基于模擬分析對礦井提升機(jī)制動性能影響因素的研究

馮 浩

（大同煤礦集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037001）

引言

礦井提升機(jī)作為煤礦企業(yè)生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，具有控制復(fù)雜、運(yùn)行速度快、慣性質(zhì)量大、工況運(yùn)行繁瑣等特點(diǎn)，對煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全工作起著關(guān)鍵的作用。因此對提升機(jī)制動性能影響因素進(jìn)行研究。

1 礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)組成

礦井提升機(jī)是工礦企業(yè)聯(lián)系井下與地面的重要生產(chǎn)設(shè)備，也是四大運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備之一，主要用于煤炭、矸石、材料設(shè)備、人員沿井筒的提升工作。目前常見的礦井提升機(jī)按鋼絲繩的工作原理主要分為纏繞式礦井提升機(jī)和摩擦式礦井提升機(jī)兩種，主要由驅(qū)動電機(jī)、減速器、卷筒（或稱摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機(jī)驅(qū)動[1-2]。本文重點(diǎn)對多繩摩擦式礦井提升機(jī)進(jìn)行研究，其工作原理如圖1 所示：電機(jī)帶動卷筒轉(zhuǎn)動時，通過搭放在卷筒上的鋼絲繩與卷筒之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)容器的提升與下放工作，纏繞式提升機(jī)具有鋼絲繩直徑短、設(shè)備尺寸小、提升速度快、能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于產(chǎn)量較大（120 萬t/a）、開采較深的礦井。

2 礦井提升機(jī)模型建立

2.1 建立物理模型

本文采用Pro/Enginee 作為建模軟件，對礦井提升機(jī)制動系統(tǒng)進(jìn)行物理模型的建模工作，結(jié)合多繩摩擦提升機(jī)的機(jī)械組成，如圖2 所示，本次建模主要包含摩擦輪（卷筒）、（上、下）天輪、提升機(jī)主軸、罐耳導(dǎo)輪等主要部件。為便于系統(tǒng)地計(jì)算與提升結(jié)果精度，在不影響運(yùn)行的前提下，本次三維模型的構(gòu)建對部件的圓孔、倒角等非關(guān)鍵特征部位進(jìn)行了適當(dāng)簡化。

2.2 建立提升機(jī)動力學(xué)模型

圖1 摩擦式礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 礦井提升機(jī)主要部件三維模型圖

針對提升機(jī)動力制動系統(tǒng)的分析工作，本文采用ADAMS（機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析）軟件進(jìn)行模擬研究，首先需要將在Pro/Enginee 中已建立好的提升機(jī)物理模型保存為x_t 格式，在導(dǎo)入ADAMS 中，并分別對卷筒與主軸、主軸和機(jī)架、卷筒和繩索之間添加約束；其次在邊界條件設(shè)定中，需將其接觸類型定義為柔性線—面接觸，導(dǎo)輪與罐道之間接觸類型設(shè)置為幾何面—面接觸類型[3-4]。最后對主軸施加驅(qū)動力，該礦井提升機(jī)動力系統(tǒng)模型所有條件均定義完成，如圖3 所示。

圖3 礦井提升機(jī)動力學(xué)仿真模型

3 不同因素對提升機(jī)制動過程的影響

3.1 提升速度對提升機(jī)制動性能的影響

由實(shí)際經(jīng)驗(yàn)判斷，提升速度是影響提升機(jī)制動性能的主要因素之一，在將提升機(jī)動力性學(xué)仿真模型導(dǎo)入ADAMS 軟件后中，分別對提升機(jī)設(shè)置以4.5 m/s 和7.5 m/s 的提升速度，并對該工況條件進(jìn)行分析研究，所得結(jié)果如圖4 所示[5]。

由圖4 可以看出，不同得提升速度對提升機(jī)制動效果的影響變化趨勢大體相同，且峰值也十分接近，但是具體制動時間卻相差較大。分析認(rèn)為：無論速度大小，只要提升機(jī)處于勻速狀態(tài)且提升物質(zhì)量相同，其在制動過程中所需的制動力相差不大；但是提升速度越大，在制動過程中罐籠以及提升物所擁有的慣性也越大，從而導(dǎo)致摩擦輪做剎車運(yùn)動所消耗的時間較長；另外，在此過程中，提升速度越大，提升鋼絲繩所受到的張力差值反而有下降的趨勢。

3.2 制動減速度對提升機(jī)制動性能的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，不同大小的減速度對提升機(jī)制動性能也會產(chǎn)生不同的影響，在此次仿真模擬中，分別賦予提升機(jī)0.8 m/s2與3 m/s2兩種工況下的減速度，對其制動性能進(jìn)行分析。所得結(jié)果如圖5 所示：當(dāng)提升機(jī)緊急制動時，在不同減速度的工況下，其鋼絲繩動張力差峰值與仿真時間均相差較大。提升鋼絲繩所產(chǎn)生的動張力差值隨制動減速度數(shù)值的升高而增加，同時使得更大的外界載荷作用于鋼絲繩、摩擦輪與天輪等主要部件；提升機(jī)緊急制動的時間隨制動減速度的增加而縮短。可見制動減速度的大幅提升將有利于提升機(jī)快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備的停車進(jìn)程。

4 結(jié)論

圖4 不同提升速度對提升機(jī)制動過程影響曲線

圖5 不同制動減速度對提升機(jī)制動過程影響曲線

經(jīng)過ADMOS 軟件對礦井提升機(jī)在不同工況下制動過程研究發(fā)現(xiàn)，提升速度與制動減速度兩個變量均對提升機(jī)的制動性能有較大的影響，根據(jù)最終所得結(jié)果提出以下建議：

1）為保證提升機(jī)在安全制動的前提下達(dá)到最佳的制動效果，建議通過Pro/Enginee 與ADMOS 對多種不同工況的制動情形進(jìn)行研究，根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況，確定提升速度、制動減速度、提升載荷等相關(guān)參數(shù)；

2）對于摩擦式提升機(jī)而言，天輪、摩擦輪、鋼絲繩是使用頻率最高的受力組件，特別是提升鋼絲繩，在緊急制動時會產(chǎn)生較大的動張力。因此，建議提升機(jī)零部件的選用需優(yōu)先考慮其結(jié)構(gòu)性能，并對關(guān)鍵受力點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化或材料加強(qiáng)，防治變形、斷裂、脫繩等問題引起機(jī)械故障，導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。