提升设备的运转理论

1、武汉理工大学武汉理工大学 机电工程学院机电工程学院 勤劳、俭朴；刚强、明白；勤劳、俭朴；刚强、明白；忠诚、宽恕；谦退、含诨。忠诚、宽恕；谦退、含诨。 提升机在提升过程中，提升速度是变化的，提升机在提升过程中，提升速度是变化的，而且其负载也是变化的。在这样一个变化的运动而且其负载也是变化的。在这样一个变化的运动系统中，为了保证提升系统按所设计的运动规律系统中，为了保证提升系统按所设计的运动规律运转，所需提升机拖动力将如何变化？这些问题运转，所需提升机拖动力将如何变化？这些问题的解决依赖于提升系统的基本动力学方程。的解决依赖于提升系统的基本动力学方程。 由于提升系统有直线运动部件，有旋转部件，由于

2、提升系统有直线运动部件，有旋转部件，在建立其动力学方程时，要将各部分折算（转化）在建立其动力学方程时，要将各部分折算（转化）到提升机滚筒表面上来考虑。到提升机滚筒表面上来考虑。 如图如图111所示，作用在提升机主轴上的所示，作用在提升机主轴上的力矩有提升系统的力矩有提升系统的静阻力矩静阻力矩Mj，提升系统的，提升系统的惯性力矩惯性力矩Md及由电动机产生的拖动力矩及由电动机产生的拖动力矩M。根据达朗贝尔原理，其力矩平衡方程为根据达朗贝尔原理，其力矩平衡方程为 MMjMd0 (111) 力矩平衡方程可变为力的平衡方程，即力矩平衡方程可变为力的平衡方程，即FFjFd0或 FFjma0 (112) 提

3、升系统的静阻力包括静力和阻力。静力包括货载重力、容提升系统的静阻力包括静力和阻力。静力包括货载重力、容器自重及钢丝绳重力；阻力来源于提升容器在井筒中运行时空器自重及钢丝绳重力；阻力来源于提升容器在井筒中运行时空气的阻力，罐耳与罐道之间的阻力，钢丝绳在天轮和滚筒上的气的阻力，罐耳与罐道之间的阻力，钢丝绳在天轮和滚筒上的弯曲阻力及天轮轴承、滚筒轴承的阻力等。弯曲阻力及天轮轴承、滚筒轴承的阻力等。 由于矿井运行阻力与很多因素有关，难以精确计算。在实由于矿井运行阻力与很多因素有关，难以精确计算。在实际设计过程中，通常按提升货载的百分数来估算。际设计过程中，通常按提升货载的百分数来估算。 mgkxs(1

4、17)式中式中k对于箕斗对于箕斗k0.15，对于罐笼对于罐笼k0.2。 系统静阻力为系统静阻力为 Fjkmgmpg (H2x) (118) 式中式中 k矿井阻力系数，对于箕斗矿井阻力系数，对于箕斗k1.15；，对于罐笼；，对于罐笼k1.20。 可以看出：静阻力与容器的自重无关；可以看出：静阻力与容器的自重无关；在提升过程中，随提升容器位置即在提升过程中，随提升容器位置即x值的不同，值的不同，而发生变化，是随而发生变化，是随x的增大而以斜率的增大而以斜率2mpg减减小的一条斜线，如图小的一条斜线，如图112所示。这种静阻力所示。这种静阻力在提升过程中是变化的现象称之为静力不平衡；在提升过程中是变

5、化的现象称之为静力不平衡；在深井中以及钢丝绳较重时，在深井中以及钢丝绳较重时，Fj有可能在提有可能在提升终止前出现负值。升终止前出现负值。 对于立井有尾绳系统，其静阻力为对于立井有尾绳系统，其静阻力为 Fjkmg(n1mpgn2mqg)(H2x) 当提升主绳和尾绳重力相等，即当提升主绳和尾绳重力相等，即n1mpgn2mqg时，时，Fjkmg常数。常数。静阻力不再随提升容器位置的改变而改变，属静力平衡系统。静阻力不再随提升容器位置的改变而改变，属静力平衡系统。 1.变位质量的含义变位质量的含义 在提升系统动力学方程中，有提升系统各运动部分惯性力之和一在提升系统动力学方程中，有提升系统各运动部分惯

