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        超深井用多繩纏繞式提升機(jī)選型研究

        2023-08-29 06:51:28劉勁軍
        礦山機(jī)械 2023年8期
        關(guān)鍵詞:卷筒深井提升機(jī)

        劉勁軍

        1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

        2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

        近年來,隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,我國對礦產(chǎn)資源的需求量大幅度增長,這促使我國地下礦產(chǎn)資源的開采不斷向深層擴(kuò)展,深部資源的開發(fā)與利用問題已受到不少學(xué)者的關(guān)注[1]。目前我國礦山的開采深度平均在 500 m 左右,隨著淺層礦產(chǎn)資源的消耗,未來開采深度必然達(dá)到 1 000~2 000 m[2]。我國超深井提升裝備基本處于空白狀態(tài),研發(fā)適合千米深井及超深井應(yīng)用的提升設(shè)備是我國提升機(jī)設(shè)計與生產(chǎn)廠家所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[3-4]。

        目前我國礦井提升主要采用單繩纏繞式提升機(jī)和多繩摩擦式提升機(jī),單繩纏繞式提升機(jī)在應(yīng)用于深井及超深井時提升能力過小[5];而多繩摩擦式提升機(jī)在超深井提升過程中,因主繩內(nèi)部張力變化過大,導(dǎo)致鋼絲繩壽命急劇縮短[6]。國外學(xué)者認(rèn)為,當(dāng)提升深度超過 1 400 m 到 1 500 m 時,多繩摩擦式提升機(jī)主繩的張力變化范圍就將成為決定主繩壽命的關(guān)鍵因素,并推斷多繩摩擦式提升機(jī)的經(jīng)濟(jì)極限提升深度在 1 600 m 左右[7-8]。

        多繩纏繞式提升機(jī)采用 2 根或以上鋼絲繩同時提起一個提升容器,比多繩摩擦式和單繩纏繞式提升機(jī)更適合超千米深井提升;因此,多繩纏繞式礦井提升機(jī)的研發(fā)對我國深部資源的開發(fā)利用具有現(xiàn)實的意義,其選型設(shè)計的正確與否直接關(guān)系到提升系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

        1 多繩纏繞式提升機(jī)的起源與結(jié)構(gòu)形式

        1957 年,南非英美公司的技術(shù)工程師羅伯特·布萊爾發(fā)明了一種用 2 根或者更多鋼絲繩來提升 1 個提升容器的提升機(jī),這種提升機(jī)被稱為多繩纏繞式提升機(jī) (Blair Multi-Rope Hoist)[9]。目前,多繩纏繞式提升機(jī)都采用 2 根鋼絲繩提起一個提升容器。提升機(jī)的卷筒被擋繩板分隔成兩部分,2 根鋼絲繩分別在這兩區(qū)纏繞后提起同一個提升容器,并通過同步裝置對鋼絲繩進(jìn)行同步[10-11],如圖1 所示。

        多繩纏繞式提升機(jī)有多種不同的布置方式,包括雙卷筒直聯(lián)式 (見圖2)、齒輪結(jié)合式、電結(jié)合式、萬向聯(lián)軸器結(jié)合式 (見圖3) 等[9]。其中,萬向聯(lián)軸器結(jié)合式的多繩纏繞式提升機(jī)具有如下優(yōu)點:

        圖2 直聯(lián)式多繩纏繞式提升機(jī)Fig.2 Direct-connected multi-rope winding hoist

        圖3 萬向聯(lián)軸器結(jié)合式多繩纏繞式提升機(jī) Fig.3 Multi-rope winding hoist combined with universal coupling

        (1) 萬向聯(lián)軸器連接了 2 個主軸裝置,可以讓上升和下降容器的轉(zhuǎn)矩相平衡,有效減小了所需電動機(jī)的驅(qū)動功率;

