李志兵,李 寧,徐興東,韓云春
(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232100;2.煤炭開采國(guó)家工程技術(shù)研究院,安徽 淮南 232100;3.西南政法大學(xué)人工智能 法學(xué)院,重慶 401120;4.青海能源魚卡有限責(zé)任公司,青海 德令哈 816200)
無極繩絞車作為礦井軌道輔助運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備之一,適用于長(zhǎng)距離、多彎道、多變坡、大噸位等條件,多用于礦井大巷、采區(qū)巷道、工作面巷道等輔助運(yùn)輸中[1-4]。但隨著煤礦生產(chǎn)不斷推進(jìn),井下運(yùn)輸距離不斷增長(zhǎng)、運(yùn)輸環(huán)境變得更加復(fù)雜;更為主要的是,礦井生產(chǎn)千變?nèi)f化,打運(yùn)貨物載荷隨生產(chǎn)而改變,機(jī)電設(shè)備有限,可供使用的無極繩絞車型號(hào)屈指可數(shù)[5-7]。在此情況下,仍采用以給定載荷驗(yàn)證絞車型號(hào)是否滿足要求的傳統(tǒng)選型計(jì)算方法給生產(chǎn)帶來很多麻煩[5-7]。因此,采用逆向思維,在考慮有限的絞車型號(hào)條件下,根據(jù)潘三礦1791(3)軌順掘進(jìn)期間打運(yùn)相關(guān)實(shí)際生產(chǎn)情況,得出打運(yùn)載荷能力,以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。
潘三礦1791(3)軌順掘進(jìn)期間,無極繩絞車打運(yùn)系統(tǒng)包括1791(3)軌順和1791(3)軌順提料斜巷,軌順長(zhǎng)度1 200 m,為近水平巷道,走向角度近似0°;提料斜巷長(zhǎng)度100 m,最大坡度20°,斜巷平均坡度17°。
礦井現(xiàn)有SQ-120/132P無極繩絞車,即為該巷掘進(jìn)期間計(jì)劃采用的絞車,采用φ24.5 mm的鋼絲繩,破斷力為317 kN。SQ-120/132P無極繩絞車最大牽引力120 kN,無極繩絞車設(shè)定打運(yùn)速度v不大于0.8 m/s,鋼絲繩張力初值S1為2.9 kN左右。礦車自重1 300 kg,梭車重量1 500 kg,鋼絲繩單位長(zhǎng)度質(zhì)量2.07 kg/m,無極繩絞車傳動(dòng)效率0.85。
以每鉤最多打運(yùn)三車錨桿作為打運(yùn)基數(shù),每車裝300套φ22 mm×2 400 mm錨桿(2 145 kg),三車錨桿總重量為6 435 kg。
2.1.1 無極繩絞車牽引力驗(yàn)算
無極繩絞車所受拉力的計(jì)算見式(1)
F=[Z(G車+G載)+G梭)]g(sinβ1+ω1×cosβ1)+ 2δsL1g(sinβ2+ω2cosβ2)+ 2δsL2gω2cos0°
(1)
式中,F(xiàn)為無極繩絞車所受拉力,N;Z為每次牽引的重車數(shù);G車為空車自重,取1 300 kg;G載為打運(yùn)物件最大重量,取2 145 kg;G梭為梭車重量,取1 500 kg;β1為斜巷最大傾角,取20°;β2為斜巷鋼絲繩平均傾角,取17°;δs為鋼絲繩單位長(zhǎng)度的質(zhì)量,取2.07 kg/m;L1為斜巷運(yùn)輸距離,取100 m;L2為平巷運(yùn)輸距離,取1 200 m;ω1為礦車運(yùn)行阻力系數(shù),取0.015;ω2為鋼絲繩運(yùn)行時(shí)與拖輥和底板間的阻力系數(shù),取0.2。計(jì)算得,F(xiàn)=53 kN。無極繩絞車所受拉力為53 kN,小于絞車120 kN的最大牽引力,合格。
2.1.2 無極繩絞車功率驗(yàn)算
無極繩絞車實(shí)踐功率計(jì)算見式(2),功率備用系數(shù)計(jì)算見式(3)
N=F×V/η
(2)
(3)
式中,N為無極繩絞車實(shí)際功率,kW;V為無極繩絞車牽引速度,取0.8 m/s;η為無極繩絞車傳動(dòng)效率,取0.85;P為無極繩絞車額定功率,取132 kW;K為功率備用系數(shù)(絞車設(shè)計(jì)需大于1.1)。經(jīng)計(jì)算,功率備用系數(shù)K=2.64>1.1,合格[8-11]。
2.1.3 重錘重量核算
為保證鋼絲繩在滾筒上不打滑,有
S1=nF/(eμα-1)
(4)