6、性力之和一项，而系统中的部件既有作直线运动的，也有作旋转运动的，使得计项，而系统中的部件既有作直线运动的，也有作旋转运动的，使得计算总惯性力时很不方便。为了简化计算，可以用一个假想的集中在卷算总惯性力时很不方便。为了简化计算，可以用一个假想的集中在卷筒圆周表面的当量质量来代替提升系统所有运动部分的质量，称为总筒圆周表面的当量质量来代替提升系统所有运动部分的质量，称为总变位质量，以变位质量，以m m表示。原则是变位前后动能不发生改变。表示。原则是变位前后动能不发生改变。 实际上，在提升系统中，容器自重、有益载重和钢丝绳三部实际上，在提升系统中，容器自重、有益载重和钢丝绳三部分与卷筒圆周具有相同的

7、速度，故不需变位。只有提升机分与卷筒圆周具有相同的速度，故不需变位。只有提升机( (包括减包括减速器速器) )、天轮和电动机转子三部分作旋转运动，其质量需要变位。、天轮和电动机转子三部分作旋转运动，其质量需要变位。而且前二部分可以从规格表中查出，因此实际需要计算的只有电而且前二部分可以从规格表中查出，因此实际需要计算的只有电动机转子一项。动机转子一项。 2.电动机转子的变位质量电动机转子的变位质量 设设 为电动机转子的转动惯量，为电动机转子的转动惯量， 为变位到卷筒圆周上的转动惯量，为变位到卷筒圆周上的转动惯量， 为电动机的为电动机的角速度，角速度，为卷筒的角速度。根据变位前后动能相等的原则，

8、应当有如下关系为卷筒的角速度。根据变位前后动能相等的原则，应当有如下关系 dJdJ回转体的重量回转体的重量3.提升系统总变位质量提升系统总变位质量m ， suavvHTmmx（103）爬行时间，箕斗可取10s，罐笼可取57s提升加速度，ms2休止时间，箕斗及罐笼的休止时间见表101与表102。 提升设备属周期动作式的设备。提升设备属周期动作式的设备。 提升设备运动学就是研究提升容器运提升设备运动学就是研究提升容器运动速度随时间的变化规律，这一规律称之动速度随时间的变化规律，这一规律称之为速度图。为速度图。罐笼提升设备为五阶段速度图，如图罐笼提升设备为五阶段速度图，如图113b所示。所示。箕斗提

9、升设备为六阶段速度图，如图箕斗提升设备为六阶段速度图，如图113a所示；所示；1.箕斗提升初加速度箕斗提升初加速度a0 为保证提升开始时，空箕斗对卸载曲轨及井架的冲击不为保证提升开始时，空箕斗对卸载曲轨及井架的冲击不致过大，箕斗离开卸载曲轨时的速度被限制在致过大，箕斗离开卸载曲轨时的速度被限制在v01.5m/s，卸载曲轨的行程卸载曲轨的行程hx（即初加速阶段的行程）对旧系列箕斗为（即初加速阶段的行程）对旧系列箕斗为2.13m，对新标准系列箕斗为，对新标准系列箕斗为2.35m，因此初加速度，因此初加速度a0为为 xhva22002.主加速度主加速度a1的确定的确定 主加速度需根据煤矿安全规程的规

10、定，电动机过负荷能力及减速器输出轴允许的最大扭矩三个条件进行确定。 (1)煤矿安全规程煤矿安全规程规定：规定：立井升降人员的加、减速度不得超过0.75m/s2；斜井升降人员的加、减速度不得超过0.5ms2。对于升降物料时，煤矿安全规程没有规定，一般立井其加、减速度不宜大于1.2m/s2，斜井不超过0.7ms2。 (2)按电动机过负荷能力确定，按电动机过负荷能力确定，一般按电动机最大拖动力的0.75倍考虑，代入动力学方程得 电动机能力允许的最大加速度为电动机能力允许的最大加速度为 (3)按减速器输出轴允许的最大扭矩按减速器输出轴允许的最大扭矩电动机通过减速器作用到滚筒主轴上的拖动力矩，必须小于减

