給定絞車條件下復雜巷道打運能力的核定*

李志兵，李 寧，徐興東，韓云春

(1.淮南礦業(集團)有限責任公司深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232100；2.煤炭開采國家工程技術研究院，安徽 淮南 232100；3.西南政法大學人工智能 法學院，重慶 401120；4.青海能源魚卡有限責任公司，青海 德令哈 816200)

0 引言

無極繩絞車作為礦井軌道輔助運輸的主要設備之一，適用于長距離、多彎道、多變坡、大噸位等條件，多用于礦井大巷、采區巷道、工作面巷道等輔助運輸中[1-4]。但隨著煤礦生產不斷推進，井下運輸距離不斷增長、運輸環境變得更加復雜；更為主要的是，礦井生產千變萬化，打運貨物載荷隨生產而改變，機電設備有限，可供使用的無極繩絞車型號屈指可數[5-7]。在此情況下，仍采用以給定載荷驗證絞車型號是否滿足要求的傳統選型計算方法給生產帶來很多麻煩[5-7]。因此，采用逆向思維，在考慮有限的絞車型號條件下，根據潘三礦1791(3)軌順掘進期間打運相關實際生產情況，得出打運載荷能力，以指導現場生產。

1 現場生產條件

潘三礦1791(3)軌順掘進期間，無極繩絞車打運系統包括1791(3)軌順和1791(3)軌順提料斜巷，軌順長度1 200 m，為近水平巷道，走向角度近似0°；提料斜巷長度100 m，最大坡度20°，斜巷平均坡度17°。

礦井現有SQ-120/132P無極繩絞車，即為該巷掘進期間計劃采用的絞車，采用φ24.5 mm的鋼絲繩，破斷力為317 kN。SQ-120/132P無極繩絞車最大牽引力120 kN，無極繩絞車設定打運速度v不大于0.8 m/s，鋼絲繩張力初值S1為2.9 kN左右。礦車自重1 300 kg，梭車重量1 500 kg，鋼絲繩單位長度質量2.07 kg/m，無極繩絞車傳動效率0.85。

2 給定載荷驗算絞車能力的傳統方法

以每鉤最多打運三車錨桿作為打運基數，每車裝300套φ22 mm×2 400 mm錨桿(2 145 kg)，三車錨桿總重量為6 435 kg。

2.1 最長運距1 300 m(100 m提料巷、1 200 m軌順)驗算

2.1.1 無極繩絞車牽引力驗算

無極繩絞車所受拉力的計算見式(1)

F=[Z(G車+G載)+G梭)]g(sinβ1+ω1×cosβ1)+ 2δsL1g(sinβ2+ω2cosβ2)+ 2δsL2gω2cos0°

(1)

式中，F為無極繩絞車所受拉力，N；Z為每次牽引的重車數；G車為空車自重，取1 300 kg；G載為打運物件最大重量，取2 145 kg；G梭為梭車重量，取1 500 kg；β1為斜巷最大傾角，取20°；β2為斜巷鋼絲繩平均傾角，取17°；δs為鋼絲繩單位長度的質量，取2.07 kg/m；L1為斜巷運輸距離，取100 m；L2為平巷運輸距離，取1 200 m；ω1為礦車運行阻力系數，取0.015；ω2為鋼絲繩運行時與拖輥和底板間的阻力系數，取0.2。計算得，F=53 kN。無極繩絞車所受拉力為53 kN，小于絞車120 kN的最大牽引力，合格。

2.1.2 無極繩絞車功率驗算

無極繩絞車實踐功率計算見式(2)，功率備用系數計算見式(3)

N=F×V/η

(2)

(3)

式中，N為無極繩絞車實際功率，kW；V為無極繩絞車牽引速度，取0.8 m/s；η為無極繩絞車傳動效率，取0.85;P為無極繩絞車額定功率，取132 kW；K為功率備用系數(絞車設計需大于1.1)。經計算，功率備用系數K=2.64>1.1，合格[8-11]。

2.1.3 重錘重量核算

為保證鋼絲繩在滾筒上不打滑，有

S1=nF/(eμα-1)

(4)

式中，S1為鋼絲繩張力初值，kN；n為摩擦力備用系數(或稱防滑安全系數)，可取1.1～1.2；μ為鋼絲繩與驅動輪間的摩擦系數，其值視驅動輪繩襯材料而定，采用PVC或GM-3繩襯取0.3，鑄鐵繩襯可取0.14；α為鋼絲繩在驅動輪上的總圍抱角。取n=1.2，μ=0.14，α=7π，代入式中得S1=3.07 kN。

張緊重錘采用動滑輪，其最小重量為

G錘=1 000kCx,S1/g=626.1 kg

(5)

式中，G錘為張緊重錘重量，kN；Cx為包括受壓繩輪等在內的阻力系數，取1.2；k為重錘結構系數，單動輪取2。經計算，打運三車錨桿要求安裝張緊重錘重量為626.1 kg，小于800 kg，合格。

2.1.4 鋼絲繩安全系數驗算

無極繩絞車鋼絲繩安全系數的計算見式(6)

n=Qz/Smax=Qz/(F+S1)

(6)

式中，n為無極繩絞車鋼絲繩安全系數；Qz為鋼絲繩破斷拉力總和，取317 kN；Smax為鋼絲繩最大張力，kN。鋼絲繩許用安全系數(運輸最大重物時)為3.7。經驗算，鋼絲繩安全系數n=5.65>3.7，合格[12-14]。

由以上驗算所得，SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩打運三車錨桿，通過以上計算，滿足使用要求。