        (2) 萬向聯(lián)軸器讓 2 個主軸裝置呈角度布置,能更好地滿足繩偏角的要求,并減小井筒尺寸。

        2 多繩纏繞式提升機(jī)的選型

        2.1 鋼絲繩的類型

        提升鋼絲繩是礦井提升機(jī)的重要組成部分,直接關(guān)系到礦井的正常生產(chǎn)和人員的生命安全。在超深井提升時,多繩纏繞式提升機(jī)的提升鋼絲繩通常需要多層纏繞,在纏繞過渡過程中出現(xiàn)的層間與圈間過渡,使鋼絲繩產(chǎn)生振動、沖擊、擠壓及摩擦磨損等現(xiàn)象,同時鋼絲繩本身在纏繞過程中又受到彎曲、拉力、扭轉(zhuǎn)以及過載等影響[12]。

        應(yīng)用于超深礦井時,多繩纏繞式提升機(jī)的鋼絲繩必須具有高強(qiáng)度、良好的抗旋轉(zhuǎn)性能和抗疲勞性能,且需耐磨損,并能夠承受上層鋼絲繩的壓力[13-14]。根據(jù)對南非超深井提升系統(tǒng)的調(diào)研,推薦多繩纏繞式提升機(jī)采用三角股鋼絲繩 (見圖4(a)) 或新型的多圓股涂塑鋼絲繩 (見圖4(b));隨著鋼絲繩技術(shù)的不斷發(fā)展,鋼絲繩廠家也推出新結(jié)構(gòu)鋼絲繩,如 DYFROM 34LR/PI Class 等,如圖4(c) 所示。

        圖4 多繩纏繞式提升機(jī)采用的 3 種典型鋼絲繩Fig.4 Three typical wire ropes used in multi-rope winding hoist

        多繩纏繞式提升機(jī)同一容器上的 2 根鋼絲繩,其應(yīng)類型相同且旋向相反,以抵消鋼絲繩因為扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。超深井提升時,為減小鋼絲繩直徑,宜選用公稱抗拉強(qiáng)度較高的鋼絲繩。南非某礦用多繩纏繞式提升機(jī)的提升高度達(dá) 3 000 m,其選用鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度為 1 960 MPa。

        2.2 提升容器的計算與選擇

        2.2.1 確定提升速度

        根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[15]及《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》[16],最大提升速度v應(yīng)符合以下要求。

        提人時,

        升降物料時,

        式中:H為提升高度,m。其中提人時,最大提升速度v不得超過 12 m/s。

        根據(jù)對南非某礦的調(diào)研,其多繩纏繞式提升機(jī)的實際最大提升速度已經(jīng)達(dá)到 18 m/s。

        2.2.2 計算提升循環(huán)時間

        多繩纏繞式提升機(jī)的提升循環(huán)時間

        式中:a為提升加速度,m/s2;μ為箕斗進(jìn)入卸載曲軌前后的爬行段所占用的時間,一般取 10 s;θ為容器裝載時間,s。

        如果多繩纏繞式提升機(jī)采用單容器提升,則其提升循環(huán)時間T1=2T。

        2.2.3 一次提升量的計算及提升容器的選取

        多繩纏繞式提升機(jī)一次提升量[17]

        式中:c1為礦井提升的不均勻系數(shù),無特殊要求時取1.15;c2為礦井提升能力的富裕系數(shù),主提升水平取 1.2;AN為礦井年產(chǎn)量,kg;Th為每天工作時間,h;bτ為礦井的年工作時間,d。

        根據(jù)一次提升量Q,可以選擇相應(yīng)的提升容器,得到容器質(zhì)量Qr。對于應(yīng)用于超深井的多繩纏繞式提升機(jī)來說,減輕提升容器的質(zhì)量在經(jīng)濟(jì)上具有重要的意義。

        容器系數(shù)

        在安全系數(shù)不變的情況下,容器系數(shù)的降低,意味著提升能力的提高。目前我國纏繞式提升機(jī)的單繩箕斗容器系數(shù)在 0.755~1.223,多繩摩擦式提升機(jī)的多繩箕斗容器系數(shù)在 0.90~1.17[18-19]。對于應(yīng)用于超深井的纏繞式提升機(jī),采用輕質(zhì)合金制造的提升容器,有望將容器系數(shù)減小到 0.40 左右。國外學(xué)者認(rèn)為,目前輕型箕斗的容器系數(shù)的極限約為 0.333[20]。

