在用多繩摩擦式提升機增產(chǎn)方案分析

李玉輝，劉坤良，張杰，馬小川

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3招金礦業(yè)股份有限公司 山東招遠 265400

提升機是礦井生產(chǎn)的咽喉設備，其產(chǎn)能對礦山企業(yè)的發(fā)展具有至關重要的影響[1]。近年來，隨著行業(yè)發(fā)展以及市場不斷變化，許多在用提升機的產(chǎn)能已滿足不了礦山發(fā)展的實際需要，具有迫切的增產(chǎn)需求。通過增大設備規(guī)格來提高在用多繩摩擦式提升機產(chǎn)能難度較大，因此發(fā)掘在用設備的能力以提高系統(tǒng)產(chǎn)能具有重要的現(xiàn)實意義。

1 提升機產(chǎn)能主要影響因素

提升機年產(chǎn)量

式中：A為年作業(yè)天數(shù)；C為日提升時間；Q為單次提升量；T為提升循環(huán)時間。

由上式可知，決定提升系統(tǒng)年產(chǎn)量的主要因素為年工作天數(shù)、日提升時間、單次提升量[2]和提升循環(huán)時間，其中年工作天數(shù)和日工作時間屬于工作制度問題，與設備本身關系不大。在礦井工作制度確定的情況下，發(fā)掘在用多繩摩擦式提升機能力，可從增加單次提升量、優(yōu)化提升循環(huán)時間兩方面入手。

2 在用提升機主要增產(chǎn)途徑

2.1 增加單次提升量

增加單次提升量是在用摩擦式提升機增產(chǎn)的重要途徑之一。多繩摩擦式提升機單次提升量受到鋼絲繩最大靜張力、鋼絲繩最大靜張力差的限制[3]，如果在用設備的鋼絲繩最大靜張力、鋼絲繩最大靜張力差與設備許用值相比有一定空間，則該方案具有可行性。

增加單次提升量需校核鋼絲繩安全系數(shù)、襯墊比壓、鋼絲繩張力比、防滑系數(shù)、設備安全系數(shù)、制動系統(tǒng)能力、傳動系統(tǒng)能力等，根據(jù)校核結果制定增產(chǎn)實施方案。

2.2 優(yōu)化提升循環(huán)時間

箕斗提升系統(tǒng)完成裝載、提升、卸載為一個提升循環(huán)，提升循環(huán)時間主要受到提升高度、加 (減) 速度、提升速度、爬行時間、休止時間的影響。

目前較常見的提升速度圖為五階段速度圖 (見圖1)，其快速提升循環(huán)時間

圖1 五階段速度圖

式中：v為最大提升速度；a為提升加 (減) 速度；H為提升高度；u為容器爬行階段附加時間；θ為容器裝卸載休止時間。

優(yōu)化提升循環(huán)時間主要可從提高提升速度與優(yōu)化休止時間兩方面考慮。

2.2.1 提高提升速度

提高最大提升速度有助于縮短速度圖中的勻速階段運行時間，但是加速時間及減速時間將加長；同時，最大提升速度不僅關系到系統(tǒng)產(chǎn)能，還關系到電動機容量、系統(tǒng)能耗以及提升安全等方面，提高最大提升速度須進行綜合考慮。另外，最大提升速度還受到安全規(guī)程和經(jīng)濟提升速度的影響。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定[4]：立井提升升降物料時，礦井提升系統(tǒng)的提升速度應小于等于《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》規(guī)定：豎井升降物料時，提升容器的最高速度應不超過在礦山設計時，通常選擇為經(jīng)濟提升速度。

如果最大提升速度大于經(jīng)濟速度，提升系統(tǒng)的經(jīng)濟性降低，提產(chǎn)效果不明顯，容易導致電動機功率選型過大，變頻器容量增加，并且對井筒裝備的沖擊更大容易引起振動等情況，需要投入更多的檢修時間甚至更換罐道。

2.2.2 優(yōu)化休止時間

休止時間是指容器停止運動的時間，這是進行裝載、卸載、發(fā)送信號、準備啟動的過程。

優(yōu)化休止時間可考慮提高裝卸載系統(tǒng)的自動化程度，采用先進高效的裝卸載系統(tǒng)，將裝卸載系統(tǒng)中的手動、半自動操作環(huán)節(jié)升級為全自動運行，縮短裝卸載系統(tǒng)各個機構之間的等待時間和動作時間。

優(yōu)化提升循環(huán)時間除了從技術角度分析優(yōu)化計算外，更需要在整個系統(tǒng)運行中進行實際操作、調整、改進，使提升循環(huán)中的每一個環(huán)節(jié)、每一個指令與動作銜接，都達到安全、高效的程度。

3 案例分析

3.1 設備概況

某礦主井配置 JKM-4.5×6 塔式多繩摩擦式提升機，采用雙電動機驅動，雙箕斗提升。目前該提升系統(tǒng)的提升能力已滿足不了井下原煤的提升需求，具有迫切的增產(chǎn)要求，增產(chǎn)目標為 800 萬 t/a?，F(xiàn)提升系統(tǒng)主要參數(shù)如表 1 所列。

表1 提升系統(tǒng)主要參數(shù)

3.2 方案分析

GB/T 10599—2010《多繩摩擦式提升機》規(guī)定：JKM-4.5×6 多繩摩擦式鋼絲繩最大靜張力為 1 450 kN，最大靜張力差為 440 kN。目前，該提升機鋼絲繩最大靜張力為 1 314.5 kN，鋼絲繩最大靜張力差為400 kN，均小于國標規(guī)定參數(shù)，具備提升空間。

