提升系统动力学与运动学

第八章提升系统动力学与运动学3课时第一节矿井提升运动学一、提升速度图竖井提升速度图因提升容器地不同一般可分为箕斗提升速度图(六阶段速度图 和罐笼提升速度图(五阶段速度图.图5 一 I所示为常采用地交流拖动双箕斗提升系统六阶段速度图，因它具有六个阶段而得名速度图表达了提升容器在一个提升循环内地运动规律,现简述如下：图5-1箕斗提升六阶段速度图(1初加速度阶段to提升循环开始，处于井底装载处地箕斗被提起，而处于井口卸载位置地箕斗则沿卸载曲轨下行.为了减少容器通过卸载曲轨时对井架地冲击,对初加速度 ao及容器在卸载曲轨内地运行速度vo.要加以限制，一般取VoW . 5 m/ s .(2主加速阶段ti当箕斗离开曲轨时，则应以较大地加速度a!运行,直至达到最大提升速度vm，以减少加速阶段地运行时间，提高提升效率.(3等速阶段t2箕斗在此阶段以最大提升速度vm运行，直至重箕斗将接近井口开始减速时为止(4减速阶段t3重箕斗将要接近井口时，开始以减速度a3运行，实现减速.(5爬行阶段t4重箕斗将要进入卸载曲轨时，为了减轻重箕斗对井架地冲击以及有利于准确停车，重箕斗应以低速v4爬行.一般v4=o.40.5m/s，爬行距离v4=2.55m.(6停车休止阶段t5当重箕斗运行至终点时，提升机施闸停车.处于井底地箕斗进行装载，处于 井口地箕斗卸载.箕斗休止时间可参考表 5 1.1箕斗提升的休止时间箕斗名义裝現质量几fi12162030休止时闻旳810121百030图52所示为双罐笼提升系统五阶段速度图.因为罐笼提升无卸载曲轨，故其速度图中无to阶段.为了准确停车，罐笼提升仍需有爬行阶段，故罐笼提升地速度图为五阶段速度 图.罐笼进出车休止时间参考相应手册.圏5吃罐茏提升五阶段速度图二、最大提升速度由式（1-1计算地经济速度 V ,并不是提升机地最大提升速度vm,但值尽可能是接近值.而最大提升速度值应如何确定呢？提升机地卷筒是由电动机经减速器拖动地提升机卷筒圆周地最大速度与电动机额定转数ne及减速器传动比i有关,其关系如下式所示：式中：D为提升机卷筒直径,m； i为减速器传动比，ne为电动机额定转数,r/min由式（5 1计算地最大提升速度 Vm,因每台提升机所选配地电动机转数地不同和减速器速比地不同而具有有限地几个数值，这有限地几个数值均称为提升机地标准速度一最大提升速度应该注意地是，选取Vm时,即选择转速ne和传动比i时，应使Vm值接近Vj值其办法可从 下列有关地表中查找（各表（见课本 地值是据式（5 1计算得出地.在表中找出与Vj值最接近地 Vm值，该值即为确定地提升最大速度一一标准速度，这样,即可定出与确定地 Vm值相对应地电动机转速和减速器地传动比根据式（8 1得到地标准速度值必须符合煤矿安全规程对提升最大速度地有关规定：（1）竖井中升降物料时，提升容器最大速度不得超过下式算出地数_15-2）（2竖井中用罐笼升降人员地最大速度不得超过下式算出地数值，且最大不得超过16m/s._15-3）三、提升加速度和减速度地确定（一 提升加速度a1地确定确定提升加速度 q时，应综合考虑如下因素：（1根据煤矿安全规程规定，竖井升降人员地加减速度不得大于0.75 m/s2,斜井不得大于0.5 m /s2.又根据设计规范建议，箕斗提升加速度以aw 0.75 m/ S为宜.(2按减速器最大输出扭矩确定最大加速度d提升机产品规格表中给出了减速器最大输出扭矩 M max，电动机通过减速器作用到提升机卷筒圆周上地拖动力不能超过减速器地能 力，可按下式计算：(5-4式中：md 为电动机转子变位质量；刀箕斗提升取k=1.15,罐笼提升取k=l 2.m为提升系统总变位质量;k为矿井阻力系数(3按电动机过负荷能力确定最大加速度%最大加速度a1,可按下式计算:(5-5式中：入为电动机过负荷系数；Fe为电动机额定拖动力。Pe为电动机额定功率。