《矿山机械设备》讲稿

《矿山机械设备》讲稿《矿山机械设备》讲稿《矿山机械设备》讲稿V:1.0精细整理，仅供参考《矿山机械设备》讲稿日期：20xx年X月《矿山机械与设备》教案导论学习内容及学习目标第一章概论第二章凿岩机及凿岩工具第三章凿岩钻车第四章潜孔钻机第五章牙轮钻机第六章装载机械第七章矿山运输机械第八章矿井提升设备第九章提升设备的运动学与动力学第十章矿井提升机的电力拖动装置与制动装置第十一章多绳摩擦提升主讲：胡运金班级：矿物资源07级矿山机械与设备导论教学目标：⑴通过露天矿山和地下矿山的开采工艺过程了解矿山常用的机械设备⑵明白本课程学习内容和学习目标⑶了解影响矿山机械与设备的岩石软科学性质学时分配：3学时教学重点和难点：重点：矿山工程中常用的机械设备类型难点：无教学方法：讲授案例多媒体教学内容一、矿山工程常用的机械与设备通过模型图片、视频，了解无奇不有矿山和地下矿山开采的工艺过程及其常用机械与设备类型。钻孔机械掘进机械运搬设备提升设备流体设备支护设备其他设备二、《矿山机械与设备》课程学习内容和目标学习内容：⑴矿山常用机械设备的类型⑵矿山机械设备的组成、工作原理⑶矿山机械设备的造选型⑷矿山机械设备的应用主要学习目标：熟悉主要矿山机械设备组成、结构、工作原理熟悉各种机械设备的选型，掌握主要机械设备的造型计算了解种类机械设备的特点及其应用三、岩矿的物理机械性质㈠岩(矿)的主要物理机械性质1、容重：单位体积原生岩石的重量2、松散性：整体岩石被破碎后，其容积增大的性能，常用岩石的松散系数K表示。K指岩石破碎前、后容积之比。3、强度：岩石抵抗机械破坏（拉、压、剪）的能力。岩石机械强度受岩石的孔隙度、异向性和不均匀性的影响而变化很大，一般情况下，抗拉强度（1/10~1/50）<抗剪强度（1/8-1/12）<抗压强度4、硬度：指岩石抵抗尖锐工具侵入的性能。它取决于岩石的结构、组成颗粒的硬度及形状和排列方式等。硬度越大，钻凿越困难。5、弹性：即当撤销所受外力后，岩石恢复原来形状和体积的性能。弹性越大，钻凿越困难。6、脆性：岩石被破碎时不带残余变形的性能。脆性越大，钻凿越容易。7、耐磨性：岩石磨损工具的性能。耐磨性越大，钻凿越困难8、稳定性：岩石暴露出自由面后，不致塌陷的性能。凿岩时岩石的破碎是多种因素综合作用的结果。在上述诸多因素中，岩石的硬度、强度和脆性是主要的因素，又可将它们概括为岩石的坚固性。㈡岩石分级岩石的坚固性常以坚固系数表示。不仅是综合反映岩石破碎难易程度的指标，而且，也是选用破碎方法和钻孔机械的主要依据。根据值，将岩石进行分级，称为普氏分级法。第一篇钻掘机械凿岩机械教学目标：⑴熟悉凿岩机械的类型⑵掌握风动凿岩机工作机构的组成及其工作原理⑶熟悉各种凿岩机械的特点及其应用场合和条件⑷熟悉与凿岩机配套使用的凿岩工具学时分配：9学时教学重点：各种凿岩机工作机构的组成、工作原理和性能特点及其应用条件教学难点：风动凿岩机主要参数的分析与计算气阀结构及原理教学方法：讲授多媒体教学内容岩石的破碎过程钻凿岩石的机械方法有冲击作用、旋转作用和旋转冲击联合作用等三种方式，如图所示。一、冲击式凿岩过程向钻头施加一个垂直于岩石表面的冲击力，在此冲击力作用下，使钻头切入并破碎岩石。二、旋转式凿岩过程向钻头施加一个扭转力和一个固定的轴向力，钻头以螺旋线形向前运动，并破碎岩石。三、旋转冲击式凿岩过程向钻头施加一个扭转力和一个间歇的轴向力，使钻头与岩石表面成一定的倾角向岩石内钻进。第二节钻孔机械种类一、根据破碎岩石的过程不同，可将钻孔机械分为：1、旋转式钻机：如多刃切削钻头钻机、金刚石钻头机等，主要用于在中等硬度以外的岩石或煤矿中钻孔。2、冲击旋转式钻机：如凿岩机、潜孔钻机、钢绳冲击式钻机等，主要用于在中等硬度以上的岩石中钻孔。3、旋转冲击式钻机：如牙轮钻机，主要用于在中等硬度以上的岩石中钻孔。二、根据钻机使用场地不同，又可分为井下钻机和露天钻机。三、根据钻孔深度不同，可分为深孔钻机和浅孔钻机。此外，还机械凿岩、热力剥落凿岩、熔融气化凿岩和化学凿岩等。凿岩机及凿岩工具凿岩机械凿岩机械分为凿岩机和钻机两类，钻机又有露天钻机和井下钻机之分。凿岩机是用于在中硬以上的岩石中，钻凿直径为20～100毫米、深度在20米以内炮孔的机械，按其动力不同可分为风动、内燃、液压和电力凿岩机一、凿岩机的工作原理：各种凿岩机的动作原理都是冲击转动式。即利用压差作用迫使活塞在缸体内用作高速往复运动，并冲击钎尾。如图所示。二、凿岩机的分类及各类凿岩机的工作原理、使用条件按照冲击钎尾和转动钎头所用的驱动力不同，划分有风动、电动、内燃、液压等类型凿岩机。1、气动凿岩机：以压缩空气为驱动力。使用广泛。①种类：手持式凿岩机（Y-3、Y-26）、气腿式凿岩机（YT-24、7655、YT-26、YT-28、YTP-26型）、伸缩式（上向式）凿岩机（YSP-45、01-45型）、导轨式（柱架式）凿岩机（YG-40、YG-65、YG80、YGZ-90型）。如图所示。②主要组成机构及工作原理：☆冲击配气机构：由配气机构、气缸、活塞和气路等组成，其作用是将压缩空气依次输送到气缸的后腔和前腔中，推动活塞作往复运动，从而获得活塞对钎尾的连续冲击动作。如图所示。☆转钎机构：常用的转钎机构有内回转和外回转两大类。内回转式是当活塞往复运动时，借助棘轮机构使钎杆作间歇转动，如图所示。外回转式是由独立的发动机带动钎杆作连续转动。☆排粉系统：排粉方式有凿岩时注水冲洗加吹风和停止冲击强力吹扫两种。其作用是将凿岩过程中产生的岩粉及时排出孔外。☆凿岩机的支承及推进机构：以气腿为主。如图所示。其作用一是支承凿岩机重量；二是克服凿岩机工作时的后座力，使活塞冲击钎尾时钎刃能抵住孔底，以提高凿岩效率。☆操作机构：由操纵手柄组成（控制凿岩操纵阀、气腿的调压阀及换向阀），如图所示。调压阀：用于无极地调节气腿的轴推力，以适应凿岩机各种不同条件下作业时对轴推力的要求。换向阀：用于改变调压阀内腔进气方向，从而使气腿伸缩。润滑系统：一般都在进气管路上连接一个自动注油器，实现自动润滑。2、液压凿岩机：以高压油为驱动力，由冲击器和转钎机构组成。如图所示。冲击器采用活塞双腔回油，滑阀配油的工作原理；转钎机构采用摆线液压马达驱动，一极齿轮减速后带动钎杆回转。如图所示。3、电动凿岩机：以电动机的旋转运动为驱动力。①分类：离心冲击锤式和曲柄连杆活塞式。②结构及工作原理：☆离心冲击锤式凿岩机：如图所示。☆曲柄连杆活塞式凿岩机：如图所示。4、内燃凿岩机：以小功率内燃机为驱动力。如图所示。三、各类凿岩机的优缺点及其技术特征1、液压凿岩机：※优点：①动力消耗少，能量利率高；②凿岩机性能和凿岩速度较高；③润滑条件好，零部件寿命高；④可一人多机操作，台班工效高。※缺点：①机器零部件制造和装配精度严格；②维护保养技术和成本费用高；③环境因素会影响其性能及凿岩速度。※液压凿岩机技术特征：P32页表2～３所示。２、电动凿岩机：※优点：①动力单一；②成本低；③机械效率高。※缺点：①冲击力和冲击频率较低；②零件易损坏。※电动凿岩机技术特征：P33页表2～2-4所示。3、内燃凿岩机：※优点：本身带有动力机械，使用灵活，适用于野外或没有其它能源的地方作业。※内燃凿岩机技术特征：P35页表2～2-5所示。四、选择凿岩机应考虑的因素：以风动凿岩机为例，应主要考虑下列因素：1、作业场所（平地、天井、竖井和广场等）；2、钻孔的方向、孔径和深度；3、矿岩坚硬程度；五、影响风动凿岩机凿岩效率的主要因素：1、凿岩机的性能参数(冲击功、冲击频率、扭矩和转角等)；2、凿岩机的工作条件(岩石坚固性、风压和轴推力等)；3、凿岩工具(钎头直径、结构、形状和钎杆长度等)；凿岩工具钎子：向岩石传递凿岩机冲击和回转能量的工具。常用的有整体式钎子和组合式钎子两大类。