在滿足規(guī)程規(guī)定的條件下，該系統(tǒng)的最大提升速度不能超過 12.51 m/s，目前該提升機運行速度為11.54 m/s，已屬于高速運行范疇，繼續(xù)提高提升速度對于整個提升循環(huán)時間的影響有限，且經(jīng)濟性與可靠性低。目前，該提升系統(tǒng)單次提升循環(huán)時間為 88.5 s，處于合適水平。

對于本提升系統(tǒng)，以提高單次提升量為首選增產(chǎn)方案進行分析驗算。

3.3 系統(tǒng)驗算

3.3.1 鋼絲繩最大靜張力

鋼絲繩最大靜張力差由 400 kN 提升至 440 kN后，在鋼絲繩、提升容器等其他設備不變的情況下，系統(tǒng)最大靜張力由 1 314.5 kN 增加至 1 354.5 kN，小于 1 450 kN，符合標準要求。

3.3.2 鋼絲繩安全系數(shù)驗算

許用安全系數(shù)

式中：h為鋼絲繩懸掛長度。代入h=493 m，計算得 [k]=6.954。

安全系數(shù)

式中：n為主繩數(shù)量；Ft為鋼絲繩最小破斷拉力總和；Fmax為鋼絲繩最大靜張力。代入n=6，F(xiàn)t=1 706.7 kN，F(xiàn)max=1 354.5 kN，計算得k=7.56，大于 6.954，鋼絲繩安全系數(shù)符合要求。

3.3.3 襯墊比壓

襯墊比壓

式中：F1為一側鋼絲繩靜張力；F2為另一側鋼絲繩靜張力；d為鋼絲直徑；D為卷筒直徑。代入F1+F2=2 279 kN，n=6，d=48 mm，D=4 500 mm，計算得p=1.77，小于 2 MPa，襯墊比壓符合要求。

3.3.4 提升設備能力驗算

(1) 主軸裝置能力驗算

提產(chǎn)后提升機動轉矩

式中：Fj為鋼絲繩最大靜張力差；R為卷筒半徑。代入Fj=440 kN，R=2.25 m，計算得Md=1 782 kN·m。

電動機錐面小端直徑為 676 mm，錐面配合長度為 810 mm，電動機錐面與主軸錐面過盈量為 0.7 mm，主軸雙錐面?zhèn)髋つ芰?6937.5 kN·m。6 937.5/1 782=3.89，大于 3，錐面?zhèn)髋つ芰Ψ弦蟆?/p>

另經(jīng)計算，提產(chǎn)后提升機主軸及摩擦輪等關鍵件安全系數(shù)大于 1.5，主軸裝置關鍵件強度符合要求。

(2) 制動力矩倍數(shù)驗算

制動力矩倍數(shù)

式中：N為制動器對數(shù)；Fz為制動器正壓力；f為摩擦因數(shù)；Rec為制動半徑。代入N=12，F(xiàn)p=224 kN，f=0.35，Rec=2.625 m，F(xiàn)j=440 kN，計算得b=4.99，大于 3，總制動力矩滿足規(guī)程要求。

(3) 張力比驗算

張力比

代入?yún)?shù)計算得系統(tǒng)張力比最大為 1.47，小于 1.50，張力比符合要求。

(4) 防滑計算

靜防滑驗算

式中：μ為襯墊摩擦因數(shù)；α為鋼絲繩的圍包角。代入 e=12，μ=0.25，α=190°，計算得 1.99 >1.75，符合要求，驗算通過。

動防滑驗算

式中：m1、m2分別為兩側提升重載質量。代入有關數(shù)據(jù)計算得，重載提升加速階段為 1.81，重載提升減速階段為 2.41，均符合要求，驗算通過。

(5) 電動機容量驗算

代入Fj=440 kN，v=11.54 m/s，η=0.98，計算得P=5 841.6 kW。而電動機功率需增加至總裝機容量，約為 5 900 kW，原電動機能力不足，需要升級電動機容量。

3.3.5 增產(chǎn)后年產(chǎn)量計算

利用式 (1)，代入A=330 d，C=18 h/d，Q=44.89 t，T=88.5 s，計算得QN=966.5 萬 t。

3.4 小結

基于以上理論分析，該提升系統(tǒng)提升機主機、鋼絲繩及制動系統(tǒng)配置具備提產(chǎn)的條件，單次提升量可增加至 44.89 t，增產(chǎn)后提升系統(tǒng)年產(chǎn)量達 966.5 萬 t，但需要做以下工作。

(1) 在用電動機能力不能滿足提產(chǎn)需求，需要進行更換，將新電動機容量增加至 5 900 kW，其他參數(shù)保持不變；

(2) 提升容器、裝卸載設備等需要與提產(chǎn)后單次提升量進行匹配，根據(jù)情況保留原設備或進行改造升級；

(3) 由于電動機容量增加，電控系統(tǒng)需要進行匹配，如果電控系統(tǒng)容量不足，則需對電控系統(tǒng)進行升級改造；

(4) 提升機主機、鋼絲繩、制動系統(tǒng)等設備的驗算結果滿足提產(chǎn)需求，但需對易損件、密封件等進行更換，在實際增產(chǎn)后也需加強日常設備檢查；

(5) 具體改造方案可結合實際生產(chǎn)情況，綜合考慮設備訂貨周期、安裝周期等因素，合理安排改造事宜。

4 結語

提高單次提升量和優(yōu)化提升循環(huán)時間是深挖在用多繩摩擦式提升機產(chǎn)能的兩個主要途徑。以提升系統(tǒng)實際運行情況和設備能力為基礎，經(jīng)過科學分析、詳細驗算，方可制定出符合提升系統(tǒng)具體情況的、切實可行的改造方案，達到提升系統(tǒng)產(chǎn)能的目的。