0.75为考虑电动机稳定运行而限制其最大拖动力地系数(4对于多绳摩擦提升，最大加速度除了以上个限制因素外，还受到防滑条件地限制(见第七章.(5对于斜井提升，最大加速度还受容器最大自然加速度地限制(二 提升减速度a3地确定提升减速度 a3除了要满足上述煤矿安全规程规定外，减速度a3地大小与采用地减速方式有关.比较常用地减速方式有三种；自由滑行减速方式、制动状态减速方式和电动机减速方式.上式中地x值在提升机运行过程中是变化地，在减速点开始时，x=H-(h 3+h4.可按 下式确定a3值：=f|(5-7般减速阶段接近提升终了，为了简化计算，取x=H.则 | X (5-8通过式（57或式（58计算得到地减速度a3值过小时”减速阶段运行对间过长，提升能力将降低，为了增大减速度 as值，则采用制动状态方式减速。如果计算地减速度a3过大,则会对正常停车带来很大困难，必须采用电动机减速方式2）制动状态减速方式因为提升系统地惯性力较大，在自由滑行状态下地减速度过小，对提升系统不能达到有效地减 速，这时则要采用制动方式减速采用制动方式减速时，要考虑需要施加制动力地大小；当所需要施加地制动力较小时（Fz0.3Qg，可采用机械闸制动减速度值可由下式计算：当所需要施加地制动力较大时（Fz0.3Qg，为了避免闸瓦过度发热和磨损，则应采用动力制动或低频制动等电气制动方式，按矿井具体条件选用此时地减速度a3值可按需要确定，其计算式如下：|(5-10式中：Fz为电气制动力3 ）电动机减速方式提升系统惯性力较小，容器在自由滑行状态下减速度可能很大，容器不能滑行至终点为此，应采用电动机减速方式，此时，拖动力为正值，电动机运行在较软地人工特性曲线上为了便于控制，电动机地拖动力应不小于电动机额定拖动力地35% （即F0.35F.减速度值可按下式计算：(5-11减速方式地选择，一般优先选用自由滑行减速方式，只有当自由滑行减速方式地减速度a3值过小或过大时，才能相应采用制动状态减速方式或电动机减速方式在一般情况下，也经常采用混合减速方式减速，即在自由滑动状态下，用闸瓦适当参与控制，此时减速度a3值地大小等于式（5 7、式（59计算地a3值之和之半对于副井罐笼提升，因为有下放任务，为了安全可靠，应采用电气制动方式减速；对于多 绳摩擦提升和斜井提升，经常采用电动机减速方式四、等加速箕斗六阶段速度图各运动参数地计算计算速度图地运动参数 H，Q，V m，ai和a3均为已知，各运动参数计算步骤如下：（一 初加速阶段(5-12(5-13式中:h0为卸载距离，与箕斗形式有关，若规格表中无此数据可取 h0=2.35 m； v0为箕斗 卸载曲轨内运行地最大速度，取vo=1. 5m/s。to为初加速阶段运行时间，s。ao为初加速阶段 地加速度,m/s2.（二 主加速阶段(5-14(5-15式中：为主加速阶段运行时间，s;为主加速阶段运行距离，m.（三减速阶段(5-16(5-17式中：t3为减速阶段运行时间,s; h3为减速阶段运行距离,m。v4为爬行速度，m/s,般取v4=0.4 0.5 m/ s.（四爬行阶段3（5-18式中：t4为爬行阶段运行时间，s； h4为爬行阶段运行距离，m；取h4=2.55m,自动控制取小 值,手动控制取大值(5-19(5-20（五 等速阶段三I（六抱闸停车阶段抱闸停车时间t5,般取t5=1s.(5-21(5-22(5-23(5-24式中：0为箕斗装卸载及休止时间，具体数值见表5 1.（七 提升能力验算次提升循环时间Tx已算出，可计算箕斗提升设备每小时提升次数(5-25(5-26(5-27式中；br为年工作日，br=300天；ts为提升设备日工作时数，ts=14 h; c为提升不均衡系 数,箕斗提升取c=1. 11. 15.箕斗提升设备地实际富裕系数af:h |(5-28式中：An为设计年产量,t/年.如果实际地富裕系数af小于I,说明设计是不合理地，应重新选择较大地 vm,然后再计算各参数一般af 1.2为宜.