11、速器所允许的最大输出扭矩Mjm，即主加速度主加速度需满足需满足 提升主加速度必须同时满足上述三个条件提升主加速度必须同时满足上述三个条件 电动机过负荷系数； Fe电动机额定力 Pe电动机额定功率，kW i传动效率 提升减速度一般取与加速度相同值。它不仅需要满足上述煤矿安全规程的规定，同时还与提升设备所采用的减速方式有关。目前提升机的减速方式有以下三种。1.自由滑行减速自由滑行减速 减速一开始，电动机便从电网上断开，提升系统拖动力为零，靠惯性自由滑行。 2.电动机减速方式电动机减速方式 此减速方式为负力减速。当采用自由滑行减速方式减速度太小时，必须对系统施加制动力。制动减速方式有机械制动和电气制

12、动两种，机械制动即机械闸制动，电气制动有动力制动和低频制动两种。 3.制动减速方式制动减速方式 电动机减速方式为正力减速。当采用自由滑行减速方式其减速度太大时，必须采用正力减速。此时，将电动机转子电阻接入转子回路中，使电动机在较软的人工特性曲线上运行。为能较好地控制电动机，这时电动机输出力不应小于电机额定力的0.35倍。 机械制动减速机械制动减速 采用电气制动减速采用电气制动减速 提升动力学是研究和确定提升过程中，滚筒圆周上拖动力的变化提升动力学是研究和确定提升过程中，滚筒圆周上拖动力的变化规律，为验算电动机功率及电气控制设备的选择计算提供依据。规律，为验算电动机功率及电气控制设备的选择计算提

13、供依据。 以单绳缠绕式立井无尾绳提升系统为例，介绍动力学的计算方法。基本动力学方程为 将上节计算的速度图及上述计算力图，绘制在一起将上节计算的速度图及上述计算力图，绘制在一起 斜井提升在我国中、小型矿井中应用极其广泛。斜井提升在我国中、小型矿井中应用极其广泛。采用斜井开拓具有初期投资少，建井快、出煤快、地采用斜井开拓具有初期投资少，建井快、出煤快、地面布置简单等优点。但一般斜井提升能力较小，钢丝面布置简单等优点。但一般斜井提升能力较小，钢丝绳磨损较快，井筒维护费用较高。斜井提升有斜井串绳磨损较快，井筒维护费用较高。斜井提升有斜井串车、斜井箕斗及斜井带式输送机三种提升方式。车、斜井箕斗及斜井带式

14、输送机三种提升方式。 斜井串车提升使用矿车做提升容器，有单钩和双钩之分。斜井串车提升使用矿车做提升容器，有单钩和双钩之分。按车场型式可分为甩车场串车提升和平车场串车提升。按车场型式可分为甩车场串车提升和平车场串车提升。 1.甩车场单钩串车提升甩车场单钩串车提升 井口及井底均设甩车道。提升开始时，重车沿井底车场甩车道运行，由于甩车道的坡度是变化的，而且又是弯道，所以初加速度asc0.3m/s2，速度vsc1.5m/s。其速度图如图示。当全部重车进入井筒后以加速度a1加速至最大速度vm之后以最大速度等速运行，到达井口停车点前，重车以减速度a3减速，通过道岔A后停车，位置在栈桥停车点。搬动道岔A后，

15、提升机反向运行，重车以低速vsc沿井口车场甩车道运行，到停车点停车。然后重车摘钩再挂上空串车。开动提升机把空串车以低速v0提过道岔A，又在一个提升循环，包括提升重串车一个提升循环，包括提升重串车和下放空串车两个部分。和下放空串车两个部分。 栈桥停车点，搬动道岔A，然后提升机反向运行，下放空串车到井底车场甩车道上，进行摘挂钩，开始下一个提升循环。 2.采用甩车场的双钩串车提升采用甩车场的双钩串车提升 双钩串车和单钩串车不同的是，提升重串车和下放空串车同时进行，其速度图如图示。提升开始时重串车停于井底甩车道上，而空串车则停于井口栈桥停车点，提升开始重串车沿甩车道加速低速运行，空串车沿井筒下放，当重