2.2 最短運距300 m(100 m提料巷、200 m軌順)驗算

同理，使用上述方法，可以得出最短運距300 m時，SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩打運三車錨桿，滿足使用要求。總之，使用給定載荷驗算絞車能力的傳統方法，驗算了在最長打運距離和最短打運距離2種情況下，打運總重量為6.435 t的三車錨桿(含車皮重量)，可滿足要求。

3 給定絞車型號核算打運能力

3.1 最長運距(1 300 m)最大打運載荷驗算

3.1.1 無極繩絞車最大拉力F1驗算

依據無極繩絞車額定功率，無極繩絞車最大拉力F1的驗算見式(7)

F1=Pη/(K·V)

(7)

式中，V為無極繩絞車牽引速度，取0.8 m/s；P為無極繩絞車額定功率，取132 kW；η為無極繩絞車傳動效率，取0.85；K為功率備用系數(絞車設計>1.1)。計算得，F1為127.5 kN。

3.1.2 無極繩絞車最大拉力F2驗算

根據鋼絲繩在滾筒上不打滑的原則，驗算無極繩絞車最大拉力F2。張緊重錘采用動滑輪，則無極繩絞車鋼絲繩張力初值為

S1=gG錘/1 000kCx

(8)

式中，S1為鋼絲繩張力初值，kN；G錘為張緊重錘重量，800 kg；Cx為包括受壓繩輪等在內的阻力系數，取1.3；k為重錘結構系數，單動輪取2。計算得，S1為2.9 kN。

為保證鋼絲繩在滾筒上不打滑，有

F2=S1(eμα-1)/n

(9)

式中，n為摩擦力備用系數(或稱防滑安全系數)，可取1.1～1.2，取n=1.2；μ為鋼絲繩與驅動輪間的摩擦系數，其值視驅動輪繩襯材料而定，采用PVC或GM-3繩襯取0.3，鑄鐵繩襯取可取0.14，取μ=0.14；α為鋼絲繩在驅動輪上的總圍抱角，絞車實際包圍角α為9π。計算得，F2為124.4 kN。

3.1.3 無極繩絞車最大拉力F3驗算

根據鋼絲繩安全系數滿足要求，驗算無極繩絞車最大拉力F3。鋼絲繩許用安全系數(運輸最大重物時)為3.7。為保證鋼絲繩安全系數滿足要求，則

F3=Qz/3.7-S1

(10)

式中，Qz為鋼絲繩破斷拉力總和，取317 kN。計算得，F3為82.7 kN。

3.1.4 最大打運載荷驗算

根據上述計算，結合鋼絲繩額定牽引力F額為120 kN。可知，再在1791(3)軌順SQ-120/132P無極繩絞車現存安裝狀態下，無極繩絞車鋼絲繩最大拉力F=min{F額，F1，F2，F3}=82.7 kN。無極繩絞車最大打運載荷G總(包括梭車、車皮和物件的總重量)驗算

G總=[F-2δsL1·g(sinβ2+ω2cosβ2)-

2δsL2gω2cos0°]/g(sinβ1+ω1×cosβ1)

(11)

式中，F為無極繩絞車所受拉力，取56 400 N；δs為鋼絲繩單位長度的質量，取2.07 kg/m；L1為斜巷運輸距離，取100 m；L2為平巷運輸距離，取1 200 m；ω1為礦車運行阻力系數，取0.015；ω2為鋼絲繩運行時與拖輥和底板間的阻力系數，取0.2；β1為斜巷最大傾角，取20°；β2為斜巷鋼絲繩平均傾角，取17°。代入，經計算得，G總=20.3 t。所以，G載總=G總-G梭=18.8 t。

由以上驗算得，SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩在現有條件下，最大打運路線為1 300 m時，最大打運貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量)，為18.8 t。

3.2 最短運距(300 m)最大打運載荷驗算

同理，使用上述方法，可以得出最短運距300 m時，使用SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩，最大打運貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量)，為16.36 t。

總之，使用給定絞車型號核算打運能力的方法，得出最大打運路線時，最大打運貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量)，為18.8 t；最短運距時，最大打運載荷G總(包括梭車、車皮和物件的總重量)，為17.86 t；取小值，最大打運貨物總載荷G載總(包括車皮和物件的總重量)，為16.36 t。

4 2種計算方法的對比

方法1(給定載荷驗算絞車能力的傳統方法)根據打運物件載荷，確定無極繩絞車型號；方法2(給定絞車型號核算打運能力)根據已有絞車型號，確定最大打運物件載荷，屬相互逆向思維。使用方法1驗算的打運載荷為6.435 t，使用方法2驗算的打運載荷為16.36 t，打運能力增加了2.54倍；使用方法1選型的絞車，礦井不一定備有，如需重新購買，影響生產，使用方法2可充分發揮礦井現有的生產設備。方法1得出的最大打運載荷并不一定是絞車的最大打運能力，容易出現“大馬拉小車”的現象；方法2出的最大打運載荷能充分發揮絞車的能效，有利于提升生產效率。因生產現場打運物件種類繁多，且多有變化，方法2得出的最大打運載荷，能更加簡單、直接地指導工人生產。

5 結語

無極繩牽引絞車運輸是巷道輔助運輸的有效方式之一，絞車選型是生產設計的重要一環，然而受礦井配備絞車種類限制，生產實際過程中，往往是先確定絞車型號，再驗算打運能力。通過理論分析，推導得出2種方法(給定載荷驗算絞車能力的傳統方法和給定絞車型號核算打運能力)的最大打運載荷能力，得出方法2的優勢，并將該方法應用到淮南礦業集團潘三礦1791(3)軌順掘進期間使用SQ-120/132P無極繩絞車配φ24.5 mm鋼絲繩進行打運的最大載荷核算，提升了打運效率，滿足了安全生產，技術經濟效果明顯。