一、钎头：一字形、十字形、Ⅱ字形和T字形等，如图所示。☆一字形钎头：宜用于较软岩石或节理不发育的半硬岩石或小直径钻孔。☆十字形钎头：宜用于硬岩石或大孔径浅孔。对于大孔径深孔，需在十字形钎头上镶嵌一字形超前刃，钎头尖角的大小与岩石硬度有关。二、钎杆：断面有六角形、圆形和矩形等。钎杆在凿岩过程中承受轴向压应力、扭转应力和弯曲应力。其中，弯曲应力和弯曲疲劳是主要应力和主要破断因素，目前常用钎杆钢为35硅锰钼钒和55硅锰钼两种材料。三、钎尾：其结构有三种，如图所示。1、带钎肩的六角形断面钎尾：用于气腿式凿岩机。2、带凸台的圆形断面钎尾：用于导轨式凿岩机。3、无钎肩的六角形断面钎尾：用于伸缩式凿岩机。四、钎头与钎杆的连接方式：螺旋连接和锥销连接，如图所示。第三章凿岩台车教学目标：⑴熟悉凿岩机械的类型⑵掌握风动凿岩机工作机构的组成及其工作原理⑶熟悉各种凿岩机械的特点及其应用场合和条件⑷熟悉与凿岩机配套使用的凿岩工具学时分配：9学时教学重点：各种凿岩机工作机构的组成、工作原理和性能特点及其应用条件教学难点：风动凿岩机主要参数的分析与计算气阀结构及原理教学方法：讲授多媒体第一节凿岩钻车类型及其特点和使用条件凿岩钻车是将凿岩机连同自动推进器一起安装在钻臂或钻架上，并配以行走机构的一种设备。它的使用，标志着采掘机械化程度的提高。一凿岩钻车种类1、按其用途分为：平巷掘进钻车、采矿钻车、锚杆钻车和露天开采凿岩钻车。2、按其行走机械分为：轨轮式、轮胎式和履带式。3、按其架设凿岩机台数分为：单机钻车、双机钻车和多机钻车。※各类凿岩钻车的主要特点及其适用性如下：★露天钻车的主要特点：多为单机，轮胎或履带式行走机构。适用于中小型露天采矿场、土建工程等作业场所。★掘进钻车的主要特点：单机、双机和多机都有，轨轮、轮胎和履带式行走机构。适用于平巷掘进、遂道、涵洞和地下工程等作业场所。★采矿钻车的主要特点：单机或双机，多为轮胎式行走机构。适用于采矿场、大型硐室等作业场所。★锚杆钻车的主要特点：为单机，轮胎式行走机构。适用于钻锚杆孔和安装锚杆用。第二节凿岩钻车的基本原理一、平巷掘进凿岩钻车1凿岩钻车应具备的运动条件：①凿岩机能在全断面内进行作业，即按炮眼布置的要求确定孔位。②凿岩机沿炮孔轴线前进或后退，即凿岩机的推进运动。③推进器与工作面成任意角度，以便钻凿一定角度的炮眼。④推进器的补偿运动。⑤每一凿岩循环应将凿岩台车撤离或送进工作面，即台车的行走运动。2、凿岩钻车的组车及工作原理为了完成上述运动，凿岩钻车的主要组成部分应包括：凿岩机及其推进器、支臂及其变幅机构、车架及其行走机构、供水及液压操纵系统等。※工作原理：3、钻车的选择在选择钻车时，应考虑设备的技术、经济指标的合理性和先进性。（1）经济指标包括设备的投资、能源消耗、材料消耗、设备维修及管理、设备折旧等费用。（2）技术指标包括设备的先进性和对凿岩爆破工艺要求的适应性，具体包括：①凿岩速度快，工作稳定可靠、结构简单、便于操作和维修；②满足各种凿岩爆破工艺对钻孔布置和深度的要求，以及巷道断面尺寸和运输方式等方面的要求。（3）凿岩钻车的生产率：每班生产按下式计算：L=KVTn×102式中，n—凿岩钻车上同时工作的凿岩机数，T—每班纯工作时间V—技术钻进速度K—凿岩机的时间处用系数，可查表确定。4、凿岩机类型及台数的确定一般地，首先选定凿岩机类型，再据此选定钻臂数和推进器类型。多数凿岩钻车都是配套设计和制造的。比如CGJ－2型钻车使用7655型凿岩机，CGJ－2Y型钻车使用YYG80－1型液压凿岩机等。凿岩钻车上可安装凿岩机的台数n，主要根据工作面尺寸和所需钻孔总深度确定。即：n=100L/KKVT=100Zh/KVT式中，L—所需钻孔的总深度，L=Zh。Z—所需钻孔数。h—每班所钻孔的平均深度。二、采矿凿岩钻车在采用无底柱分段崩落采矿法的某些金属矿山中，使用CTC－700T和CTC－214型采场钻车钻凿中深孔。对于薄矿脉、小巷道的金属矿山，使用CTC－140和SGC－1B型采场钻车钻凿浅孔。1、CTC—214型采矿凿岩钻车的结构和工作原理：如图所示2、CTC—700型采矿凿岩钻车的结构和工作原理：如图所示3、国产采矿凿岩钻车技术特征：P55页表3-4所示。三、凿岩钻车发展近况1、自动化凿岩：在钻车上安装有自动控制系统，实现单孔循环自动化，如芬兰的KS50A型和瑞典的BOOm131-05型钻车。2、坐标凿岩：每组炮眼都按标准炮眼布置图钻凿。如法国Pantofore型钻车。3、程序凿岩：凿岩程序控制是由电子操纵盘来完成。如法国Secoma270型钻车。4、一机多用，凿装联合：如法国256型、美国Cardner、Denvev型钻车。第四章潜孔钻机第一节概述一、潜孔钻机的应用在钻孔机械应用中，气腿式凿岩机只能钻凿小孔径、中浅炮孔；重型导轨式凿岩机经接杆也能钻凿较深的炮孔，但能量消耗大，钻进速度慢。而潜孔钻机的特点是活塞打击钎杆时的能量损失不随钻孔的延伸而加大，因此，它适合于钻凿大孔径、深度大的炮孔。潜孔钻机是利用潜入孔底的冲击器与钻头对岩石进行冲击破碎，因此，称为潜孔钻机。广泛用于金属矿山、水电、交通、建材、港湾和国防工程中。二、潜孔钻机的分类1、根据使用地点不同，分为井下潜孔钻机和露天潜孔钻机两大类。如：井下潜孔钻机有K7—80、KQJ—100型，露天潜孔钻机有KQ—100、KQ—150、KQ—200、KQ—250型，如图所示。2、根据孔径不同，分为轻型潜孔钻机（孔径为80~100mm，机重为数百公斤到2~3吨）、中型潜孔钻机（孔径为150mm，机重为10~15吨）、重型潜孔钻机（孔径为200mm，机重为25~35吨），特重型潜孔钻机（孔径为250mm，机重为40~45吨）。三、潜孔钻机的结构组成及工作原理1、井下潜孔钻机：如图所示。由冲击机构5、回转机构1、推压机构3、升降机构2、操纵机构6及支承机构4等部分组成。2、露天潜孔钻机：如图所示，以KQ—200型露天潜孔钻机为例，由钻架与机架回转供风机构、推进提升机构与调压装置、接送钻杆机构、起落钻架机构、行走机构、除尘系统及操纵室等部分组成。潜孔钻机的工作原理与其它凿岩机一样，都有冲击、转动、排碴和推进等凿岩成孔过程，同属于冲击转动式钻孔。不同之处在于：潜孔钻机的冲击器装在钻杆的前端，潜入孔底，随钻孔的延伸而不断推进。潜孔凿岩原理简图如图所示。四、潜孔钻机的特点与其它凿岩机相比，它具有如下特点：①冲击能量损失不随钎杆的加长而增加，可凿钻大孔直径的深孔；②工作面噪音大大降低；③钻进速度快，机械化程度高，辅助作业时间少，提高了钻机的作业率；④机动灵活；⑤钻孔质量高；⑥能钻凿中硬或中硬以上（f≥8）的岩石。第二节钻具潜孔钻机的钻具包括钻杆、冲击器和钻头。钻杆的两端有连接螺纹，一端与回转供风机构相联接，另一端联接冲击器。冲击器的前端安装钻头。※潜孔钻机的钻孔过程：钻孔时，回转供风机构带动钻具回转并向中空钻杆供给压气，冲击钻头进行凿岩，压气将岩碴（粉）排出孔外，推进机构将回转供风机构和钻具不断向前推进。一、钻杆※钻杆的作用：是把冲击器送到孔底，传递扭矩和轴压力，并通过其中心孔向冲击器输送压气和水。※钻杆的材料：因钻杆受到复杂载荷作用和磨蚀作用，要求钻杆有足够的强度、刚度和冲击性，钻杆采用中空厚壁无缝钢管与两端按焊接而成。如图所示。二、冲击器※冲击器的作用：是通过活塞的运动把压气的压力能转变为破碎岩石的机械能，并实现孔底排碴和处理夹钻。※冲击器的结构：如图所示※冲击器的性能分析：冲击器的冲击功、冲击频率和耗气量是表征冲击器性能优劣的主要参数。冲击器的冲击功越大，钻孔速度越高。但冲击功的增加量有一定限度的。因为，一方面受到钻头硬质合金柱强度的限制；另一方面，在钻头直径一定的情况下，单位功耗是不同的，且差别很大。※影响单位功耗最优的因素：①所破碎的岩石硬度。