矿井提升系统

1矿井提升系统的设计第一章摘要及矿井提升系统的发展历程及趋势一、摘要矿井提升机是矿井运输中的咽喉设备,是井下与地面联系的重要工具,它的状况如何,直接关系到生产的正常进行和人员安全。国内提升机的设计方法,主要采用传统的静态设计法,其基本结构参数往往偏大,设计周期长,很不利于产品换代和节省材料,由于设计问题,往往出现一些零部件过早失效。因此,传统提升机的设计方法必然面临着挑战,市场竞争要求设计者采用现代设计方法,瞄准国际提升机发展动向,设计出性能优越的新型提升机,以满足矿山行业的需求。然而在目前缠绕式提升机计算机辅助设计方面,提升机厂家及其研究机构还停留在对单个零部件的有限元分析、结构参数优化、以及设备选型设计计算,对卷筒结构以及提升机主轴装置整体进行优化设计研究和CAD系统研究分析方面还比较欠缺,由于缠绕式提升机主轴装置结构复杂、工况多、计算和绘图量比较大,因此在缠绕式提升机整体CAD的研究方面亟待突破和完善。主轴装置是提升机的重要部件,它起着存放钢丝绳、承担提升负荷以及传递动力的作用;理论和实践表明,卷筒是提升机中比较薄弱的部件;目前对刚性支轮支承下的筒壳强度的计算方法已有了较为详细的研究,而弹性支承下的筒壳及支轮的计算方法还是一个需要进一步研究的领域。本论文通过对现有各种筒壳应力计算方法的深入分析,指出现有筒壳应力计算公式存在的不足,应用系统工程的理论和观点,通过对提升机主轴装置整体的系统分析和研究,灵活采用弹性基础梁理论、弹性力学的平面应力问题和板壳弯曲理论对缠绕式提升机的关键零部件筒壳、支轮及主轴的应力和变形进行认真细致的理论分析,建立新型弹支卷筒结构的关键零部件筒壳、支轮计算的力学模型,根据筒壳与支轮的变形谐调条件,进行系统的公式推导,形成了一套比较准确的应力计算公式。基于软件工程的思想采用面向对象技术、模块化技术以及2数据库技术等现代设计方法,开发了缠绕式提升机的计算机辅助设计系统,在原有标准系列产品的基础上,对提升机进行了适应性设计。在提升机CAD系统的优化模块中,通过多约束的条件,建立了以主轴装置重量最轻和卷筒两支轮上的应力差最小的多目标函数的数学模型,进而采用符合工程问题的现代混合离散变量优化设计方法(MDOD)进行设计,优化主轴装置的结构参数以及确定支轮的最佳位置,使主轴装置的结构更加合理可靠。在比较各类专业机械CAD开发模式优、缺点的基础上,建立钢丝绳、电动机、减速器、联轴器、轴承、高强度螺栓等数据库,并运用参数化绘图原理,以优化结果作为输入,实现了缠绕式提升机主轴装置工程图的自动生成。采用面向对象的VisualBasic语言,以Windows作为应用平台,并选用AutoCAD作为图形支撑系统,以SQLserver作为底层数据支撑系统。完成了从方案设计到技术设计一体化的CAD软件的系统集成。软件系统的宿主语言是窗口化设计语言VisualBasic,以SQLServer为数据库管理系统,它具有开发速度快,软件设计过程可视化、充分体现现代软件技术等特点。本论文通过对新型弹支卷筒结构缠绕式提升机主轴装置及其关键零部件的研究,运用力学和优化理论,建立了计算力学模型和优化数学模型,提出了适合新型提升机卷筒结构的设计理论和优化方法。并借助于面向对象设计方法,实现了从方案设计、标准件的选型计算、工程图纸设计的缠绕式提升机的CAD设计方法的集成与统一,具有较强的适应性。本论文的完成完善了提升机设计理论,使其设计计算精确、结构合理,产品更加安全可靠。同时本论文使提升机在计算机辅助设计方面有了更进一步发展,大大减少了设计人员的工作量,降低了制造和使用的成本,缩短了新产品的开发周期,提高了设计效率,在提升机行业有很大的应用推广前景。本论文的研究,可广泛地应用于含有筒壳的各类矿山机械、工程机械、建筑机械等的领域中。二、提升设备发展历程及今后发展趋势（一）、提升设备的发展历程科学技术的不断发展，不同时代的各机型技术水平存在明显不同，结构3特点也有很大差异。