        2.3 鋼絲繩安全系數(shù)的確定

        我國纏繞式提升機(jī)選擇鋼絲繩時,應(yīng)按最大靜張力,并考慮一定安全系數(shù)的方法,進(jìn)行鋼絲繩的計算與選型。鋼絲繩安全系數(shù),即提升系統(tǒng)鋼絲繩的破斷力總和與其所承受的最大靜載荷之比。最大靜載荷包括容器重量Qr、有效載荷Q(即提升量) 以及鋼絲繩重量 (假設(shè)為n根)。表1 所列為我國及南非對纏繞式提升機(jī)鋼絲繩安全系數(shù)的規(guī)定[21]。

        表1 不同安全規(guī)程下的鋼絲繩安全系數(shù)Tab.1 Safety factors for wire ropes under different safety regulations

        需要注意,我國提升機(jī)鋼絲繩安全系數(shù)的規(guī)定依據(jù)鋼絲繩的最小破斷力總和,而南非等國依據(jù)鋼絲繩的最小破斷力,二者關(guān)系為:

        式中:F0為鋼絲繩的最小破斷力總和,N;K2為鋼絲繩最小破斷力總和與鋼絲繩最小破斷力的換算系數(shù);Fb為鋼絲繩的破斷力,N。

        對于多繩纏繞式提升機(jī),我國提升鋼絲繩的安全系數(shù)

        南非等國提升鋼絲繩的安全系數(shù)

        式中:n為同一容器上提升鋼絲繩的數(shù)量,根;p為鋼絲繩單位質(zhì)量,kg/m;g為重力加速度,取 9.81 m/s2。

        2.4 鋼絲繩直徑 d 的計算

        鋼絲繩安全系數(shù)確定之后,可以進(jìn)行多繩纏繞式提升機(jī)所用鋼絲繩直徑d的計算。根據(jù)參考文獻(xiàn)[22],鋼絲繩單位質(zhì)量

        式中:K為鋼絲繩單位長度的質(zhì)量系數(shù),kg/(100 m× mm2);d為鋼絲繩直徑,mm。

        鋼絲繩最小破斷拉力

        式中:K′為鋼絲繩的最小破斷拉力系數(shù);R0為鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度,MPa。

        由式 (7)~(10),可以得到依據(jù)國內(nèi)規(guī)程時的鋼絲繩直徑[23]:

        由式 (8)~(10),可以得到依據(jù)南非等國規(guī)程的鋼絲繩直徑:

        2.5 卷筒直徑 D 的計算

        多繩纏繞式提升機(jī)鋼絲繩直徑d確定之后,可以根據(jù)D/d 來確定卷筒直徑D。D/d為纏繞鋼絲繩的卷筒或者天輪直徑與鋼絲繩直徑的比值。不同國家對D/d的規(guī)定如表2 所列。

        表2 不同安全規(guī)程下的提升機(jī) D/d 值Tab.2 D/d values of hoists under different safety regulations

        多繩纏繞式提升機(jī)的卷筒直徑

        2.6 卷筒纏繩區(qū)寬度 L 的驗算

        當(dāng)多繩纏繞式提升機(jī)的直徑D確定后,需根據(jù)容繩量對提升機(jī)的纏繩區(qū)寬度L進(jìn)行驗算。需要指出的是,多繩纏繞式提升機(jī)卷筒寬度的計算與單繩纏繞式提升機(jī)有所區(qū)別,單繩纏繞式提升機(jī)的卷筒寬度等于其纏繩區(qū)寬度;而多繩纏繞式提升機(jī)的卷筒寬度等于 2 個纏繩區(qū)寬度與中間擋繩板厚度之和,如圖5 所示。

        圖5 多繩纏繞式提升機(jī)卷筒寬度與纏繩區(qū)寬度示意Fig.5 Diagram of drum width and rope winding zone width of multi-rope winding hoist