②活塞冲击速度。对于坚硬的岩石，最优冲击速度为5—7.5m/s，若过低，则钻孔速度低，单位功耗增加；若过高，则不仅会增加单位功耗，而且会引起活塞和钻头的疲劳破坏。因此，在冲击功、冲击频率和活塞重量相同的情况下，细长活塞有利于减缓活塞和钻头的疲劳破坏，破坏岩石的效果好，单位功耗小。所以，冲击器宜采用棒锤形细长活塞结构。冲击功越大，冲击频率越高，冲击功率就越大，但冲击功率大，钻孔效率不一定高，因此，冲击器多属于大冲击功、低冲击频率类型的冲击器。三、钻头钻头是传递冲击能量，直接破碎岩石的工具。1、钻头技术要求：凿岩效率、钻孔速度及钻头寿命，主要取决于钻头的结构型式及材质状况。★从受力情况看，钻头承受很大的动载荷和磨擦作用，因此，要求钻头有较高的表面硬度，较好的耐磨性和足够的冲击性。★从结构上看，应有利于压气进入孔底以冷却钻头和排除岩碴。★从能量传递上看，钻头重量与活塞重量之比应尽可能接近于1，以提高冲击能量的传递效率。活塞重量对冲击功、冲击速度和碰撞能量传递状态都有很大影响。在同样的冲击末速度条件下，活塞重量大大，则冲击功大，冲击次数少，而碰撞反弹现象变化不明显，破岩效果是理想的，但活塞重量过大，势必将活塞尺寸加长，使其有效行程相应变小，因而冲击能量相对降低。如图所示。2、钻头类型及结构分析①按其结构，可分为整体式与分体式两种。整体式钻头具有便于加工和使用、能量传递效率高等优点，但整体钻头由于钻头工作面积硬质合片（柱）的磨损会导致整体钻头的报废，因此，广泛采用分体式钻头。②按其钻刃形状，可分为刃片型、柱齿型和片柱混装型三种。※刃片型钻头，即是镶焊硬度合金片的钻头，多在十字形和X形钻头使用，如图所示。★优点：成孔规则，钻刃磨钝较慢，因凿岩粗颗粒岩粉生长率较多而使粉尘浓度下降，钻进速度较快等。缺点：①钻刃离钻头回转中心愈远时，承受负荷愈大，磨钝及磨损也愈快，当钻头侧面磨损后，使其呈现楔形，易于卡钻；②合金片各处受力不均，在横向力作用下，合金片易受弯曲而折断；③刃片磨修次数较多。※柱齿型钻头：是用机械的方法把一定规格的硬质合金柱压入到钻头体上的齿孔中而成。如图所示。★优点：①在穿孔过程中能自行修磨，使钻头钻进速度趋于稳定；②可根据受力状况合理布置合金柱；③柱齿磨损20%时，钻头仍然可以继续工作；④嵌装工艺简单，一般用冷压法嵌装即可。※柱片混装钻头：钻头的周边镶焊刃片，中心凹陷处嵌装柱齿。如图所示。这是根据钻头中心破碎岩石体积小而周边破碎岩石体积大的特点而设计制造的，它能较好地解决钻头径向快速磨损问题，但制造工艺较为复杂。第三节各类潜孔钻机的工作原理及使用条件一、井下潜孔机1、钻机工作原理：※回转供风机构：一方面提供回转动力并把动力传递到钻具，完成钻具钻凿动作；另一方面，通过其空心轴把高压气水混合物送入钻杆直达冲击器，完成孔底吹碴动作。※推进调压机构：一方面通过活塞杆往返运动，使回转供风机构向前滑动，钻具则以一定轴压作用于孔底，实现凿岩推进；另一方面调节气缸进气压力，实现在合理轴压力下钻孔。※操纵机构：通过操纵开关手把，操纵回转供风机构和推进调压结构完成各自动作。※凿岩支柱：升降钻机以适应作业空间的高度和钻凿不同方向的钻孔。※行走机构：2、钻机使用条件：井下潜孔钻机技术特征如P67页表4-3所示。二、露天潜孔钻机1、钻机工作原理：※钻架与机架：机架通过横梁座落在履带上，钻架通过铰接方式与机架连接并绕铰接轴转动，以适应各种孔向。钻架上安装有回转供风机构、推进提升机构、钻具、接送杆机构。机架上则布置有操作机棚、除尘系统、司机室等。※回转供风机构：驱动钻具回转和高冲击器供给压气。※推进提升机构与调压装置。如图所示。推进钻具，保证钻头工作时始终与孔底接触，并实现回转供风机构和钻具的快速升降，调压装置是保证钻具时孔底施以合理的轴压力，以获得最优的钻孔效率。※接送钻杆机构：露天潜孔机多用主、副两根钻杆。钻杆的接卸和存放由接送钻杆机构完成。如图所示。※走行机构：一般用履带行走机构，实现长距离行走和移位。除尘系统：将钻孔排出的尘气混合物进行尘气分离，以保证作业点空气中的粉尘浓度达标。又分为干式和湿式两种。☆干式除尘是直接对尘气混合物进行分离和捕集。不需用水，但除尘效果较差，设备复杂庞大。☆湿式除尘是利用风、水混合进行凿岩，水在孔底湿润粉尘，使之成为湿的岩粉球团或岩浆排出孔外。除尘效果好，设备简单，消除二次尘源，但凿岩效率相对较低。如图所示。三、边坡预裂潜孔钻机沿边坡钻凿一排较密的平行斜孔，进行预裂光面爆破，形成由排孔控制的平整岩面，减少边坡表面的破坏。这是控制边坡的有效方法之一。边坡预裂潜钻孔机，钻孔直径为80～120mm，机重小于10t，可在多方位上钻凿多角度的钻孔，适用于各种露天工程钻凿边坡预裂孔、水平或阶梯式爆破深孔。机型有KQ0-80型、CLQ15型、SQ100J型等。四、潜孔钻机的发展趋势第五章牙轮钻机牙轮钻机是在旋转钻机的基础上进一步发展起来的新型钻孔设备。与其它旋转钻机的最主要区别在于钻头不同。一、牙轮钻头1．牙轮钻头的类型①按牙轮的数目，可分为单牙轮钻头、双牙轮钻头、三牙轮钻头、四牙轮钻头和多牙轮钻头等。目前，应用最多的为三牙轮钻头。②按牙轮上刃齿的形式，可分为铣齿钻头和柱（球）齿钻头两种，前者是用铣刀在轮锥体上铣出的牙齿，形状多为楔形，如图所示。后者是镶嵌在牙轮上的硬质合金柱。目前，多用后者代替前者。③按排碴时吹风方式的不同，分为中心吹风排碴式和旁侧吹风排碴式钻头，如图所示。2．工作原理牙轮机工作时，通过回转机构和加压机构给牙轮钻头施以回转扭力矩和轴压力。当钻头回转带动牙轮滚动时，在轴压的静载荷及牙轮滚动时的动载荷作用下，牙轮上的刃齿以凿碎、压入、剪切、刮削等形式破碎岩石。如图所示3．三牙轮钻头的结构三牙轮钻头是一种三牙轮中心排碴式钻头，主要部件是牙爪、牙轮和轴承，如图所示。二、牙轮钻机1组成部分由钻具、钻架与机架、回转供风机构、加压提升机构、接卸存放钻杆机构、起降钻架机构、稳车千斤顶、行走机构、除尘系统、操作控制系统等组成。如图所示。2．工作原理3．使用条件国产牙轮钻机技术特征如P91页表5-1所示。与其他类型的钻孔设备比较，它具有钻孔效率高、成本低、安全可靠和使用范围广等特点。三、牙轮机的选型牙轮钻机在钻孔过程中，施加在钻头上的轴压、转速和排碴风量是保证钻机有效穿孔的主要工作参数。1轴压力对穿孔速度和钻头寿命的影响施加于钻头上的轴压力应有一个合理值，合理值取决于岩石坚固性质系数（f）、钻头直径和钻头质量。如图所示。※I区为表面破碎区：轴压力小于岩石极限抗压强度，依靠表面磨损破碎岩石，因此，凿岩速度低，破碎速度与压力成直线关系。※II区为疲劳破碎区：轴压力增大但仍小于岩石极限抗压强度，破碎速度比轴压增加的快。※III区为体积破碎区：轴压力大于岩石极限抗压强度，岩石当即崩碎，破碎岩石的效率高，破碎速度与轴压成直线关系。轴压力合理值与钻头直径、岩石坚固性的关系见表所示。2回转速度对穿孔速度和钻头寿命的影响一般地，穿孔速度随钻具转速成正比关系，但转速过大不仅会使孔底排碴困难、钻头磨损加快，而且还会使钻机产生强烈震动，影响钻机和钻头的寿命，如图所示。3排碴风量对穿孔速度和钻头寿命的影响增大风量可有效地吹洗孔底岩碴，改善牙轮齿的破碎岩石条件，同时，还能减少钻头的磨损，更好地冷却轴承，延长钻头寿命；它还可以减少孔底残碴，增加有效孔深，减少超钻深度。※小结★最合理的轴压力值应能够使岩石形成体积破碎。★若要获得较高的穿孔效率，应选取合理的钻具转速。★增大排碴风量对穿孔速度和钻头寿命都有利。第六章装载机械第一节铲斗式装载机铲斗式装载机的铲斗装于装载机的前端，依靠装载机的行走系统使铲斗插入岩堆，借助于提升机构提升铲斗实现装卸动作。一、前端式装载机前端式装载机是以铲斗在装载机前端进行铲装和向前卸载的装载机，如图所示。