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超深井用多繩纏繞式提升機(jī)選型研究

發(fā)布時(shí)間：

2023-09-01

來源：

近年來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量大幅度增長(zhǎng)，這促使我國(guó)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。目前我國(guó)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。我國(guó)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(guó)提升機(jī)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)廠家所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

目前我國(guó)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(shí)提升能力過小；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。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)提升深度超過 1 400 m 到 1 500 m 時(shí)，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。

多繩纏繞式提升機(jī)采用 2 根或以上鋼絲繩同時(shí)提起一個(gè)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(duì)我國(guó)深部資源的開發(fā)利用具有現(xiàn)實(shí)的意義，其選型設(shè)計(jì)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(gè)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)。目前，多繩纏繞式提升機(jī)都采用 2 根鋼絲繩提起一個(gè)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(gè)提升容器，并通過同步裝置對(duì)鋼絲繩進(jìn)行同步，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。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(diǎn)：

(1) 萬向聯(lián)軸器連接了 2 個(gè)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率；

(2) 萬向聯(lián)軸器讓 2 個(gè)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(shí)，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(dòng)、沖擊、擠壓及摩擦磨損等現(xiàn)象，同時(shí)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。

應(yīng)用于超深礦井時(shí)，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。根據(jù)對(duì)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。

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?yàn)榕まD(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。超深井提升時(shí)，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(jì)算與選擇

2.2.1 確定提升速度

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

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

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

2.2.2 計(jì)算提升循環(huán)時(shí)間
多繩纏繞式提升機(jī)的提升循環(huán)時(shí)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(shí)間，一般取 10 s；θ 為容器裝載時(shí)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(shí)間 T1=2T。

2.2.3 一次提升量的計(jì)算及提升容器的選取

多繩纏繞式提升機(jī)一次提升量

式中：c1 為礦井提升的不均勻系數(shù)，無特殊要求時(shí)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(shí)間，h；bτ 為礦井的年工作時(shí)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(duì)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(guó)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。對(duì)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(guó)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。

2.3 鋼絲繩安全系數(shù)的確定

我國(guó)纏繞式提升機(jī)選擇鋼絲繩時(shí)，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(jì)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(guó)及南非對(duì)纏繞式提升機(jī)鋼絲繩安全系數(shù)的規(guī)定。

需要注意，我國(guó)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(guó)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(duì)于多繩纏繞式提升機(jī)，我國(guó)提升鋼絲繩的安全系數(shù)

南非等國(guó)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(jì)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(jì)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)規(guī)程時(shí)的鋼絲繩直徑：

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

2.5 卷筒直徑 D 的計(jì)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(guó)家對(duì) 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

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(yàn)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(duì)提升機(jī)的纏繩區(qū)寬度 L 進(jìn)行驗(yàn)算。需要指出的是，多繩纏繞式提升機(jī)卷筒寬度的計(jì)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(gè)纏繩區(qū)寬度與中間擋繩板厚度之和，如圖5 所示。

應(yīng)用于超深井時(shí)，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(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)平行折線繩槽進(jìn)行了研究，相關(guān)成果已在一些項(xiàng)目上得到應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的效果來看，鋼絲繩在平行折線繩槽上纏繞時(shí)，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。

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(yàn)長(zhǎng)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(shí)，上層到下層過渡段鋼絲繩每季度需錯(cuò)動(dòng) 1/4 圈，共取 4 圈。

纏繩區(qū)寬度 L 的驗(yàn)算公式如下。單層纏繞時(shí)，提升高度

2 層纏繞時(shí)，提升高度

3 層纏繞時(shí)，提升高度，

4 層纏繞時(shí)，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(yàn)繩長(zhǎng)，取 30 m；ng 為多層纏繞時(shí)供移動(dòng)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(hào)。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)。

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(duì)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(dòng)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(diǎn)。根據(jù)資料，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(bào)告其鋼絲繩壽命非常短。目前國(guó)內(nèi)多繩摩擦式提升機(jī)提升高度最深的是云南會(huì)澤鉛鋅礦 3 號(hào)豎井，提升高度為 1 523 m，采用 1 臺(tái) 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(tái) 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(shí)，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(guó)的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為：在深井和超深井提升時(shí)，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(guó)內(nèi)學(xué)者據(jù)此推薦：在超深井選型時(shí)，多繩摩擦式提升機(jī)的安全系數(shù)修正公式

3.2 多繩纏繞式提升機(jī)與多繩摩擦式提升機(jī)選型對(duì)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(duì)其進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，得到選型對(duì)比結(jié)果如表5 所列。

表5 選型結(jié)果的對(duì)比

注：本表計(jì)算基于特定的提升深度和有效載荷以及鋼絲繩廠家提供的鋼絲繩型號(hào)與參數(shù)，具體選型時(shí)還應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(shí)，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(yàn)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(duì)超深井用多繩纏繞式提升機(jī)的選型進(jìn)行了探討，對(duì)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(guó)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(jì)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(hào)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(duì)比，當(dāng)提升深度從 1 500 m 增加到 1 600 m 時(shí)，多繩摩擦式提升機(jī)出現(xiàn)了因?yàn)閺埩ψ兓秶拗贫鴮?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(guó)外學(xué)者的結(jié)論相符。我國(guó)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(guó)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(guó)外已經(jīng)有了六十多年的歷史，但是在國(guó)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(guó)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(guó)超千米深井的提升需要，并填補(bǔ)我國(guó)超千米深井高速重載提升設(shè)備的空白。

 

引文格式：

[1]劉勁軍.超深井用多繩纏繞式提升機(jī)選型研究[J].礦山機(jī)械,2023,51(8):26-32.

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