鋼帶過卷緩沖裝置過度段長度的分析與選擇*

張安寧,張彪,姚志強

(1．安徽理工大學， 安徽 淮南 232001；2．中國煤炭學會 煤礦機電一體化專業委員會， 上海 200030)

0 引言

鋼帶式過卷緩沖裝置因其緩沖力穩定、可靠性高等卓越性能正在被越來越多的應用到煤礦提升設備中[1]，發生過卷時為減小緩沖裝置過卷緩沖力對提升系統的沖擊，鋼帶式過卷緩沖裝置在其過卷長度內一般設有過渡段，使過卷緩沖力能夠逐步增加。過渡段長度過短則達不到應有的效果，過長則會增加最大過卷緩沖力，不僅使鋼帶式過卷緩沖裝置規格增大，還增加了對提升系統的影響。因此,鋼帶過卷緩沖裝置過度段長度對過卷制動性能影響的分析十分必要。本文通過理論和實例對過渡段長度系數對過卷緩沖力、過卷速度、加速度進行了分析，其結果可為解決類似工程問題提供參考。

1 鋼帶式過卷緩沖裝置緩沖力的確定

1.1 鋼帶式過卷緩沖裝置緩沖力特性

鋼帶式過卷緩沖裝置的緩沖力特性可設計為多種形式，一般多為雙階段式。如圖1所示，過渡段長度為s1，總長度為s2，并令過渡段系數為

(1)

則過卷緩沖裝置的緩沖力表達式為

(2)

式中：F為過卷距離為s時緩沖裝置的緩沖力，N;Fm為過卷緩沖裝置的最大緩沖力，N;s為提升系統的過卷距離，m。

圖1 鋼帶式過卷緩沖裝置的緩沖力特性圖

為便于分析，取等重尾繩摩擦提升系統為研究對象，將提升系統作為整體考慮，假設過卷時摩擦輪與提升鋼絲繩失去摩擦力，并以等效緩沖力代替過卷、過放緩沖裝置的緩沖力，則有

(3)

式中：Fe(s)為過卷s時緩沖裝置的等效緩沖力，N；Ft(s)為過卷s時過卷緩沖裝置的等效緩沖力，N；Ff(s)為過卷s時過放緩沖裝置的等效緩沖力，N；m為鋼帶式過卷緩沖裝置的數量；n為鋼帶式過放緩沖裝置的數量。

1.2 鋼帶式過卷緩沖裝置緩沖力的確定

按功能原理可知，等效緩沖力在過卷距離s內所做的功為提升系統機械能的變化量[2]，即:

1) 當s≤s1時:

(4)

2) 當s>s1時:

(5)

式中：v0為過卷初始時提升系統的初速度，m/s；v為過卷s時提升系統的速度，m/s；Q為提升系統的載重，N；M為過卷時提升系統對緩沖裝置作用質量，kg。

則過卷s時提升系統對緩沖裝置的等效緩沖力為:

(6)

為使提升系統在過卷高度s2內停下，則有

(7)

由式(6)、式(7)可知，下放重載時系統所需過卷緩沖力大于上提重載時的過卷緩沖力。

2 系統過卷速度、加速度分析

2.1 系統過卷速度分析

由式(4)、式(5)可得:

當s≤s1時

(8)

當s>s1時

(9)

由式(8)、式(9)可知，下放重載時系統過卷速度大于上提重載時的過卷速度；過卷速度是隨著過渡段系數k的增加而增加。

2.2 系統過卷加速度分析

分別對式(8)、式(9)對時間t進行微分，并整理可得

當s≤s1時:

(10)

當s>s1時:

(11)

由式(10)、式(11)可知，上提重載時系統過卷減速度值大于下放重載時的過卷減速度值。

3 實例分析

本文選取某礦副井提升系統進行實際分析，也為實際使用作為參考分析。該礦井選用洛陽中信重工機械公司生產的JKMD-4.5x4(Ⅲ)型落地式提升機，具體參數見表1所示。

表1 JKMD-4.5x4(Ⅲ)型落地式提升機參數

將上述參數代入相關公式可得結果，如圖2～4所示。

1) 圖2曲線反映出下放重載時所需過卷緩沖力大于上提重載時所需過卷緩沖力；所需過卷緩沖力隨著過渡段系數k的增加而增大。當k=1時所需過卷緩沖力約為k=0時的2倍。

2) 圖3曲線反映出下放重載時系統過卷速度大于上提重載時的過卷速度；當過渡段長度系數k增加時過卷速度也在增大；在過卷前半程速度變化較小，過卷后半程速度變化較大。

3) 圖4曲線反映出下放重載時系統過卷減速度值略小于上提重載時的過卷減速度值；在過渡段過卷減速度值逐漸增大，超出過渡段后過卷減速度值保持不變；最大過卷減速度值隨過渡段長度系數k的增加而增大，當k=0時最小，當k=1時最大，約為k=0時的2倍；過渡段長度系數k越大，在過渡段過卷減速度變化越小。

圖3 提升系統過卷時運行速度與過卷距離的關系

圖4 提升系統過卷時運行加速度與過卷距離的關系

4 結論

通過上述分析，可以得出結論：

1) 鋼帶式過卷緩沖裝置過渡段長度對過卷緩沖性能影響很大，應適當設置。

2) 下放重載時系統所需過卷緩沖力大于上提重載時的過卷緩沖力，對既有上提重載工況又有下放重載工況的提升系統應按下放重載工況設定鋼帶式過卷緩沖裝置的過卷緩沖力。

3) 過渡段長度對過卷速度影響不明顯，但對過卷減速度影響很大；在過渡段過卷減速度值逐漸增大，超出過渡段后過卷減速度值保持不變；最大過卷減速度值隨過渡段長度系數k的增加而增大；過渡段長度系數k越大，在過渡段過卷減速度變化越小。

4) 雖然當k=0時減速度最小，但當剛進入過卷時，減速度瞬間由零變為某個值，對系統沖擊很大，應避免使用；雖然當k=1時減速度變化最小，但其最大減速度很大，系統產生的慣性力很大，也應避免使用。