铲运机是车身较低、铰接转向、轮胎行走的前端式装载机。井下用前端式装载机与地面前端式装械机结构相似。但井下前端式装载机有以下特点，如图的示。①车身低矮，宽度较窄而长度较长，以适应井下作业空间狭窄的环境；②经常处于双向行驶状态，司机操纵利用侧坐或双向驾驶的布置。③动臂较短，卸载高度和卸载距离较小。④柴油机要采取消烟和净化措施。废气主要成分氮氧化合物、碳氢合物、碳氧化金物及油烟等，废气净化可采取选用优质燃料、选用燃烧完全的内燃机，进行机外净化处理和加强通风等措施。⑤零部件材料选择及制造工艺应考虑防潮防腐蚀。二、装运机装运机本身带有储料仓、轮胎行走、铲斗式装载的装运卸联合设备。装运机利用铲斗多次铲装、翻卸而装满储料仓来完成整机的装载工作，其驱动方式有气动和柴油内燃驱动两种。装运机卸料方式有料仓倾翻式、底卸式和推出式。多用于井下采场工作面的矿石运搬，将矿石卸入溜井。国产装运机的技术特征见149页表6-5所示。我国生产的ZYQ—12和ZYQ—14型气动装运机，特别适合于井下小型矿的使用，其结构如图所示。※装运机选型：三、装岩机装岩机是直接卸载的装载机。1特点及适用范围装岩机具有结构简单、紧凑、适应性强、工作可靠和能在弯曲道内作业等优点，井下矿山使用广泛。机型有Z-17、ZQ-26、ZCD-4、H600等型电动或气动装岩机。其中Z-17、ZQ-26型装岩机是用于井下掘进或采场装载的轻型装岩机，所装矿石块度可达500mm。2．结构及工作原理如图所示①行走部分：由行走机构、行走减速箱体、传动机构和轮轴等部分组成。其中，减速箱体是行走部分的底架，又是机器的机体，其前、后都有一个缓冲器，前端缓冲器的前板安装铲斗，使机体承受插入力，后端缓冲器用以拖挂矿车，减速箱体上板安装回转部分。②回转部分：由回转机构、复位机构和稳绳装置组成。作用是使上部回转盘在水平面内左右转动一定角度，以便铲装巷道两侧的岩石，扩大装岩范围；同时，将所装的矿岩卸于装岩机后面的矿车中。③提升机构：由提升电机、减速箱、提升卷筒和链条等组成。其作用是提升工作机构。④工作机构：是装岩机用以直接完成装卸工作的机构。3．装岩机的技术特征：见155页表6-6所示。三、带转载设备的铲斗式装载机它是在工作机构后面安装有转载机构，作业时，岩石经运输机运载到后面的矿车里。目前，主要机型有ZCY-30、ZCY-60及YJG-30型。主要用于矿山水平巷道掘进及铁道、水电水平隧道掘进工作中装载岩石。由铲斗及其驱动机构、转载运输机、可绕纵轴线回转的机架、行走机构及油泵站等组成。如图所示。技术特征：159页表6-7所示。第二节耙式装载机一、耙式装载机的应有和特点1耙式装载机的应用耙式装载机分为：蟹爪式装载机（LB-150型、ZXZ-60型）、立爪式装载机（ZL-100型）、顶耙式装载机（ZYP-60型）、双工作机构的耙式装卸机（Z-180型），此类设备用于矿山、铁路、水电等隧道工程中的出碴作业以及车站、码头、仓库、贮物场的松散块状物料的装卸作业。2耙式装载机的特点它的主要特点在于工作机构的装载方式上。①装载时，耙爪插入岩堆的阻力较小。耙取物料的工作头是从岩堆的顶部或侧面插入岩堆。②具有较高的生产能力。装岩动作是连续或半连续的，并且自身带有转载运输机构。③卸载范围较大。耙式装载机在机头和机尾两端，根据作业要求，可实现在垂直方向上作升降运动以及随机身作水平摆动。④运距限制对生产能力影响较小。耙式装载机的技术特征：175页表7-1所示。二、各类耙式装载机的组成和工作原理1、蟹爪式装载机又名双臂式装载机。由机头部、转载运输机、履带行走装置和液压传动装置等组成。如图所示。装载机工作时向岩堆缓速推进，承载板的前缘徐徐插入岩堆，落在承载板上的物料被蟹爪送到运输机的受料口，并经由刮板运输机卸入停在机器后部的运输设备中,属于连续取料设备。2、立爪式装载机立爪式装载机结构特点：如图所示。※优点：①插入、耙取物料的阻力小，功率消耗少，生产率高。②装载和耙取范围大，作业灵活，操作方便。③两个立爪分别驱动，可交错运动，又可同步运动，有利于清理和耙装较大的岩块。④各个驱动机构采用液压系统，即使超负荷，也能保护各部分机构不受损坏。⑤可用于清理工作面和挖沟。3、耙斗式装载机由耙矿绞车、钢绳、耙斗、滑轮、台车、集料板、转载槽及操纵装置等组成，如图所示。工作原理：耙矿绞车和转载槽均安装在可移动的台车上，耙矿绞车上的滚筒绞绕钢绳，经滑轮牵引耙斗往返运动，岩石被耙斗耙运至转载槽后部卸入矿车。目前，我国制造的耙斗式装载机技术特征：181页表7-2所示。此类设备主要用于平巷或斜井（倾角小于30°）掘进、净高大于2m，净断面在5m2以上的巷道中，装岩块度为300mm第三节抓岩机主要用于竖井掘进出碴。目前使用较多的是多个抓片式、压气为动力的抓岩机。按结构和运行方式分为长绳悬吊式、环形轨道式、中心回转式和靠壁式等。一．靠壁式抓岩机：如图所示，由气动抓斗、提升机构、变幅机构和旋转机构等分组成。抓岩机用钢绳吊于井口的稳车上，其机架挂在井壁的锚杆上，以液压支撑装置紧紧撑持在井壁上。工作时以压气为动力开闭抓斗，以液压实现抓斗的升降、动臂的变幅和回转动作，保证抓取井筒内任意位置的岩块。其技术特征：185页表8-1所示。二．中心回转式抓岩机：如图所示抓斗围绕井筒中心作回转运动和沿井筒直径方向作往复运动，从而使抓斗能抓取井筒任意地点的岩块。又分为环形回转式和悬臂回转式两类。第四节单斗挖掘机一单斗挖掘机的应用为露天矿开采用的主要设备之一，可用来完成表土的剥离、堆弃、转载以及矿石的采掘和装运等工作。目前，使用较多的单斗挖掘机的斗容有2m3、4m3、10m3和10~15m3为了使生产能力合理，在单斗挖掘机工作时，必须使挖掘机的斗容与运输设备的容积合理配套。※1m3※2m3※4m3挖掘机与20T，32T或60T铁轨自翻车配套，适用于装备年产量※8~12m3二单斗挖掘机工作装置的主要类型：如图所示。三单斗挖掘机的选型单斗挖掘机的选型技术特征192页表9-1所示。四单斗挖掘机的分类常以转动方式划分为机械传动、液压传动和混合传动三大类。※机械式单斗挖掘机：由铲头动臂、回转平台、履带行走机构等组成，如图所示。※液压式单斗挖掘机：与械机式单斗挖掘机的组成部分和工作过程基本相同。它是在机构式单斗挖掘机的基础上发展起来的高效率装载设备。两者的主要区别在于动力装置和工作装置上的不同。液压挖掘机是在动力装置与工作装置之间采用了容积式液压传动系统，直接控制各机构的运动状态，从而进行挖掘工作。一般情况下，液压挖掘机的工作装置和回转装置必须是液压传动，只是行走机构可以是液压传动，也可以是机构传动。与机构式挖掘机相比，液压式挖掘机具有结构紧凑，易于实现标准化、系列化和通用化等特点。第七章矿山运输机械第一节矿用车辆一、矿车的用途及分类：轨道运输是矿山运输的主要方式之一。矿车是一种轨道运输的主要运输设备。根据矿车的用途不同，可分为：1．运矿车辆：根据车箱形式和卸载方式不同，又可分为：固定车箱、翻转车箱式、侧卸式和底卸式矿车。2．运人车辆：分为平巷人车和斜井人车。3．辅助车辆：有平板车、材料车、炸药车、水车、消防车、卫生车、食品车和测力试验车等。二、矿车的基本性能参数1．矿车容量：包含矿车车箱的容积和最大载重量两个指标。2．车皮系数：用车皮系数Kc表征。即：Kc为矿车自重Go与载重G比。查表可得Kc值。3．矿车容积系数Kv：Kv为矿车车箱容积V与矿车外形体积之比。4．矿车的基本阻力系Kf数：Kf为矿车基本运行阻力与矿车全重之比。三、矿车的结构特点1．固定车箱式矿车：由车箱、车架、轮轴、连接器和缓冲器等组成。如图所示。此种矿车与圆形翻车机配套使用，实现自动卸载。2．翻转车箱式矿车：如图所示。采用人力向两侧翻转卸载。适用于卸载位置经常变动的场合，一般多用于废石运输或小型矿山的矿石运输。