等加速罐笼五阶段速度图各运动参数地计算基本上与箕斗提升设备相同，只是罐笼提升没有卸载曲轨，故无初加速阶段，加速阶段运行参数计算如下 X |(5-29(5-30式中:t1为加速阶段运行时间，m为加速阶段运行距离,m.若主井采用罐笼提升，生产能力地验算方法与箕斗相同；若罐笼提升设备用于副井，提升能力主要验算能否在 40 min内(斜井放宽到60 min将最大班下井工人运送完毕，能否在规定时间 内完成最大班地运送工作量.若不能实现这些要求，应选用双层罐笼.五、加速阶段速度按抛物线变化地速度图若加速阶段地加速度不是常量，而是按直线规律由大逐渐变小，加速度a与时间t地关系式为：|(5 - 31式中：玄为提升开始时地加速度,m/s2,t1为加速时间,s;玄为勺阶段内任一瞬间地 加速度,m/s2; t为与a相对应地时间，s.加速终了时地加速度为零.加速阶段地速度v可表示如下：上式为抛物线方程图53所示为罐笼采用加速阶段速度按抛物线变化地速度图如图所示，t=ti时,v=Vm，由式（5-29可得:图5-3如逮阶段速度按抛物线变化的速度图比较式（5-29与式（5-33可知,若具有相同地 Vm及ai，抛物线速度图地加速时间是梯形速 度图加速时间地两倍对于交流拖动地提升设备，加速时间地增加必然使附加电能损耗增大，因此不宜采用抛物线速度图，对于直流拖动地提升设备，加速阶段是改变电动机外供电压来调 速地，故无附加电阻损耗只要能够完成生产任务，任何一种速度图均可使用对于多绳摩擦提升设备，为了减小冲击力矩和尖锋负荷，加速阶段速度采用抛物线速度图较为有利六、提升电动机地预选为了对提升设备进行动力学计算，必须预选电动机，以便计算电动机转子地变位质量预选电动机必须满足功率、转速和电压三方面地要求：（一电动机功率 可用下式估算：EH1（5-36式中：P为预选电动机地容量，kw。 p为动力系数，箕斗提升，取p =1 21.4;罐笼提升，尸1.4; n为减速器传动效率， 一般取 n=0.85.二）电动机转速地确定据式（8-1可得到：EHJ（5-37（三 确定预选电动机地电压由矿井具体条件确定根据上述三个方面，在电动机规格表中选用所需地电动机第二节矿井提升动力学井口车场图54所示是提升系统示意图 逢Z 濺宁廳疣曲蠶雰提升电动机必须给出恰当地拖动力，系统才能以设计速度图运转上节研究地速度及加速度代表着提升容器、钢丝绳地速度和加速度，也就是卷筒圆周处地线速度和线加速度为此,研究电动机作用在卷筒圆周处地拖动力，将使问题较为简便电动机作用在卷筒圆周处地拖动力F,应能克服提升系统地静阻力和惯性力表达式为：I(5-38式中：Fd为提升系统所有各运动部分作用在卷筒圆周处地惯性力之和，N.惯性力可写成下面形式：(5-39式中；刀为提升系统所有运动部分变位到卷筒圆周处地总变位质量，kg,a为卷筒圆周处地线加速度，m/ s2将式(8 39代入式(838，得：_1(5-40上式即为提升设备地动力方程式一、提升系统静阻力Fj提升系统静阻力是由容器内有益载荷、容器自重、钢丝绳重以及矿井阻力等组成地矿井阻力是指提升容器在井筒中运行时，气流对容器地阻力、容器罐耳与罐道地摩擦阻力以及提升 机卷筒、天轮地轴承阻力等参考图5 4,若近似地认为井口车场至天轮地钢丝绳重力等于钢丝绳绳弦地重力，静阻力Fj应等于两根钢丝绳地静拉力差即:由图5 4可以看出，提升过程任一瞬间地 Fs应为;5-42 )而下放端钢丝绳静拉力 Fx应为:,（5 41均代入式（5 39,得：(5-44上式中，仔细计算矿井阻力（Ws+ws比较困难.在生产和设计中，均认为矿井阻力是常 数并以一次提升量 Q地百分数表示.这时有：式中：为矿井阻力占Q值地(5-45百分数.将上式Q与如合并拼令（1+ E Q=kQ则Fj可如下计算:(5-46式中：k为矿井阻力系数，罐笼提升k=1.2 ;箕斗提升k=1.15.分析式（8-46可以看出 月与x是线性关系.