＞900，滿(mǎn)足要求。

2.3.4 拉緊行程和尾輪拉緊力計(jì)算

1）拉緊行程S=0.01L=0.01×858.18=8.58 m，取S=10.5 m＞8.58 m，滿(mǎn)足要求。

2）尾輪拉緊力F拉=S3+S4=16 911.2+17 080.3=33 991.5 N。

要求尾部拉緊裝置對(duì)尾部改向輪拉緊力不小于本計(jì)算值。

2.3.5 電機(jī)功率計(jì)算

驅(qū)動(dòng)輪圓周力P=S1-S2=15 848 N，驅(qū)動(dòng)輪軸功率N0=PV/1 000=17.1 kW。

電機(jī)功率N=1.2N0/η=25.7 kW。式中：1.2 為電機(jī)功率備用系數(shù)；η 為傳動(dòng)效率，η=0.8。

2.3.6 減速器計(jì)算

該架空乘人裝置的最大負(fù)載扭矩Mf=（S1-S2）×D/2=9 509 N·m。

2.3.7 驅(qū)動(dòng)輪安全制動(dòng)器制動(dòng)力計(jì)算

驅(qū)動(dòng)輪所需制動(dòng)力Fz=2（S1-S2）=31 696 N。

2.3.8 高速端制動(dòng)器制動(dòng)力矩計(jì)算

減速器高速端所需的制動(dòng)力矩Mz=2×45×9 550/980=877 N·m。

2.4 架空乘人裝置驅(qū)動(dòng)裝置選型

該架空乘人裝置的驅(qū)動(dòng)部型式為架空式單輪結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)部主要包括防爆電機(jī)、防爆電力液壓塊式制動(dòng)器、聯(lián)軸器、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、低速端驅(qū)動(dòng)輪安全制動(dòng)器、機(jī)架及聯(lián)接裝置等。主要設(shè)備選型如下：電動(dòng)機(jī)YB3-280S-6，N=45 kW，n=980 r/min，一臺(tái)；減速機(jī)MC3RVH08-56，速比56，額定輸出扭矩為48 100 N·m，一臺(tái)；驅(qū)動(dòng)輪安全制動(dòng)器YQPCJ50-C112，制動(dòng)力50 000 N；減速器高速端制動(dòng)器BYWZ4B-400/121，制動(dòng)力矩M=2 000 N·m。

2.5 架空乘人裝置速度驗(yàn)算

鋼絲繩運(yùn)行速度計(jì)算：

式中：K 為鋼絲繩運(yùn)行時(shí)蠕動(dòng)系數(shù)，取K=0.98；N 為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，980 r/min；i 為減速機(jī)速比，i=56。計(jì)算得v=1.08 m/s≤1.2 m/s，滿(mǎn)足要求。

3 結(jié)論

以金家莊礦井膠帶大巷為例給出的架空乘人裝置的選型及計(jì)算方法，同樣適用于其他礦井架空乘人裝置的選型計(jì)算，以供同行參考。