3．侧卸式矿车：车箱与铰链与车架连接，车箱的一侧铰接着可侧向开启的车门，另一侧下部装设一个卸载滚轮，如图所示。卸载时，曲轨将矿车卸载滚轮抬起，在车箱倾翻的同时，侧门开启，车箱中的矿石即倾卸入溜井或矿仓中，卸载后，滚轮沿曲轨下降，车箱复位，车门关闭。因卸载效率高、设备简单、移设方便等优点，在矿山中应用广泛。但车门处易漏矿粉。4．底卸式矿车：如图所示。是一种底部开门的矿车。卸矿时，矿车通过卸载站，底板后端的滚轮沿着卸载曲轨向下滚动时，底板即因矿石和底板的自重而逐渐开启，矿石卸入漏斗内（溜井），卸矿后，滚轮沿由轨向上滚动并关闭底板。当整列矿车通过卸载站时，电机车和矿车车箱借助焊装在它们两侧的翼板承托在特别的一组托轮上，此时，中机车停止运转，依靠性力和反作用力，使整列矿车继续向前运动。待列车通过后，接通电源，电机车牵引，卸载过程完毕。卸载效率高、不易造成矿车结底，但矿车结构复杂、成本高、卸载站开拓工程最大，因此，常在粘结性大的矿石或中大型矿山中使用。四、矿车的选择选择矿车时、应综合考虑矿山生产工艺流程、运输系统、矿车用途、岩（矿）石性质及装卸条件等因素。①矿山企业生产规模。一般地，大型企业采用固定式或底卸式矿车，中小型企业，采用固定式或侧卸式矿车。②矿车用途。运输废石，多用翻转车箱式矿车。③运距。当运距短时，宜用侧卸式矿车、但粉矿多、贵重金属矿石、涌水量大的矿山不宜使用。④矿车的容积。一般地，矿车容积大，其技术经济指标较好。矿车容积的确定可参考表12-4。五、矿车数量的计算在选定矿车车型、确定矿车容积之后，应进行矿车数量的计算。1．按矿车周转率计算矿车一次周转是指矿车从装载点出发，经过卸载点，空车又回到装载站。矿车的因转率指矿车在一定时间内在整个运输线路能运行的循环次数。它与装车时间、卸矿时间、空重车运行时间补助作业时间有关。矿车数量按下式计算：（辆）Z0=Ab/GXK1·K2·K3式中，Z0―所需矿车数量，Ab―班运输量，G―矿车有效载重量，K1―杂用系数，取，K2―检修系数，取，K3―备用系数，取，X―矿车班周转次数。2．按定点分布法计算是根据全矿在生产中矿车实际分布和运行情况统计得出。即：在需要同时工作的各片段平面图上，注出矿车分布情况：运行中的列车车辆、装载站、井底车场、材料库、井筒内及地表车场等处的矿车数量，然后加以考虑检修和备用的矿车数量。Z0=ΣZi·K2·K3式中，Zi―某个地点占用的矿车数（辆），n－全矿占用矿车地点数目。可见，第二种方法比第一方法计算的矿车数量较为准确。第二节矿用电机车一、矿用电机车分类及技术特征按作业环境不同，分为露天矿用电机车（ZG系列）和井下矿用电机车，（ZK系列和XK系列）。按电源种类不同，分为直流电机车和交流电机车。按供电方式不同，分为架线式电机车和蓄电池式电机车。矿用电机车技术特征：255页表13-1所示。二、井下矿用电机车的构造：如图所示，由机械和电气两大部分组成。1．车架：车架是安装所有机械、电气部分的主体部件，它通过弹簧托架座落在轴箱上。车架常用较厚的钢板焊接而成。因为车架不仅受力复杂，而且为了增加电机车的粘着重量。2．轮对：由一根车轴和两个车轮组成，如图所示。轮心和轮箍热压配合而成，并用压力嵌在车轴上；轮对应有足够的强度。3．轴箱：它是轴箱与车架的联接部件，如图所示。4．弹簧托架：它是轴箱与车架之间的联接装置，如图所示。它是把电机车运行时的冲击和振动弹性地传给轮对。弹簧托架是由长度不等的板弹簧叠起来并用钢箍套结而成的，其底部座落在轴箱上。车架的支承成为三支点的静定空间平行力系。5．车轴传动装置：电机车的两车轴都是行走主动轴，每轴教由单独的车轴传动装置传动，其特点为一级齿轮传动。6．制动系统：矿车中设有电气制动和机械制动系动（制动闸），制动闸的操作方法有手动、气动和液动三种，无论采用何种操作方法，均必须设置手动制动。7．撒砂装置：如图所示。其作电量增加车轮与钢轨之间的粘着系数。8．牵引电动机：目前都采用直流串激电动机，它具有机械特性软、结构简单、体积和重量较小、能适应矿山工作条件等优点。三、电机车的选型应考虑运输量、采矿方法、装矿点分布情况、运距和车型的特殊要求等因素。如果装矿点分散，溜井贮矿量小，应选用多台小吨位电机车；反之，应选用大吨位电机车；专为掘进巷道用、运输人员、材料和线路维修的，应选用小吨位电机车；运距长、运量大的平峒，应选用大吨位电机车。若为双机牵引时，应选用两台同型号电机车。四、电机车运输计算原始资料：设计生产率，运距、线路平面图和纵剖面图以及电机车和矿车的规格、性能，每班需要运人员、材料、设备列车数等。1．列车运行阻力①基本阻力：指列车沿水平的直线轨道匀速运行时所受到的阻力。主要由轴承摩擦阻力、车轮的滚动擦阻力、轮缘与轨道之间的滑动摩擦阻力等构成。W1＝（P+Q）gω式中，W1--基本阻力，P－电机车自重，Q－矿车组自重，ω－列车基本阻力系数ω值与轴承类型、矿车容积、轨面状态等因素有关，可查表。②坡道阻力：指列车在坡道上运行时，由于列车重量沿倾斜方向的分力所引起的运行阻力。W2＝±（P+Q）g·sinβ式中，W2－坡道阻力，β－坡道与水平面的夹角，正号表示上坡，负号表示下坡。③弯道阻力：指列车在弯道上运行时，克服的弯道阻力。W3＝（P+Q）gωw式中，ωw－弯道阻力系数，ωw＝35k/1000√Rk－系数，当外轨抬高时，k＝1，当外轨不抬高时，k＝R－弯道半径，④惯性阻力：指列车以加速度或减速运行时所受到的阻力。W4＝±（P+Q）a式中，a－列车的加速度或减速度，当列车加速时，a＞0，取正号；当列车减速时，a＜0，取负号。⑤列车运行阻力为：W=W1+W2+W3+W42电机车牵引矿车数的计算①按电机车的起动条件计算牵引重量：根据井下运输中最困难的条件计算，即按重车沿弯道上坡起动条件计算。电机车的牵引力为：F=（P+Qzh）·g·(ωzh+ip+ωw+1.式中，Qzh－矿车组重车重量，即牵引重量，ωzh－重列车起动阻力系数，查表，ip－线路平均坡度，ip＝1000（i1L1＋i2L2＋i3L3＋…）/(L1+L2+L3i1、i2、i3…，L1、L2、L3…为各段线路的坡度和长度。又因为，为了避免车轮不在钢轨上滑动，应使牵引车≤最大粘着力。F≤Pn·g·μ式中，Pn－电机车主动轮轴压在钢轨上的总压力，亦为电机车的粘着重量。当为双轴驱动时，Pn＝Pμ－电机车的粘着系数，查表可得。联合上述两式，可求得：Qzh≤[Pnμ/（ωzh+ip+ωw+1.075a/g②按制动条件计算牵引重量：根据列车在最不利的情况下制动，即重车沿直线轨道下坡制动，并使制动距离符合安全规定。按上述条件制动时，列车的基本阻力有利于制动，而坡道阻力和惯性阻力则成为制动阻力。因此，有：B＝g(P+Qzh)(g+ip-ωzh)式中，az－列车制动时的减速度。又根据有关安全规程规定，电机车制动应满足下列两个条件：★一是电机车的照明灯有效射程要求制动距离★二是电机车制动避免被闸瓦抱死，要求电机车的最大制动力≤粘着力，即：B≤Pz·g·μ式中，Pz－电机车的制动重量；联合上述两式，可求得：Qzh≤（Pz·μ/g+ip-ωzh）－P所以，电机车牵引的矿车数Z为：Z=Qzh/(G+G0)式中，Qzh－按相关条件计算的牵引重量中之较小值；G—矿车的有效载重量；G0—矿车的自重；③按牵引电机车的温升条件进行校验温升条件：指牵引电机车的温升不超过允许温升，亦即电动机的等值电流Id不应超过它的长时电流Ich。首先，计算电机车牵引重车和空车运行时，每台牵引电动机的重牵引力Fzh和空车牵引力Fk:Fzh=1/n[P+Z(G+G0)](ip+ωzh)gFk=1/n[P+ZG0]](ip+ωk)g式中，n－电机车上的牵引电动机数ωzh、ωk－分别为重列车和空列车的基本阻力系数，查表可得。