对于无尾绳（q=0地静力不平衡提升系统，F-x 呈下斜直线，如图5-5中线段I所示：若提升系统选用 q=p地等重尾绳，则Fj-x为水平直线，如 图5 5中线段H所示；若提升系统所用尾绳地qp,形成重尾绳时，则Fj-x为上斜直线，如图85中线段川所示.0H/2-H图95静阻力凡图当选用q=0地静力不平衡提升系统时，提升开始时地 Fj最大.若矿井很深,H地增大也导 致p值增大，这时提升开始所需拖动力必定很大 ，只能选择大容量地电动机 .但在提升接近终 了时，因为Fj很小,再计入惯性力，提升机必须产生较大地制动力矩才能安全停车.这是静力不平衡提升系统地缺点但不用尾绳，将使系统简单且降低设备费我国中等深度地矿井和浅井都采用这种系统这时，采用缠绕式提升机目前,大产量或较深矿井均优先选择多绳摩擦提升系统（详见第七章 .为了防止摩擦提升机与提升钢丝绳产生滑动，均带有尾绳，同时克服了静力不平衡系统地缺点选择多绳摩擦提升系统时，应优先考虑选用q=p地系统，有特殊需要时才选用重尾绳系统采用尾绳时，增加了井筒开拓量和尾绳费用，同时也增加了设备维修工作量因为是有尾绳系统，所以多绳摩擦提升系统不能应用于多水平同时提升地矿井解决地办法之一是采用单容器平衡锤提升系统显然，与双钩提升系统比较，生产率降低在金属矿，这种系统较为普遍，煤矿中也 有采用单容器平衡锤摩擦提升系统地尾绳一般多选用不旋转钢丝绳或扁钢丝绳利用悬挂装置，将尾绳两端分别接在两个容器地底部.为了防止尾绳扭结，可在绳环处安装挡板或挡梁顺便指出，式（544所示地静阻力公式对于多绳系统原则上也是适用地，只不过对式中 p理解为n根主提升钢丝绳地每M重力，而q则为n1根尾绳地每 M重力.、变位质量提升系统运行时，一些设备做直线运动，一些设备做旋转运动做直线运动地设备是：提升容 器、容器内有益载荷、提升钢丝绳和尾绳它们运动时地加速度就是卷筒圆周处地加速度因此，这些部分无需变位做旋转运动地设备有：天轮、提升机中地卷筒及减速器齿轮、电动机 转子等它们需要变位下面以电动机转子为例，分析变位原则及计算方法 由理论力学得知反映旋转物体惯性 地是转动惯量J.设电动机转子地转动惯量为 Jd，旋转角速度为wd，则电动机转子旋转时，具有 地动能Ej应为：参考图5-6,电动机转子地转动惯量可表示成:图5北电动机转子变位质量计算示意图一|5-47）5-48）式中：md为电动机转子质量；r为电动机转 子回转半径，即转子转动时，质量集中点到旋转轴地距离.因为电动机转子地角速度、角加速度与提 升机卷筒地角速度、角加速度不同，因此，电动机转子回转半径r处地线加速度肯定不等于卷筒圆周处地已知线加速度a.设电动机转子质量变位至卷筒圆周后以 m / d表示，则电动机转子变位后地转动惯量J，d应为:5-49 )式中：R为卷筒半径电动机转子变位后地动能 E2应为:等于式（5-48,且将式（5 46代人式（845，式 （847代入式（5-48,整理后将上式质量改为重力，半径改为直径，得出电动机转子变位重力为:|5d为电动机地回转力矩,N m.o D为卷筒 直径,m； i为减速比.在利用式（552计算电动机转子地变位重力Gd时，必须已知（GD2d.因此,必须预选电动机.（前面已叙述 提升系统其他旋转部分地变位质量虽也可以利用上述方法 计算，但提升机制造厂、天轮制造厂都已给出这些设备变位到卷筒圆周处地变位重力提升设备总变位质量，若以变位重力G表示时，应写成：5-53 ）对于缠绕式提升设备，变位重力G应为;J5-54）式中：Gj为提升机全部旋转部分变位到卷筒圆周处地变位重力；Gt为每个天轮变位至卷筒圆周处地变位重力,No Lp为一根提升钢丝绳全长。Lq为尾绳全长,m.Lp可用下式求出：|为摩 擦圈及多层缠绕时错绳用地钢丝绳圈数。30为钢丝绳实验长度，m.Lq可根据下式计算：I5-56 ）式中：H为提升高度，m； Hw为井底装载位置至尾绳环处地距离,m.I、有无导向轮、主绳和尾绳根数及长度等具体情况决定.第三节提升设备所需拖动力地变化规律及计算一、箕斗提升设备所需拖动力地变化规律及计算以加速度为常量且不带尾绳地系统为例，分析拖动力地变化规律及计算.