16、串车进入井筒后加速至vm，等速运行，空串车到达井底甩车场前减速，然后空串车沿甩车道运行，重串车通过道岔A后，停在栈桥停车点，此时空串车已在甩车道上，但是不摘钩，待搬好道岔A后，提升机反转，重车沿井口甩车场下放，而空串车重又沿井底甩车道提入井筒，等重串车摘钩又挂上空串车后，把井口空串车提到栈桥停车点停车，井底空串车复又回到甩车道上。这时摘下空串车挂上重串车，准备下一个提升循环。3.平车场的双钩串车提升平车场的双钩串车提升 提升开始时、在井口平车场空车线上的空串车，由井口推车器向下推送，同时井底重串车向上提升(与空车运行速度相适应)。此时加速度为a00.3m/s2，速度为vpc1.0m/s。当全部

17、重串车进入井筒后，提升机加速到最大速度vm，并以vm等速运行，重串车行至井口附近，空串车行至井底时，减速至vpc，到重串车进入井口平车场，空串车进入井底平车场停车。重串车在井口平车场内重车线上、靠惯性继续前进，当钩头行至摘钩位置时，迅速将钩头摘下，然后挂上空串车。与此同时，井下也进行摘挂钩，完成一个提升循环。 斜井箕斗提升具有生产能力大，装卸载自斜井箕斗提升具有生产能力大，装卸载自动化等优点，但需安设装卸载设备和煤仓，故动化等优点，但需安设装卸载设备和煤仓，故较串车提升投资大、设备安装时间长。此外为较串车提升投资大、设备安装时间长。此外为了解决砰石、材料、设备和人员的运送，还需了解决砰石、材料

18、、设备和人员的运送，还需设一套副井提升设备。因此产量较小的斜井多设一套副井提升设备。因此产量较小的斜井多采用串车提升。但年产量在采用串车提升。但年产量在30306060万吨的斜井，万吨的斜井，倾角在倾角在20203535时可考虑采用斜井箕斗提升。时可考虑采用斜井箕斗提升。斜井箕斗多采用双钩提升系统。斜井箕斗提升斜井箕斗多采用双钩提升系统。斜井箕斗提升速度图与立井箕斗提升速度图相仿，这里不再速度图与立井箕斗提升速度图相仿，这里不再介绍。介绍。 斜井提升运动学和动力学计算，电动机容量的校核，基本上与立井相同，在此不再赘述。斜井提升中，下放空串车时，为了避免提升机的加速度过大造成钢丝绳松驰现象，待再

19、次拉紧时将产生冲击，对钢丝绳极为不利。因此加速度a1应小于空串车的自然加速度值akz，其值可按下式计算 上提重串车时，减速度a3不能过大，以免造成上提钢丝绳的松驰，将钢丝绳压坏或造成矿车掉道事故，而且严重时重串车因重力作用，停车后复向下滑将绳拉紧，产生冲击，有把钢丝绳拉断的危险。为了避免上述现象，提升机的减速度a3应小于重串车的自然减速度值az，其值可按下式计算 当井简倾角当井简倾角6时，自然加速度和自然减速度值均大于时，自然加速度和自然减速度值均大于0.7m/s2，显然对于一，显然对于一般坡度稍大的矿井，正常提升时，可以不必考虑自然加减速度。但是在安全制动时，因般坡度稍大的矿井，正常提升时，

