基于MATLAB提升容器的仿真分析

白 勇

（山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司李村煤礦， 山西 長子 046600）

引言

煤炭作為我國國民經濟發展的基礎，為我國的眾多行業提供動力。目前我國正處于社會主義初級階段，在未來的很多年內煤炭的核心地位不會被動搖。而且，隨著社會的發展，全球對煤炭的需求量越來越大，對煤炭采煤工作面的效率提出了更高的要求和挑戰[1]。煤炭綜采工作面的效率和安全性在一定程度上由綜采工作面的綜采設備及其配套設備的性能所決定。

在眾多綜采設備中，礦井提升系統作為連接綜采工作面與地面的關鍵樞紐，其主要作用是實現礦物、矸石、人員、材料以及設備的升降。其中，立井摩擦提升系統作為當前使用場合較多的提升系統，其工作原理為依靠鋼絲繩與摩擦輪之間的摩擦作用，實現載荷和容器的升降。據研究表明，隨著采煤量及開采效率的不斷提升，對提升系統的安全性要求越來越高，而立井摩擦提升系統在實際應用中常發生過卷和過放的事故[2]。因此，為提升立井摩擦提升系統的可靠性和穩定性，本文將針對其過卷事故對其進行研究，著重分析其動力學和運動學情況，為改進過卷保護系統奠定基礎。

1 立井摩擦提升系統過卷保護的運動學分析

立井摩擦提升系統出現過卷現象時可分為以下三種情況：一是在制動系統的作用下進行制動；二是在制動系統和過卷緩沖裝置的共同作用下制動；三是在制動系統、過卷保護緩沖裝置以及井口防撞梁下的共同情況下制動。因此，本文將對上述三種情況下提升系統過卷保護的運動學進行分析，具體得出過卷側和過放側提升容器位移、速度以及加速度與時間的表達式。

本文所研究提升系統的參數：立井摩擦提升系統所采用的提升機類型為塔式立井摩擦提升機，該立井的深度為400 m；提升系統兩側鋼絲繩的長度為420 m；該提升系統中提升容器和下放側容器的質量均為14 000 kg；該提升系統的額定載荷為10 000 kg；該提升系統兩側鋼絲繩的質量均為2 772 kg；鋼絲繩與摩擦輪之間的摩擦系數為0.25。此外，設定該提升在實際工作中提升和下放兩個方向所承受的外在阻力分別為5 000 N；且當提升或者下放速度超過10 m/s時，系統即發生過卷現象；該提升系統制動器的類型為盤閘式，過卷和過放的緩沖裝置類型為楔形木罐道。

2 立井摩擦提升系統的過卷保護力的計算

2.1 制動系統制動力的計算

制動系統為提升系統的關鍵組成部分，該系統主要由制動器和傳動機構組成。制動系統的主要作用為正常停車、工作制動、實現保護以及閘住游動卷筒等。

根據《煤炭安全規程》的相關標準要求，不同工作狀態下的系統制動時的減速度不同。其中，提升重物制動時減速度最小為5 m/s2，下放重物制動時減速度最小為1.5 m/s2。此外，制動時的行程最大不得大于安全行程的3/4[4]。在相關規范的要求下，立井摩擦提升系統的制動過程中的制動力計算公式如（1）所示：

式中：n0為立井摩擦提升系統盤式制動系統的閘的副數，取8套；λ為提升系統制動系統的傳動效率，取0.4；N0為制動系統的額定推力，取6 500 kg；A為制動系統制動盤活塞的有效面積，取142 cm2；P0為制動時的液壓油的壓力，取9 kg/cm2。經計算，可得該型號提升系統的制動系統的制動力大小為33 420 N。

2.2 過卷緩沖裝置緩沖力的計算

過卷緩沖裝置的主要作用是實現對立井摩擦提升系統的過卷緩沖保護。根據《煤礦安全規程》的相關規定，要求立井摩擦提升系統在提升速度保持維持在 3 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s的范圍內，且要求對應提升速度下的過卷高度和過放距離最小分別為 4 m、4.75 m、6.5 m、8.25 m、10 m，同時與上述過放距離對應的吊桶的過卷高度最小分別為2 m、2.37 m、3.25 m、4.12 m、5 m[5]。

本文所研究提升系統所采用的過卷緩沖器楔形木罐道，緩沖力的計算如式（2）和（3）所示。其中式（2）為過卷時的緩沖力，式（3）為過放時的緩沖力。

式中：y1為提升側提升容器進入過卷側楔形木罐道的距離；y2為下放側提升容器進入過放側楔形木罐道的距離；i1和i2分別為過卷和過放時楔形木罐道的斜率，其中i1=1/80，i2=1/100；b為楔形木罐道的寬度，取0.09 m；λ為罐道的木抗力，取2.94× 104Pa；n為楔形木罐道的罐耳數，取2。經計算可得，過卷時緩沖力F1=1.06× 105y1；過放時緩沖力F2=1.32× 105y2。

3 立井摩擦提升系統過卷保護的仿真分析

本文采用Matlab軟件對立井摩擦提升系統的過卷保護過程進行仿真分析，將第2節中所得的提升系統在過卷側和過放側的運動學結果導入Matlab仿真軟件中，得出對應的仿真結果。

圖1 兩側提升容器位移仿真曲線

3.1 兩側提升容器位移仿真分析

如圖1所示，經仿真分析可知，立井摩擦提升系統過卷側和過放側提升容器在本身制動系統、過卷緩沖器以及井口、井底防撞梁的共同作用下分別在3.06 s和2.92 s后系統停止運行，即說明制動系統、過卷（過放）緩沖器以及井口（井底）防撞梁能夠對立井摩擦提升系統起到保護作用。

3.2 兩側提升容器速度仿真分析

如圖2所示，經仿真分析可知，兩側提升容器的速度均能夠穩定降至零。而且，在過卷（過放）緩沖器的作用下，容器的減速較大；最后在井口（井底）放撞梁的作用下降容器的速度降至零。

圖2 兩側提升容器速度仿真曲線

3.3 兩側提升容器加速度仿真分析

如下頁圖3所示，經仿真分析可知，對于過卷側而言，其加速度在1.36 m/s2內的變化較小，而在1.36～1.70 s的變化較大，即過卷緩沖器對系統起到了保護作用；對于過放側而言，其加速度在1.24 s內變化較小，在1.24～1.56 s內的加速度變化較為明顯，而且同時有波峰和波谷存在，在過放側系統運行時有振動的現象。

4 結語

提升系統作為連接煤礦綜采工作面與地面的關鍵樞紐，該系統運行的可靠性和穩定性與整個工作面的生產效率和產量息息相關。立井摩擦提升系統作為應用最為廣泛的提升系統，在實際運行過程中容易出現過卷現象，容易造成事故。因此，加強對各類型提升系統在實際運行中的運動學和動力學分析，為改進和完善提升系統的各項參數提供指導。