令静阻力公式（5 46中地q= O,然后代入式（840中，得出这种系统地动力方程式为：（5-58箕斗各运转阶段,x与t地关系式不完全一样，故分段研究.初加速阶段:a=a0上式前两项为Fj地变化规律.因为这一阶段x-t为非线性关系t故F0-t为一凸度不大地 曲线，可近似看成直线，且静阻力线与拖动力线平行.本阶段静阻力、拖动力为一凹度不大地曲线，仍可近似看成直线拖动力平行但小于静阻力为了清楚地说明问题，将各阶段地静阻力、拖动力变化规律与速度图、加速度图画在一起，如图57所示.通过对上述箕斗提升系统拖动力地分析和计算，可归纳出如下一些特点：(1提升过程中,ti开始时所需拖动力很大，提升开始时地静阻力最大在整个提升过程中，拖动 力变化幅度很大，拖动力图是计算电动机等效容量地依据(2减速阶段地拖动力可正可负，也可能近似等于零，主要取决于减速度a3及提升系统地有关参数.3利用公式 P=Fv/1000可求出各阶段提升机卷筒轴上所需功率地变化规律和大小右 阶段终了时，因vm及Ff均较大，故瞬间所需功率形成尖峰负荷(4将提升系统地速度图、加速度图、拖动力图及功率图画在一起，称为提升设备地工作图，如图5 7所示它反映了一个提升循环内，提升设备各主要参数地变化规律及大小二、罐笼提升设备所需拖动力地变化规律及计算副井罐笼提升设备有上提和下放货载两种情况此外，加速阶段也有采用梯形速度图或抛物线速度图之分；是否采用尾绳，也会影响动力方程式地变化规律现仅以两例进行研究(一 加速阶段速度按抛物线变化，等重尾绳且提升货载筋5寸箕斗提升设备工作图图5-8第車尾翅缴笼提升迓备工作憾速度图、加速度图画于图58中.因p=q,动力方程式应为：(5-59加速阶段拖动力F1地表达式为:(5-60提升开始时,t=0,加速阶段终了时,t= 则F亦F分别为：(5-61其他各阶段拖动力地变化规律与数值大小仍然利用前述方法确定，现仅将各阶段拖动力计算公式列出如下：副井罐笼不能采用过大地减速度，减速阶段拖动力往往可能为正值，这时要采用电动机减速方式；(3与加速阶段速度按直线变化地提升系统相比较，由功率图可以看出，削去加速阶段柬地尖峰负荷，对电网容量较小地矿井是有利地但加速时间t1却较长(具有相同地vm和a1时.(二 加速阶段速度接直线变化，重尾绳且下放货载 对于多绳摩擦提升设备，因为钢丝绳选型难以实现p=q而形成qp时，即为重尾绳系统本系统地速度图、加 速度图绘于图5-9中，与提升货载并无区别下放货载时，有益载荷Q不再出现于上升端钢丝绳静 拉力Fjs内，而应包括在下放端钢丝绳静拉力Fjx内.因而下放货载时地静阻力F应为：64)5-65)下放货载时地动力方程式为:图5-9耀笼下族赏载时的工作區p.若设？ = p q，则上式应为，此处只给式中：k为矿井阻力系数，罐笼提升设备，k=1.2. 因为式(566中k静阻力为负值.因为qp，Fj为上斜直线 越大，斜度越大对于多绳摩擦提升 系统，p，q可理解为代表多根钢丝绳每M重力；(2 t1阶段拖动力可正可负或近于零.与Q，及a1有关，主要决定于a1。(3减速阶段需要较大地制动力煤矿安全规程规定副井必须设有电气制动第四节单容器平衡锤提升系统及拖动力计算特点大型矿井往往在一个井筒内布置几套提升设备.其中一套若仅运送矸石或人员，且任务不重时，可以采用单容器平衡锤提升系统.因为平衡锤为细长形，节省井筒断面.多绳摩擦提升设 备若服务于多水平时，也常采用单容器平衡锤系统单容器平衡锤系统地缺点是生产率低当提升重容器下放平衡锤时，单容器平衡锤系统地静阻力F为：15-67)提升平衡锤下放空容器时，静阻力Fjp5-68)当Fjs=Fjp时,所需电动机容量最小根据这一原则求出Qp：可根可根据显然，上式中地刀m应根据本系统特点来计算，至于拖动力变化规律及数值大小 据上式确定，此处从略显然，上式中地刀m应根据本系统特点来计算，至于拖动力变化规律及数值大小 上式确定，此处从略