式中,S1為鋼絲繩張力初值,kN;n為摩擦力備用系數(shù)(或稱防滑安全系數(shù)),可取1.1~1.2;μ為鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪間的摩擦系數(shù),其值視驅(qū)動(dòng)輪繩襯材料而定,采用PVC或GM-3繩襯取0.3,鑄鐵繩襯可取0.14;α為鋼絲繩在驅(qū)動(dòng)輪上的總圍抱角。取n=1.2,μ=0.14,α=7π,代入式中得S1=3.07 kN。
張緊重錘采用動(dòng)滑輪,其最小重量為
G錘=1 000kCx,S1/g=626.1 kg
(5)
式中,G錘為張緊重錘重量,kN;Cx為包括受壓繩輪等在內(nèi)的阻力系數(shù),取1.2;k為重錘結(jié)構(gòu)系數(shù),單動(dòng)輪取2。經(jīng)計(jì)算,打運(yùn)三車錨桿要求安裝張緊重錘重量為626.1 kg,小于800 kg,合格。
2.1.4 鋼絲繩安全系數(shù)驗(yàn)算
無極繩絞車鋼絲繩安全系數(shù)的計(jì)算見式(6)
n=Qz/Smax=Qz/(F+S1)
(6)
式中,n為無極繩絞車鋼絲繩安全系數(shù);Qz為鋼絲繩破斷拉力總和,取317 kN;Smax為鋼絲繩最大張力,kN。鋼絲繩許用安全系數(shù)(運(yùn)輸最大重物時(shí))為3.7。經(jīng)驗(yàn)算,鋼絲繩安全系數(shù)n=5.65>3.7,合格[12-14]。
由以上驗(yàn)算所得,SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩打運(yùn)三車錨桿,通過以上計(jì)算,滿足使用要求。
同理,使用上述方法,可以得出最短運(yùn)距300 m時(shí),SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩打運(yùn)三車錨桿,滿足使用要求??傊?,使用給定載荷驗(yàn)算絞車能力的傳統(tǒng)方法,驗(yàn)算了在最長(zhǎng)打運(yùn)距離和最短打運(yùn)距離2種情況下,打運(yùn)總重量為6.435 t的三車錨桿(含車皮重量),可滿足要求。
3.1.1 無極繩絞車最大拉力F1驗(yàn)算
依據(jù)無極繩絞車額定功率,無極繩絞車最大拉力F1的驗(yàn)算見式(7)
F1=Pη/(K·V)
(7)
式中,V為無極繩絞車牽引速度,取0.8 m/s;P為無極繩絞車額定功率,取132 kW;η為無極繩絞車傳動(dòng)效率,取0.85;K為功率備用系數(shù)(絞車設(shè)計(jì)>1.1)。計(jì)算得,F(xiàn)1為127.5 kN。
3.1.2 無極繩絞車最大拉力F2驗(yàn)算
根據(jù)鋼絲繩在滾筒上不打滑的原則,驗(yàn)算無極繩絞車最大拉力F2。張緊重錘采用動(dòng)滑輪,則無極繩絞車鋼絲繩張力初值為
S1=gG錘/1 000kCx
(8)
式中,S1為鋼絲繩張力初值,kN;G錘為張緊重錘重量,800 kg;Cx為包括受壓繩輪等在內(nèi)的阻力系數(shù),取1.3;k為重錘結(jié)構(gòu)系數(shù),單動(dòng)輪取2。計(jì)算得,S1為2.9 kN。
為保證鋼絲繩在滾筒上不打滑,有
F2=S1(eμα-1)/n
(9)
式中,n為摩擦力備用系數(shù)(或稱防滑安全系數(shù)),可取1.1~1.2,取n=1.2;μ為鋼絲繩與驅(qū)動(dòng)輪間的摩擦系數(shù),其值視驅(qū)動(dòng)輪繩襯材料而定,采用PVC或GM-3繩襯取0.3,鑄鐵繩襯取可取0.14,取μ=0.14;α為鋼絲繩在驅(qū)動(dòng)輪上的總圍抱角,絞車實(shí)際包圍角α為9π。計(jì)算得,F(xiàn)2為124.4 kN。
3.1.3 無極繩絞車最大拉力F3驗(yàn)算
根據(jù)鋼絲繩安全系數(shù)滿足要求,驗(yàn)算無極繩絞車最大拉力F3。鋼絲繩許用安全系數(shù)(運(yùn)輸最大重物時(shí))為3.7。為保證鋼絲繩安全系數(shù)滿足要求,則
F3=Qz/3.7-S1
(10)
式中,Qz為鋼絲繩破斷拉力總和,取317 kN。計(jì)算得,F(xiàn)3為82.7 kN。
3.1.4 最大打運(yùn)載荷驗(yàn)算
根據(jù)上述計(jì)算,結(jié)合鋼絲繩額定牽引力F額為120 kN??芍?,再在1791(3)軌順SQ-120/132P無極繩絞車現(xiàn)存安裝狀態(tài)下,無極繩絞車鋼絲繩最大拉力F=min{F額,F(xiàn)1,F(xiàn)2,F(xiàn)3}=82.7 kN。無極繩絞車最大打運(yùn)載荷G總(包括梭車、車皮和物件的總重量)驗(yàn)算