其次，在牵引电动机的特性曲线（如图所示）上，根据所计算的Fzh和Fk，查出重列车和空列车运行时牵引电动机的电流Izh、Ik以及速度Vzh、Vk。第三，计算电机车每往返一次，牵引电动机的等值电流Id。Id=α√(I2zh•tzh+I2k•tk)/(T1+Q)式中，α－调车系数，当运距小于1000m时，取α=；当运距为1000—2000m时，取α=；当运距大于2000m时，取αQ—调车时间，包括调车、装卸车、让车和意外耽误的时间等。一般取Q＝20－25min；tzh—重车运行时间；tzh＝Lm/60×Vzhtk—空车运行时间，tk＝Lm/60×VkLm—电机车到最远的一个装车站的距离；Vzh、Vk分别为重车和空车的平均速度；T1—总的运行时间，即：T1＝tzh＋tk最后，进行校验，若Id≤Ich，则牵引电动机发热良好，其温升不会超过允许值，电机车牵引的矿车数是恰当的；若Id＞Ich，则须减少矿车数。3．电机车台数的计算①电机车往返一次的时间T：T＝T1+Q②一台电机车每班可完成的往返次数n1:n1=60tb/T式中，tb－电机车每班工作小时数，取tb＝6－h③完成每班出矿量需要的往返次数m：m＝C•Ab/Z•G式中，Ab－某中段的班平均生产率；C－运输的不均衡系数④每班运输废石、人员、材料、设备等所需要的往返次数m1。⑤需要的工作电机车台数N1:N1=(m+m1)/n1⑥需要的电机车总台数N：N＝N1＋N2，N2－备用电机车台数第三节胶带输送机一、胶带输送机的分类及特点胶带输送机是一种连续输送物料的机械设备。它是通过驱动装置的驱动滚筒与胶带之间的摩擦阻力来传动。胶带输送机适宜于输送容重为~m3的块状物料。可以是水平输送也可以是倾斜输送，但其倾斜角度有限制，当倾斜向上输送物料时，倾角不超过18°，当向下输送物料时，倾角不宜超过15°。※胶带输送机分为三种：1．普通胶带输送机：如图所示，胶带内帆布层作为承载构件，同时，又以胶带作为持送构件。单机输送距离有限。2．钢绳芯胶带输送机：如图所示，胶带内以钢丝绳作为承载构件。具有运距较长、运输能力大、胶带寿命长和经济效果等优点。3．钢绳牵引胶带输送机：如图所示，以两根钢丝绳作为牵引构件，而胶带仅用作持送构件。具有运距长、能力大、胶带寿命长、功率消耗小、运行平稳、安装使用和维修方便、经济效果好等优点。二、胶带输送机的工作原理及结构1．结构：由胶带、驱动滚筒、换向滚筒、托辊、拉紧装置、机架等组成。2．工作原理：胶带绕经驱动滚筒和换向滚筒构成一个无极环形带。上段胶带支承在槽形托辊上，下段胶带支承在平直托辊上。工作时，驱动滚筒通过它与胶带间的摩擦阻力带动胶带运行。★托辊和机架：其作用是支承胶带，减少胶带运行阻力，使胶带的垂度符合要求，以保持胶带运转平稳。又可分为槽型托辊、平型托辊、调心托辊和缓冲托辊等，如图所示。★驱动装置：是胶带运送机的动力源。可分为单电机驱动和多电机驱动；单滚筒、双滚筒和多滚筒驱动等不同布置形式。地面上使用的固定式胶带输送机多采用单机单滚筒驱动形式。井下胶带输机和长距离输送物料时，多采用双滚筒驱动和多滚筒多点驱动形式。★拉紧装置：使胶带具有足够的张力，借以保证滚筒与胶带间产生必要的摩擦阻力，另一方面，限制胶带的垂度。分为螺旋式、垂锤小车式、垂锤小车式、钢绳胶车式、垂直式等拉紧装置。第八章矿井提升设备第一节概述一、矿井提升设备应用与发展矿井提升设备的主要用途是沿井筒提运矿石，升降人员，下放材料工具和设备等。矿井提升设备是矿井最大的固定设备之一，是一套较复杂的机械——电气机组。矿井提升系统是矿井重要的生产系统。矿井提升机随着矿井生产日益走向集中化、大型化而向体积小、重量轻、能力大、安全可靠和高度自动化的方向发展。二、矿的提升设备的组成主要由提升容器、提升钢丝绳、提升机、井架和天轮以及装卸载附属装置等组成。三、矿的提升系统1、竖井单绳罐笼提升系统，如图所示。2、竖井多绳箕斗提升系统，如图所示。四、矿井提升设备的分类1、按用途划分：主井提升设备和副井提升设备。2、按提升机类型划分：缠绕式提升设备和磨擦式提升设备。3、按井筒倾角划分：竖井提升设备和斜井提升设备。4、按提升容器划分：罐笼提升设备和箕斗提升设备。5、按拖动装置划分：交流提升设备和直流提升设备。6、按提升系统的平衡划分：平衡提升设备和不平衡提升设备。第二节提升容器提升容器供装运矿石、人员、材料、设备和其他货物之用。竖井提升采用罐笼和箕斗两种容器。一、罐笼罐笼用于主井提升，也可用于副井提升，有单绳、多绳之分，也有单层、双层和多层罐笼。如图所示。1、罐笼的结构胶其附属装置：以单绳单层罐笼为例.①罐体：它是承载的金属结构，由侧板、顶盖门、罐门、底板、阻车器等组成。②悬挂装置：它是提升容器与提升钢丝绳之间连接部件总称。常用的桃形环绳卡连接装置和双面夹紧自位楔形绳卡连接装置。如图所示。其特点：能防止在钢丝绳产生附加弯曲应力，延长寿命，具有较大的安全系数，适应钢丝绳载荷的变化，钢丝绳上夹紧压力分布均匀等。③导向装置：又称为罐耳，它使罐笼沿着井筒中的罐道运动。根据罐道的不同，又分为刚性罐道导向装置和柔性罐道导向装置。如图所示。④断绳防坠器：又称保险器，其作用是当钢丝绳或连接装置万一发生断裂时，防坠器可使罐笼卡在罐道上，以保证所运送人员的安全。其结构如图所示。多绳双层罐笼的结构：如图所示。它与单绳罐笼不同之处在于：①挂装置较复杂，设置有调绳装绳；②罐笼底部设有尾绳悬挂装置；③对于单水平用的多绳罐笼可采用活动底盘罐体；④没有断绳防坠器。2、罐笼的承接装置①作用：在井底车场、让矿车出入罐笼。②种类：★刚性罐道承接装置：有承按梁、罐座（托台）、摇台等三种形式。其中，承接梁只用于车场，罐座和摇台可用于井底和井口车场；而中段车场只能使用摇台。★柔性罐道中段稳罐装置：保证罐笼进出车时的稳定。目前，使用的有钩式稳罐器和活动平台稳罐器。二、箕斗只能用来提升矿石或废石。在竖井中使用，按结构形式，分为翻转式箕斗（采用计量漏斗装矿）和底卸式箕斗（采用计重漏斗装矿），前者适应于单绳提升，后者多用于多绳提升。1、结构及卸载过程①翻转式箕斗：由框架和斗箱两部分组成，如图所示。卸载时，框架仍沿°时，框架停止上升，矿石靠自重卸入矿仓。②底卸式箕斗结构如图所示。三、平衡锤1、作用：在单罐笼或单箕斗提升系统中，平衡提升载荷，减小卷筒上提升钢丝绳的静张力差，以减小电动机容量。由于平衡锤单容器提升需要的井筒断面小，井底及井口设备简单，工作灵活性大等优点，被广泛用于多中段提升。2、结构：由框架和重块组成，如图所示。四、提升容器的选择1、优缺点比较：①箕斗的优缺点：※优点：★自重小；★井筒断面小；★相同井筒断面下，井下可使用大容量矿车；★装卸过程自动化且所需时间少，生产能力大。※缺点：★井下、井上均需设置矿仓；★不能运送人员和材料；★必须设有副井提升设备。②罐笼的优缺点：※优点：★不需设置井下、井口矿仓；★井筒高度小；★便于矿物分类运输；★可用于主副井提升。※缺点：★自重大；★提升机尺寸和电动机容量增大；★效率较低。2、选择提升容器时应考虑的主要因素①矿井生产能力；②矿物品种数量；③矿物粉碎程度；④地面生产系统的总体布置；⑤矿井基建时间长短。3、提升容器规格的选择在选择提升容器应考虑的因素中，矿井年产量An和矿井深度Hj是最重要的因素。选型后，还应选择其规格。※箕斗规格的选择①小时提升量As=CAn/trts式中，As一小时提升量；C一不均衡系数，对于箕斗提升，取C=，对于罐笼提升时，取C=，An－矿石年产量；tr—年工作日数；ts—每日工作小时数。②双容器提升时，一次提升量：Q’=As/3600(K1√H+u+θ)③单容器提升时，一次提升量：Q’=As/1800(K1√H+u+θ)④箕斗容积：V’=Q’/ρCm⑤箕斗规格的选择:根据计算的V’后，应选择与相近的箕斗容积V，然后，计算出一次有效提升量Q。