同样由于各煤矿企业建矿年代的不同，目前不同时代的各机型都还在使用中，所以对提升设备的发展历程有一全面的了解，对不同机型的结构特点有一定的认识，以便使学生参加工作后对不同的煤矿企业的提升机各类机型不至于太陌生。1、单绳缠绕式提升机的发展历程单绳缠绕式提升机从前苏联援助设计生产到以后的自主研制，经过几十年的发展，大概经历了KJ、JKA、XKT、XKTB、JK、JK/A、JK/E几个典型机型。（1）、KJ型矿井提升机。KJ型矿井提升机属仿苏改进型提升机，其性能参数根据前苏联1952年系列参数标准而定。其结构型式的特点是①两点支承提升机主轴，主轴承为滑动轴承，需要接专门的润滑站，采用稀油润滑。②主轴装置采用两个铸铁法兰盘和Q235薄钢板筒壳组成。③调绳离合器为手动蜗轮蜗杆式。④制动器为角移式、单缸制动结构，即两副制动器依靠一个制动油缸来传递制动力。⑤制动力的调节靠手动杠杆控制三通阀，由三通阀来控制制动油缸活塞的位移来实现，安全制动是通过电磁铁控制的四通阀实现。⑥深度指示器采用牌坊式深度指示器。⑦减速器采用渐开线软齿面人字齿轮减速器，减速器轴承为滑动轴承。（2）JKA型矿井提升机。JKA型矿井提升机是在仿苏KJ系列提升机的基础上进行局部技术改进形成的，改进部位和内容是①主轴装置仍采用铸铁法兰盘。为提高筒壳强度和刚度，采用了Q235厚钢板筒壳。②为了调绳时省力省时，调绳离合器改手动蜗轮蜗杆式为电动蜗轮蜗杆式。③制动器由角移式改为综合式，由单缸制动结构改为独立传动的双缸制4动结构。④重锤液压蓄力器改为空气液压蓄力器。⑤液压传动装置由以行程反馈的三通阀控制改为电液调节阀压力反馈控制。⑥为了提高承载能力，减轻质量，减速器由渐开线齿形改为圆弧形人字齿轮减速器。⑦减速器高速级联轴器改为蛇形弹簧联轴器。⑧钢丝绳出绳角原规定大于或等于30°改为允许0°出绳。⑨取消地下室，改为一律不带地下室。（3）XKT型、XKTB型单绳缠绕式矿井提升机。XKT、XKTB型矿井提升机性能参数基本相同，基本符合单绳缠绕式矿井提升机基本参数与尺寸标准（JB26246—79）。其结构型式的特点是①主轴装置采用铸钢支轮和低合金高强度钢Q345钢板焊接卷筒的结构，筒壳采用较厚钢板。②调绳离合器采用轴向齿轮式液压调绳离合器。③制动器采用盘形制动器。④制动力的调节靠液压站的电液调压装置控制。⑤深度指示器采用圆盘式深度指示器。⑥减速器为圆弧齿形人字齿轮减速器，轴承为滑动轴承。⑦采用了微拖动装置。（4）JK型单绳缠绕式矿井提升机。JK型矿井提升机是在XKTB型基础上改进后定型的，基本符合单绳缠绕式矿井提升机基本参数与尺寸标准（JB26246—79）。其结构型式的特点是①深度指示器由圆盘式改为圆盘式和牌坊式两种，可由用户任选一种。②由于闸瓦制造质量不稳定，制动器闸瓦对制动盘的摩擦系数由0.4降至0.35，并且在结构上进行了改进以方便闸瓦的装拆。③圆弧齿轮减速器降级使用，即和XKTB型相比，同等规格的提升机采5用高一挡的圆弧齿轮减速器。④减速器在20世纪80年代初改为滑动轴承和滚动轴承两种，可由用户任选一种。⑤在20世纪80年代初期液压站改为延时达到0～10s的电气延时二级制动液压站。⑥对2～2.5m提升机增加了整体卷筒，与原有的两半卷筒结构，两种结构可由用户任选。（5）JK/A型单绳缠绕式矿井提升机。JK/A型系列提升机是在1981年组织有关人员对国内外提升机做了深入的调查，对国内外提升机的结构、性能做了全面的分析、对比，对2JK—2.5/20矿井提升机作了全面的重大改进，在此基础上于1984年2月开始，在现行部标基本参数不变的基础上，开展了更新系列的设计，1985年开始批量生产。其结构型式的特点是①主轴与固筒支轮的连接采用无键连接，卷筒与固筒支轮的连接采用高强度螺栓连接，装拆方便。②卷筒出厂时，带有已加工好螺旋绳槽的筒壳，使钢丝绳排列整齐，运行平稳，提高钢丝绳使用寿命。同时也带有安装木衬的卷筒，便于用户配用不同规格的钢丝绳。由用户任选一种。