G總=[F-2δsL1·g(sinβ2+ω2cosβ2)-
2δsL2gω2cos0°]/g(sinβ1+ω1×cosβ1)
(11)
式中,F(xiàn)為無極繩絞車所受拉力,取56 400 N;δs為鋼絲繩單位長(zhǎng)度的質(zhì)量,取2.07 kg/m;L1為斜巷運(yùn)輸距離,取100 m;L2為平巷運(yùn)輸距離,取1 200 m;ω1為礦車運(yùn)行阻力系數(shù),取0.015;ω2為鋼絲繩運(yùn)行時(shí)與拖輥和底板間的阻力系數(shù),取0.2;β1為斜巷最大傾角,取20°;β2為斜巷鋼絲繩平均傾角,取17°。代入,經(jīng)計(jì)算得,G總=20.3 t。所以,G載總=G總-G梭=18.8 t。
由以上驗(yàn)算得,SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩在現(xiàn)有條件下,最大打運(yùn)路線為1 300 m時(shí),最大打運(yùn)貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量),為18.8 t。
同理,使用上述方法,可以得出最短運(yùn)距300 m時(shí),使用SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩,最大打運(yùn)貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量),為16.36 t。
總之,使用給定絞車型號(hào)核算打運(yùn)能力的方法,得出最大打運(yùn)路線時(shí),最大打運(yùn)貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量),為18.8 t;最短運(yùn)距時(shí),最大打運(yùn)載荷G總(包括梭車、車皮和物件的總重量),為17.86 t;取小值,最大打運(yùn)貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量),為16.36 t。
方法1(給定載荷驗(yàn)算絞車能力的傳統(tǒng)方法)根據(jù)打運(yùn)物件載荷,確定無極繩絞車型號(hào);方法2(給定絞車型號(hào)核算打運(yùn)能力)根據(jù)已有絞車型號(hào),確定最大打運(yùn)物件載荷,屬相互逆向思維。使用方法1驗(yàn)算的打運(yùn)載荷為6.435 t,使用方法2驗(yàn)算的打運(yùn)載荷為16.36 t,打運(yùn)能力增加了2.54倍;使用方法1選型的絞車,礦井不一定備有,如需重新購買,影響生產(chǎn),使用方法2可充分發(fā)揮礦井現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備。方法1得出的最大打運(yùn)載荷并不一定是絞車的最大打運(yùn)能力,容易出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象;方法2出的最大打運(yùn)載荷能充分發(fā)揮絞車的能效,有利于提升生產(chǎn)效率。因生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)打運(yùn)物件種類繁多,且多有變化,方法2得出的最大打運(yùn)載荷,能更加簡(jiǎn)單、直接地指導(dǎo)工人生產(chǎn)。
無極繩牽引絞車運(yùn)輸是巷道輔助運(yùn)輸?shù)挠行Х绞街?,絞車選型是生產(chǎn)設(shè)計(jì)的重要一環(huán),然而受礦井配備絞車種類限制,生產(chǎn)實(shí)際過程中,往往是先確定絞車型號(hào),再驗(yàn)算打運(yùn)能力。通過理論分析,推導(dǎo)得出2種方法(給定載荷驗(yàn)算絞車能力的傳統(tǒng)方法和給定絞車型號(hào)核算打運(yùn)能力)的最大打運(yùn)載荷能力,得出方法2的優(yōu)勢(shì),并將該方法應(yīng)用到淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦1791(3)軌順掘進(jìn)期間使用SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩進(jìn)行打運(yùn)的最大載荷核算,提升了打運(yùn)效率,滿足了安全生產(chǎn),技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果明顯。