式中，H—提升高度；u—箕斗低速爬行的附加时间，取u=10-15秒；ρ—矿石松散密度；Cm—箕斗装满系数，取Cm=～；K1—系数，取K1=～；θ—箕斗装载停歇时间，查表。※罐笼规格的选择罐笼提升时，一般根据矿车的外形尺寸和提升时间选择其规格。第三节提升钢丝绳一、提升钢丝绳的构造、种类和应用范围提升钢丝绳的用途是悬吊提升容器并传递动力。1、构造：它是由数个相同数目钢丝捻成的绳股绕一绳芯捻制而成。一般由六个绳股组成。绕芯是用麻捻制而成。2、技术特征参数：①钢丝直径；②钢丝韧性；③钢丝的极限抗拉强度（又称为公称抗拉强度）,一般地，钢丝公称抗拉强度为1550～1700MPa。3、钢丝绳的分类①按捻制方向分类：左捻的钢丝绳和右捻的钢丝绳，如图所示。当钢丝绳缠绕在卷筒呈左螺旋时，则选用左捻钢丝绳。反之，应选用右捻钢丝绳。②按捻制方法分类：交互捻（逆捻）和同向捻（顺捻），如图所示。交互捻的钢丝绳多用于斜井提升，同向捻的钢丝绳多用于竖井提升和架空索道运输胶带运输的索引。③按钢丝直径为类：等直径钢丝和不等直径钢丝。④按绳股的断面形状分：圆形股钢丝绳和异形股钢丝绳。如图所示。二、提升钢丝绳的计算及选择由于钢丝绳的受力复杂，疲劳损坏因素较多，目前在计算钢丝绳最大静负荷时，根据安全规程要求进行计算。1、提升钢丝绳的安全系数：是指钢丝绳所有钢丝破断力之和与最大静负荷之比。提升钢丝绳的安全系数有严格的规定。如25页所示。2、竖井单绳提升钢丝的计算如图所示.在A点处钢丝绳静张力最大。FAmax=(Q+Qr+p’H0)g式中Q—一次提升量；Qr—容器自重；p’—钢丝绳的单位长度重；H0—钢丝绳的最大悬垂长度：对于罐笼提升，H0=Hj+hja,对于箕斗提升，H0=hz+Hj+hja；式中，Hj—矿井深度；hja—井架高度；hz—箕斗装矿高度；g—重力加速度。★当提升钢丝绳工作时，为了不使其拉断应满足下列条件：(Q+Qr+p’H0)g≤100бbAs式中，бb—钢丝的极限抗拉强度，一般取1700MPaAs—钢丝绳所有钢丝横断面之和。★当提升钢丝绳工作时，为了使钢丝绳具有安全规程规定的安全系数m，故：(Q+Qr+p’H0)g=100бbAs/m根据上式计算的p’值，选取钢丝绳标准重p值，然后验算安全系数。m’=Fp/(Q+Qr+pH0)g≥m式中，p—所选标准提升钢丝绳每米重；FP—所选标准提升钢丝绳所有钢丝破断力之和。2、竖井多绳提升钢丝绳的计算多绳提升每一根钢丝绳的单位系数长度重等于单绳提升时钢丝绳单位长度的1/n。然后，根据上述计算式进行计算。第四节矿井提升机及天轮提升机供缠绕和传动钢丝绳之用，以完成矿井升降重物的任务。提升机分为单绳缠绕式和多绳摩擦式两大类。一、单绳缠绕式提升机1、动作原理国产单绳缠绕式提升机JKA型和JKB型系列，均为等直径提升机。按卷筒个数，当为双筒和单筒提升机两种。①双筒提升机：如图所示。在主轴上安装两个卷筒，其中一个称为固定卷筒（死卷筒），另一个称为游动卷筒（活卷筒）。双筒提升机用作双钩提升，两个卷筒的钢丝绳缠绕方向相反，当卷筒旋转时，其中一根向卷筒上缠绕，另一根则自卷筒上松放，从而实现提升重容器，下放空容器的任务。它具有更换中段、调节绳长和换绳均方便等优点。②单筒提升机：可用作单钩提升，也可用作双钩提升。双钧提升时，卷筒缠绕表面为两根钢丝绳所共用，下放绳空出卷筒表面时，上升绳即向该表面缠绕。它具有结构紧凑、重量轻的优点，但不能用于多中段提升，且调节绳长和换绳也不方便。2、结构：JKA型双筒提升机的结构，如图所示。它主要由主轴装置、制动装置、减速器、联轴器、深度提升器等组成。①调绳装置：它的用途是使活卷筒与主轴分离或联接，必须调节绳长、更换中质或更摇钢丝绳时，使两个卷筒产生相对运动。②减速器：用于电动机与主轴之间完成拖动、制动、正常运行等转速的转换。③深度指示器：主要用于指示容器在井筒中的位置；发出减速信号；进行安全制动；进行过速保护。矿井提升机配有牌坊式、圆盘式和多水平深度指示器等三种。前两者用于单水平提升，后者用于多水平提升。如图所示。天轮直径的选择，一般等于卷筒的直径，或按安全规程规定选择。三、单绳缠绕式提升机与井筒相对位置的确定单绳缠绕式提升机安装地点的选择，主要考虑卸载方便和简化地面运输系统。安装地点确定后，其具体位置由下列因素决定：1井架高度hja是指井口水平到最上面天轮轴线之间的垂直距离。※若两天轮位于同一水平轴线上时，如图所示。对于罐笼提升：hja＝hr＋hgj＋1/4Dt对于箕斗提升：hja＝hx＋hr＋hgj＋1/4Dt※若两天轮位于同一垂直面内，如图所示。对于罐笼提升：hja＝hr＋hgj＋1/4Dt＋hj对于箕斗提升：hja＝hx＋hr＋hgj＋1/4Dt＋hj式中，hr－容器高度；hgj－过卷高度，当提升速度≤3m/s时，hgj≥4m，当提升速度＞3m/s时，hgj≥6m，hj－两天轴线之间的垂直距离，hj＝2卷筒中心至井筒提升中心线之间的水平距离b其最小值应满足下式的要求：bmin≥hja++D在设计时应取b≥bmin，一般为20－30m3钢丝绳弦长L为钢丝绳离开天轮的接触点到钢丝绳与卷筒的接触点之间的距离。根据有关计算式计算。4钢丝绳偏角а是指钢丝绳弦与天轮平面之间的角度。其值不应大于1°30¹，偏角又分为内偏角和外偏角。5钢丝绳仰角φ是指钢丝绳弦与水平线之间的角度。其值可根据有关规定值选取，但一般不应小于30°。第九章提升设备的运动学与动力学第一节提升设备的运动学一提升速度的确定在提升过程中，提升速度是时间的函数v=f(t)，提升速度图如图所示。根据理论力学可知：提升速度图所包络的面积表示提升的高度H。这就表明：把矿石提升到地面可以采用不同的速度，但其中必有一个最经济合理的速度。设：H－提升高度，a－加速度（减速度），t0－最短的一次提升时间，V0－最大提升速度，★当速度按三角形变化时，则：V0＝√aHt0＝2√a/H★当速度按梯形变化时，则：t＝V/a+H/V联合上述三式，可得：t/t0=1/2•[1+(V/V0)2]/(V/V0)将上式表示的函数关系绘于图中，如图所示。※从图可知：当提升速度V超过（――）V0时，提升时间的缩短己不明显。又设Vp－平均速度，由速度图可得：t＝H/Vp，t0＝2H/V0将之代入上式得：Vp/V0＝1/[1+(V/V0)2]将上式表示的函数关系绘于图中，如图所示。※从图可知：当提升速度V＝时，速度效率Vp/V0＝同理，可求出提升有效载重Q、筒直径D、提升电动机容量Nd与提升速度之间的关系曲线如图所示。※从以上两幅图可看出：提升速度由0增加到（）V0时，使提升有效载重Q、卷筒直径D有较大的减小，而提升电动机容量仍在适当的范围内；若提升速度再增加时，提升有效载重Q、筒直径减小的不显著，而提升电动机容量增加程度较大。所以，最合理经济的提升速度为：V＝（――）V0＝（――）√aH一般提升加速度（减速度）为―1m/s2,则V＝（―）√H（―）的选取：当H＜200m时取下限，当H＞600根据上式计算的速度V值，选择与其接近的提升机标准速度Vm，但必须符合安全规程的规定：★竖井提升人员时，最大速度不应大于下式的计算值：V＝√H，但不得大于12m/s★竖井提升货物时，最大速度不应大于下式的计算值：V＝√H二罐笼提升速度图各参数的计算罐笼提升一般采用三阶段梯形速度图，如图所示。设：t1－加速运行时间，t2－等速运行时间，t3－减速运行时间，T1－一次提升运行时间，T－一次提升运行全时间，Vm－最大提升速度。