20、可以不必考虑自然加减速度。但是在安全制动时，因为制动减速度较大，因此必须考虑自然减速度的问题。为制动减速度较大，因此必须考虑自然减速度的问题。 g重力加速度；重力加速度；nc矿车数；矿车数； qz矿车自重，矿车自重，kg；mt天轮变位质量，天轮变位质量，kg；井筒倾角。井筒倾角。 由提升力图和速度图可以看出，在一次提升由提升力图和速度图可以看出，在一次提升循环中，提升机滚筒圆周上的拖动力、速度都是循环中，提升机滚筒圆周上的拖动力、速度都是变化的。初选的提升电动机，是否能满足要求，变化的。初选的提升电动机，是否能满足要求，要通过验算才能确定。验算内容按温升条件、过要通过验算才能确定。验算内容按温

21、升条件、过负荷条件及特殊力条件分别进行。负荷条件及特殊力条件分别进行。 在一次提升过程中，由于拖动力和速度是变化的，在一次提升过程中，由于拖动力和速度是变化的，因此电动机绕组中的电流和产生的热量也是变化的，因此电动机绕组中的电流和产生的热量也是变化的，对于这种变负荷和变速条件下工作的电机，一般按等对于这种变负荷和变速条件下工作的电机，一般按等效力和等效时间及额定转速来计算。假定电动机在某效力和等效时间及额定转速来计算。假定电动机在某一固定不变的力作用下，连续运转，其温升与在变力一固定不变的力作用下，连续运转，其温升与在变力变速条件下运转的温升相等，以此作为选择电动机功变速条件下运转的温升相等，

22、以此作为选择电动机功率的依据，这个固定力叫做等效力。影响提升电动机率的依据，这个固定力叫做等效力。影响提升电动机温升除了产生的热量以外，还有散热条件，而散热条温升除了产生的热量以外，还有散热条件，而散热条件又与电动机的转速等因素有关，比如，高速运转时，件又与电动机的转速等因素有关，比如，高速运转时，电动机自带风扇散热条件较好，而低速运转时较差，电动机自带风扇散热条件较好，而低速运转时较差，停止运转时更差。所以，计算电动机容量时并不以实停止运转时更差。所以，计算电动机容量时并不以实际运行时间计算，而按等效时间计算。际运行时间计算，而按等效时间计算。 电动机产生的热量与通过绕组的电流平方成正比，与

23、通电时间电动机产生的热量与通过绕组的电流平方成正比，与通电时间一次方成正比一次方成正比 电动机拖动力矩电动机拖动力矩MCmI2cos2（Cm为电机构造参数；为电机构造参数；I2为负载电流；为负载电流；cos2为为功率因数）。当电动机接入的电网电压不变时，磁通功率因数）。当电动机接入的电网电压不变时，磁通不变。在一定的负载范围内运不变。在一定的负载范围内运转时，功率因数转时，功率因数cos2cose （额定功率因数）为常数，所以提升电动机的转矩（额定功率因数）为常数，所以提升电动机的转矩M与电动机的负载电流成正比，亦即作用于滚筒上的圆周力与电动机的负载电流成正比，亦即作用于滚筒上的圆周力F与电动

24、机的定子电流成与电动机的定子电流成正比。正比。 由此得出等效力与变化力的关系为 提升电动机作用在滚筒圆周上的等效力 等效时间 对于强制通风电动机，对于强制通风电动机，TdTx 对于自带风扇装置的电动机，其散热条件则与电机转速有关，转对于自带风扇装置的电动机，其散热条件则与电机转速有关，转速高时风扇散热条件好，低时散热条件差，休止时间散热条件最差。速高时风扇散热条件好，低时散热条件差，休止时间散热条件最差。故对于自带扇风装置电动机的等效时间为故对于自带扇风装置电动机的等效时间为 考虑电机在低速运转时的散热不良系数，一般取交流电机1/2；直流电机3/4； 休止时间 考虑停车间歇时间的散热不良系数，一般取交流电机1/3； 直流电机1/2； 项实际上是整个提升循环中，变力F的平方对时间的积分。严格说来，力图中只有等速阶段是按直线变化的，其余各阶段是曲率不大的曲线，但因这些阶段运转时间很短，可以近似的按直线计算，对于箕斗提升六阶段