        應(yīng)用于超深井時,多繩纏繞式提升機(jī)通常需要多層纏繞。為保證纏繞的平穩(wěn)性,礦山企業(yè)多采用平行折線繩槽,并配備鋼絲繩纏繞監(jiān)控裝置 (見圖6)。國內(nèi)學(xué)者已對平行折線繩槽進(jìn)行了研究[24],相關(guān)成果已在一些項目上得到應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用的效果來看,鋼絲繩在平行折線繩槽上纏繞時,過渡平穩(wěn),過渡響聲小,有效減少了過渡區(qū)的鋼絲繩擠壓斷絲現(xiàn)象[25]。

        圖6 某項目提升機(jī)所用的平行折線繩槽Fig.6 Parallel groove of hoist for a certain project

        卷筒纏繩區(qū)應(yīng)容納以下幾部分鋼絲繩:

        ①提升高度H;② 鋼絲繩試驗長度,30 m;③卷筒表面應(yīng)保留 3 圈摩擦圈,以減輕繩與卷筒固定處的拉力;④ 多層纏繞時,上層到下層過渡段鋼絲繩每季度需錯動 1/4 圈,共取 4 圈。

        纏繩區(qū)寬度L的驗算公式如下。單層纏繞時,提升高度

        2 層纏繞時,提升高度

        3 層纏繞時,提升高度,

        4 層纏繞時,提升高度

        式中:b為出繩孔直徑,通常取b=d+5,mm;ε為繩圈間隙,mm;nm為摩擦繩圈,取 3;ls為試驗繩長,取 30 m;ng為多層纏繞時供移動用的繩圈,取 4;Dp為鋼絲繩平均纏繞直徑,mm;nz為纏繞層數(shù)。

        2.7 多繩纏繞式提升機(jī)的選擇

        當(dāng)鋼絲繩選型完成,卷筒直徑、纏繩區(qū)寬度等參數(shù)確定以后,可以根據(jù)有效載荷、容器質(zhì)量以及鋼絲繩參數(shù),以確定多繩纏繞式提升機(jī)的最大靜張力F、最大靜張力差Fs、有效終端載荷Fz等相關(guān)參數(shù)。

        多繩纏繞式提升機(jī)最大靜張力

        最大靜張力差

        有效終端載荷

        確定了這些參數(shù)以后,可根據(jù)多繩纏繞式提升機(jī)的型譜,選擇滿足需要的提升機(jī)型號[26]。表3 和表4 分別給出了單、雙筒多繩纏繞式提升機(jī)的參數(shù)。

        表3 單筒多繩纏繞式提升機(jī)參數(shù)Tab.3 Parameters of multi-rope winding hoist with single drum

        表4 雙筒多繩纏繞式提升機(jī)參數(shù)Tab.4 Parameters of multi-rope winding hoist with double drum

        3 超深井用多繩纏繞式提升機(jī)與多繩摩擦式提升機(jī)的選型對比

        3.1 多繩摩擦式提升機(jī)及其安全系數(shù)的修正

        多繩摩擦式提升機(jī)是一類以摩擦輪上的襯墊與鋼絲繩的摩擦力傳遞動力進(jìn)行提升的機(jī)械,其采用多根鋼絲繩代替 1 根直徑較粗的鋼絲繩來提升容器。與單繩纏繞式提升機(jī)相比,多繩摩擦式提升機(jī)具有鋼絲繩直徑小、機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、適用于中等深度礦井提升等突出優(yōu)點。根據(jù)資料[27],南非多繩摩擦式提升機(jī)提升高度最深的是西部深層礦 (Western Deep Levels Mines),提升高度為 1 948 m,但據(jù)報告其鋼絲繩壽命非常短。目前國內(nèi)多繩摩擦式提升機(jī)提升高度最深的是云南會澤鉛鋅礦 3 號豎井,提升高度為 1 523 m,采用 1 臺 JKMD-5.5×6 落地式 6 繩摩擦式提升機(jī)提升。目前正在建設(shè)的山東萊州紗嶺金礦,將采用 1 臺 JKMD-6×8 落地式 8 繩摩擦式提升機(jī),其提升高度為 1 547.5 m。