卷筒采用对开装配式，现场不需进行焊接，提高了产品质量，缩短了安装周期。③采用装配式制动盘，制动盘在出厂时进行精加工，保证了加工质量，缩短了安装周期。④主轴承采用双列向心球面滚子轴承，筒化安装，维护简单、提高效率，消除轴向窜动。⑤调绳离合器采用径向齿块式调绳离合器，使调绳快速、准确，提高了作业率，并消除了过去油缸漏油可能污染制动盘的危险。⑥制动器采用油缸后置装配式制动器，便于批量生产，并使制动更加安全可靠；为阻尼电动机转子惯性、减少对行星齿轮减速器齿面的冲击，在配用行星齿轮减速器时配有电动机制动器。液压站采用延时间可达0～10s的6液压延时二级制动液压站。⑦减速器采用渐开线齿形中硬齿面单斜齿平行轴减速器，或硬齿面行星齿轮减速器，特别是行星齿轮减速器，体积小、重量轻、效率高、噪声低。⑧电机轴联轴器采用弹性棒销联轴器，其缓冲性好，棒销使用寿命长，备件易解决，更换方便。⑨为加强安全保护性能，增设了机械限速保护。⑩深度指示器配有牌坊式深度指示器和由监控器传动的装在三体式操纵台上的小丝杠式粗指针指示器及圆盘式精针指示器。（6）JK/E型单绳缠绕式矿井提升机。JK/E型矿井提升机性能参数完全符合单绳缠绕式矿井提升机基本参数与尺寸标准，其结构型式的与特点是①全部采用硬齿面行星齿轮减速器，体积小、重量轻、效率高、噪声低。②减速器配备了专用的润滑站，保证减速器正常运行。2、多绳摩擦式提升机的发展历程多绳摩擦式提升机大概经历了DJ、DMT、JKM、JKMA、JKMDA、JKMC、JKMDC、JKME、JKMDE等几个典型的机型或品种。（1）JKM型矿井提升机。JKM型矿井提升机性能参数符合多绳摩擦式提升机基本参数与尺寸标准（GB10599—99）。其结构型式的与特点是①主轴为两支点，由调心功能的滚动轴承支撑。②主导轮为全焊接钢结构型。③摩擦衬垫主要采用PVC塑料。④减速器有两种型式：其一为带弹簧基础中心驱动减速器；其二为带两个高速输入轴的单级侧动式平行轴减速器。⑤制动系统为盘形制动器，早期的JKM型采用瓦块式制动系统。⑥深度指示器为机械牌坊式，带差动调零装置。后期产品增加了新的可消除滑动、蠕动影响的精针指示系统。（2）JKMD型多绳摩擦式提升机。JKMD型矿井提升机性能参数符合多绳摩擦式提升机基本参数与尺寸标准(GB10599—99)，其结构型式的与特7点是①主轴承为加强型，以适应于落地式提升机钢丝绳斜上方的出绳要求。②摩擦衬垫为双绳槽，可缩短车绳槽对提升时间的影响，并延长衬垫的使用寿命。③带有两组天轮装置，而JKM一般带有一组导向轮装置。（3）Ⅲ型或Ⅳ型直联结构多绳摩擦式提升机。近年来，大型多绳摩擦式提升机多采用Ⅲ型或Ⅳ型直联结构多绳摩擦式提升机。Ⅲ型多绳摩擦式提升机的性能参数遵循GB10599—99参数标准，其结构特点是①取消减速器，主轴和电机转子靠锥面过盈连接。②采用低速电机，电机转速与卷筒转速相同。③多采用恒减速液压制动系统，非传动端装设编码器或测速机，除了主控用测速机外，还要装设闸控用测速机，用于恒减速制动时的速度反馈。Ⅳ型多绳摩擦式提升机与Ⅲ型相比基本相同，不同之处在于以下两个方面：①Ⅳ型采双电机拖动，设备结构完全对称，两端电机共同驱动一个卷筒，因此Ⅳ型与Ⅲ型相比，提升负荷大大增加。②由于Ⅳ型采用双电机拖动，没有非传动端，往往在电机尾部装设编码器或测速机。（二）、矿井提升设备的发展趋势随着科学技术的进步和采矿工业的发展，矿井提升系统的技术装备先进性有了大幅提高，其技术发展趋势是朝着大容量、大功率、高效率、高安全性、高可靠性、全数字化及综合自动化控制的方向发展。矿井提升系统在机械结构、制造工艺、设计理论、设计方法、电气传动、自动控制、安全监视及保护措施等方面都有了很大发展和进步。当今世界范围内运行的提升机，最大提升速度已达20～25m/s；一次提升的最大静张力差已达50t；电机功率已超过5000kW，井深超过2000m（分段提升超过3600m）。由于高产高效矿井生产能力的强化和集中化，国外一些矿井采用