★加速运行时间t1和距离h1：t1＝Vm/a1；h1＝1/2Vmt1★减速运行时间t3和距离h3：t3＝Vm/a3；h3＝1/2Vmt3★等速运行时间t2和距离h2：h2＝H―h1―h3；t2＝h2/Vm★一次提升运行时间：T1＝t1＋t2＋t3★一次提升运行全时间：T＝T1＋θθ－停歇时间★每小时提升次数n为：n＝3600/T★每年生产能力A’n＝trtsnQ/C≥An加速度a1和减速度a2通常在下列范围内选定：提升人员时不能大于0.75m/s2；提升货物时不能大于1相应的加、减速时间为：手动操作时t1（t3）≥5s；自动操作时t1（t3）≥3s三箕斗提升速度图各参数的计算1箕斗提升速度图在箕斗提升过程中，若空（重）箕斗在卸载曲轨内运行时，其速度和加（减）速度都要受到限制，而在卸载曲轨外运行时，其速度和加（减）速度则不受限制，因此，★单绳提升非翻转式箕斗采用对称五阶段速度图，如图所示。★单绳提升翻转式箕斗采用六阶段速度图，如图所示。★多绳提升底卸式箕斗用固定曲轨卸载时采用六阶段速度图，如图所示。★多绳提升底卸式箕斗用活动曲轨卸载时采用非对称五阶段速度图，如图所示。2箕斗提升速度图各参数的计算箕斗进出卸载曲轨的速度和在其中运行时的加（减）速度常按下列数值选取：★空箕斗离开卸载曲轨时速度V0≤1.5m/s，a0≤0★重箕斗进入卸载曲轨时速度V4≤1m/s，a4≤0.3以六阶段速度图为例，已知H、Vm和箕斗卸载距离h0；选取箕斗进出卸载曲轨的速度V0、V4和在其中运行时的加（减）速度a0、a4；爬行距离h4以及减速度a5；箕斗在卸载曲轨外运行的加（减）速度a1、a3；则：★空箕斗在卸载曲轨内运行的加速运行时间t0及加速度a0：t0＝2h0/V0；a0＝V0/t0；★箕斗在卸载曲轨外运行的加速运行时间t1及距离h1：t1＝Vm－V0/a1；h1＝（Vm＋V0）t1/2；★重箕斗在卸载曲轨内的减速运行时间t5及距离h5：t5＝V4/a5；h5＝V4t5/2；★重箕斗在卸载曲轨内的等速爬行时间t4：t4＝h4/V4；★箕斗在卸载曲轨外的减速运行时间t3及距离h3：t3＝Vm－V4/a3；h3＝（Vm＋V4）t3/2；★箕斗在卸载曲轨外的等速运行时间t2及距离h2：h2＝H―h0―h1―h3―h4―h5；t2＝h2/Vm；★一次提升运行时间：T1＝t0＋t1＋t2＋t3＋t4＋t5；其它计算同前。第二节提升设备的动力学一提升设备的动力学基本方程为了使提升系统运动，则卷筒上力矩是平衡的，即：M＝Mj＋ΣMg式中，M－提升电动机作用在卷筒轴上的旋转力矩；Mj－提升系统作用在卷筒轴上的静力矩；ΣMg－提升系统所有运动部分作用在卷筒轴上的惯性力矩之和；由于卷筒直径不变，因此，上式可写成：F＝Fj＋ΣFg式中，F－提升电动机作用在卷筒圆周上的拖动力；Fj－提升系统作用在卷筒圆周上的静阻力；ΣFg－提升系统所有运动部分作用在卷筒圆周上的惯性力之和；ΣFg＝Σma所以，F＝Fj＋Σma上式即为提升设备的动力学基本方程。二提升静力学提升静阻力Fj等于上升和下放两根钢丝绳的静张力差(Fjs－Fjx)与矿井阻力W之和，即：Fj＝Fjs－Fjx＋W如图所示，设罐笼自提升开始经过时间t，重罐笼上升和空罐笼下降的距离均为x，则★上升绳的静张力为：Fjs＝[Q＋Qr＋p(H－x)]g★下放绳的静张力为：Fjx＝(Qr＋px)g★矿井阻力包括：井筒内运行的空气阻力、罐道的摩擦阻力、钢丝绳弯曲时的刚性阻力及轴承的摩擦阻力等，通常按下式估算：W=ξQg式中，ξ表示提升阻力为提升量Q的百分数，对于罐笼提升ξ=20%，对于箕斗提升ξ=15%，所以有：Fj＝[(1+ξ)Q+p(H－2x)]g＝[KQ+p(H－2x)]g式中，K－矿井阻力系数，对于罐笼提升K＝，对于箕斗提升K＝由此可见，Fj＝f（x）是一条向下倾斜的直线，如图所示。★当x＝0时，即提升开始时，Fj＝（KQ+pH）g★当x＝H/2时，即两罐笼相遇时，Fj＝KQg★当x＝H时，即提升终了时，Fj＝（KQ－pH）g由此可见，在一次提升过程中，造成静阻力变化的是钢丝绳重力（pHg）的改变，而不是提升量及矿井阻力（KQg）。钢丝绳重力使下放绳的静张力不断增加、使上升绳的静张力不断减小，导致两根钢丝绳的静张力差减小，这种提升系统称为静力不平衡系统。这对提升工作是不利的。三提升系统平衡原理为了克服静力不平衡提升系统的缺点，常用悬挂尾绳方法进行静力平衡。设：q－尾绳每米重，则：Fjs＝[Q＋Qr＋p(H－x)＋q（x+hw）]gFjx＝[Qr＋px+q（H+hw－x）]g式中，hw－容器位于装矿位置时，其底部到尾绳绳环端部的高度，故Fj＝Fjs－Fjx＋W＝[KQ－（q－p）(H－2x)]g令Δ＝q－p，则：Fj＝[KQ－Δ(H－2x)]g★当Δ＝0时，q＝p，为等重尾绳提升系统，此时有：Fj＝KQg，可见，上式表示F＝f（x）的函数关系是一条平行于横坐标的直线，如图所示。这种在整个提升过程中，静阻力保持常数的提升系统称为静力平衡系统。★当Δ＞0时，q＞p，为重尾绳提升系统，F＝f（x）的函数关系是一条上升的直线，如图所示。★当Δ＜0时，q＜p，为轻尾绳提升系统。※采用尾绳提升系统，也有如下缺点：★两个容器不能同时进行几个中段的提升工作；★增加了提升系统的运动质量，从而增加了提升电动机的容量；★生产成本增加；因此，单绳缠绕式提升只有在较深矿井采用尾绳平衡提升系统才是合理的。第三节提升系统的变位质量一提升系统变位质量的概念提升系统是一个复杂的运动系统，为了简化提升系统惯性力的计算，可以用卷筒上的集中质量来代替提升系统所有运动部分的质量，这种集中代替质量称为提升系统的变位质量。提升设备工作时，提升容器、货载和未缠绕的钢丝绳作直线运动，其速度和加速度等于卷筒圆周上的线速度和线加速度，这部分的变位质量等于其实际质量。因此，仅需要将旋转运动部分的质量进行变位。二单绳缠绕式提升系统运动部分的变位质量单绳缠绕式提升系统运动部分变位到卷筒圆周上的质量为：Σm=Q+2Qr+2pLp+qLq+miz+mic+mil＋2mit+mid式中，Lp－一根钢丝绳全长Lq－尾绳全长miz－主轴装置的变位质量mic－减速齿轮的变位质量mil－联轴器的变位质量mit－一个天轮的变位质量mid－电动机转子的变位质量其它符号同前。1电动机转子的变位质量mid的计算已知电动机转子的转动惯量Jd及角速度ωd，则：mid=4Jdi2/D2i－减速器传动比2主轴装置的变位质量miz的计算已知主轴装置的转动惯量Jz,则：miz＝4Jz/D23减速齿轮的变位质量mic的计算已知减速齿轮的转动惯量Jc,则：mic=4Jc/D24联轴器的变位质量mil的计算已知联轴器的转动惯量Jl,则：mil=4Jli2/D2,或mil=4Jl/D25天轮变位质量mid的计算已知天轮的转动惯量Jl,则：mit＝4Jt/Dt2Dt－天轮的直径。三电动机功率的计算因电动机转子的转动惯量与电动机功率和转速有关，所以，必须先求出电动机近似功率和转速，然后，据此查阅电动机产品目录预选出电动机，并查出电动机转子的转动惯量。1电动机近似功率的计算：★对于竖井单绳提升：P‘＝KQgVmρ/1000η★对于竖井单容器平衡锤及多绳提升：P‘＝KΔFjVmρ/1000η式中，P‘－电动机近似功率K－矿井阻力系数Q－一次有效提升量；Vm－最大提升速度；ΔFj－提升钢丝绳的最大静张力差；η－减速器传动效率，查产品目录表；ρ－动力系数，查有关资料。第十章矿井提升机的电力拖动装置与制动装置第一节矿井提升机的电力拖动装置一、提升电动机类型及其应用范围用于矿井提升机的电动机有交流绕线型感应电动机和直流它激电动机两类。一般地，拖动容量大于1000KW或提升速度在10m/s二、提升电动机拖动的特点1、交流提升电动机直接由交流电源供电，提升机速度的变化由电动机中可变电阻控制。在提升过程中，均未能得到设计的等加（减）速度和直边速度图，其实际加（减）速度及速度变化如图所示。提升机加速