        多繩摩擦式提升機(jī)為了滿足防滑需要,在容器下方安裝有尾繩。應(yīng)用于深井和超深井時,主繩本身重量的增加,導(dǎo)致其內(nèi)部張力在提升過程中發(fā)生較大變化。南非等國的經(jīng)驗認(rèn)為:在深井和超深井提升時,多繩摩擦式提升機(jī)主繩內(nèi)的張力變化直接影響主繩壽命。為保證主繩具有足夠經(jīng)濟(jì)的壽命,推薦該張力變化的范圍不超過主繩破斷力的 11.5%。

        國內(nèi)學(xué)者據(jù)此推薦:在超深井選型時,多繩摩擦式提升機(jī)的安全系數(shù)修正公式[28]

        式中:SF1為修正后的安全系數(shù);A為張力變化范圍,取A≤11.5%。

        3.2 多繩纏繞式提升機(jī)與多繩摩擦式提升機(jī)選型對比

        為比較多繩纏繞式提升機(jī)與多繩摩擦式提升機(jī)在超深井條件下選型的差異,假設(shè)提升高度分別為 1 500 m 和 1 600 m,有效載荷為 23 t,分別對其進(jìn)行選型設(shè)計,得到選型對比結(jié)果如表5 所列。

        表5 選型結(jié)果的對比Tab.5 Comparison of selection results

        從表5 可知:當(dāng)有效載荷不變,提升深度從 1 500 m 加深到 1 600 m 時,多繩摩擦式提升機(jī)為限制鋼絲繩的張力變化范圍,其系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生急劇的變化;多繩纏繞式提升機(jī)的選型無需考慮張力變化范圍,其系統(tǒng)參數(shù)變化很小。多繩摩擦式提升機(jī)鋼絲繩直徑從 52 mm 加大到 62 mm,最大靜張力增加了 35%,這也驗證了多繩摩擦式提升機(jī)經(jīng)濟(jì)性的極限提升深度在 1 600 m 左右的結(jié)論。

        4 結(jié)論

        (1) 對超深井用多繩纏繞式提升機(jī)的選型進(jìn)行了探討,對選型過程中鋼絲繩的種類、提升速度的選取、輕質(zhì)提升容器的容器系數(shù)取值進(jìn)行了討論,并給出了基于我國規(guī)程和南非規(guī)程的多繩纏繞式提升機(jī)鋼絲繩直徑及卷筒直徑選型計算公式。確定了系統(tǒng)參數(shù)后,可根據(jù)型譜,選擇相應(yīng)型號的多繩纏繞式提升機(jī)。

        (2) 通過與多繩摩擦式提升機(jī)的選型對比,當(dāng)提升深度從 1 500 m 增加到 1 600 m 時,多繩摩擦式提升機(jī)出現(xiàn)了因為張力變化范圍限制而導(dǎo)致鋼絲繩直徑急劇增大的現(xiàn)象。若未來多繩摩擦式提升機(jī)主繩張力變化范圍 (不得大于其破斷力的 11.5%) 的限制無法突破,則多繩摩擦式提升機(jī)的經(jīng)濟(jì)極限提升深度將被限制在 1 600 m 左右,這也與國外學(xué)者的結(jié)論相符。我國煤礦的極限開采深度在 1 500 m 左右,因此多繩纏繞式提升機(jī)未來在我國超深的金屬礦中有望得到應(yīng)用。

        (3) 多繩纏繞式提升機(jī)作為一種適合深井和超深井的提升裝備,在國外已經(jīng)有了六十多年的歷史,但是在國內(nèi)尚無應(yīng)用先例。近年來,隨著淺部資源的逐漸枯竭,我國已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)入深井或者超深井礦產(chǎn)資源的開采。多繩纏繞式提升機(jī)的研發(fā)與使用,將滿足我國超千米深井的提升需要,并填補(bǔ)我國超千米深井高速重載提升設(shè)備的空白。

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