立井提升系统的卡罐动力学分析与研究_李玉瑾

Abstract： A dynamics model of a hoisting system as a hoisting container jammed in the mine shaft was established． The dynamics features of the hoisting container as jammed were studied． Important conclusions on impact force of steel rope and system shift quantity being a direct ratio when a hoisting container suddenly jammed， the impact force and the hoisting speed being a direct ratio， the impact force and vibration frequency being a direction ratio， the impact force and the hoisting container distance to hoist drum being an inverse ratio were obtained． With an analysis on the impact force value of the two side steel ropes along the hoist when the hoisting container jammed， a max load of the mine shaft headframe or mine shaft tower could be rationally set up，which could provide the calculation method and theoretical basis to the analysis on the cage jammed and rope broken accident． Keywords： hoisting container； cage jammed； impact force； vibration frequency； hoisting speed 立井提升系统在运行过程中，起动加速、 制动减速、 等速运行和各种工况的紧急制动均为正常运行工况，而在 一些特殊事故状态如卡罐 、 过卷、 过放、 打滑或跑车等为 非正常运行工况或事故运行工况，而非正常工况的受力往 往是非常巨大的。 在提升系统设计中人们关心的问题是在什么情况下井 架或井塔受力最大，如果井架或井塔能克服最大载荷，这 。《煤矿安全 样既可以保证提升安全，又可以节省材料消耗 规程》 和 《矿山井架设计规范 》 关于防撞梁承受载荷的规 定相互矛盾，使设计者无所适从，因此，有必要对立井提 升容器卡罐时钢丝绳承受的冲击力进行深入研究 。 度大于 3m / s 的提升系统内，必须设防撞梁和托罐装置，防 撞梁不得兼作他用。 防撞梁必须能够挡住过卷后上升的容 器或平衡锤； 托罐装置必须能够将撞击防撞梁后再下落的 容器或配重托住，并保证其下落的距离不超过 0. 5m。 2 ） 《矿山井架设计规范》 GB 50385 － 2006 中规定偶然 载荷的标准值应按下列规定确定： 对于单绳提升，一根为 断绳载荷，另一根为两倍工作载荷； 对于多绳提升，一侧 为所有钢丝绳的断绳载荷，另一侧为所有钢丝绳的 0. 33 倍 断绳载荷。 防撞梁载荷标准值（ A3k ） 为： A3k = 4. 0 S max 。 缓冲装置载荷标准值（ A4k ） 为： A4k = 2. 0 S max 。 ，《煤矿安全规程规程》 规定为 显然，关于防撞梁载荷 ，《矿山井架设计规范》 规定为 4 倍的提升钢丝绳 断绳载荷 的最大静张力。 上述规定哪一个更合理，有待进一步的理
第 4 6 卷 第9 期 2014 年 第 9 期 doi： 10. 11799 / ce201409008
煤
炭
工
程
COAL ENGINEEo. 9 ，2014
立井提升系统的卡罐动力学分析与研究
李玉瑾，张安林
（ 中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120 ）
要： 论文建立了立井提升容器卡住时提升系统的动力学模型，研究了提升容器卡住时的 动力学特性，得出了提升容器在突然卡住时钢丝绳的冲击力与系统变位质量成正比，与提升速度 摘 成正比，与振动频率成正比，与提升容器距提升机卷筒的距离成反比的重要结论。通过分析提升 容器卡住时提升机两侧钢丝绳的冲击力数值，就可以合理确定井架或井塔的最大载荷，为分析卡 罐、断绳事故提供了计算方法和理论依据。 关键词： 提升容器; 卡罐; 冲击力; 振动频率; 提升速度 002303 中图分类号： TD532 文献标识码： A 文章编号： 1671 － 0959 （ 2014 ） 09-
由拉格朗日方程可得提升系统的单自由度振动微分方 1 ¨ + Cx1 = Q m）x 3 t 1
（ m1 + m2 + m x +
（ 1）
式中，Q 为卡罐时提升系统的总惯性力， Q = （ m1 + m2 + m x + m t ） V V = m ，其中 V 为提升容器的运行速度， Δt Δt
3
立井提升容器突然卡住时动力学特性分析
根据卷积法和杜哈美积分可得式（ 1 ） 的解为： x1 = 1 1 （ m1 + m2 + m x + m）ω 3 t
槡
m 1 + m2 + m x +
∫ Qsin［ω（ t － τ） ］dτ （ 3）
0
l
化简得： x1 = 则系统的振幅为： A1 = 图1 提升系统卡罐时单自由度数学模型 x10 槡
μα
2 T π = ，S d1 = mVω 当 Δt = 2 P π 1 2π 当 Δt = T = ，S d1 = mVω P π 显然，当 Δt 增加时，钢丝绳承受的冲击力显著下降 。 当 Δt = T（ 基波振动周期） 时，钢丝绳承受的冲击力仅为瞬 时卡住时的 0. 32 倍。 提升钢丝绳张力： S1 = （ m1 + m x + m2 + m t ） V ω + （ m3 + m t ） g 下放钢丝绳张力： S2 = （ m1 + m x ） V ω + （ m1 + m x ） g 公式为： S d1 = Q（ 1 － cosωt） S dmax = 2 Q （ 10 ） （ 11 ） 显然，当 cos（ ω1 t） = － 1 时，钢丝绳动张力为最大： （ 9） 变换式（ 4 ） 可得提升钢丝绳承受冲击力的另外一个计算 （ 8）
· ·
Qω sinωΔt，钢丝绳承受的最大冲击力为： C
S d1 = CA1 = mVω 当 Δt →0 ，则 lim 受的冲击力简化为：
槡 （ ωΔt ）
EF
2 （ 1 － cosωΔt）
2
（ 6）
Δt→0
槡
2 （ 1 － cosωΔt） = 1 ，因此钢丝绳承 （ ωΔt ） 2
S d1 = mVω = mV
槡
（ m1 + m2 + m x +
1 m）L 3 t 2
（ 7）
—下放侧绳端载荷，kg； m1 — — —提升机和电动机等变位质量，kg； m2 — — m3 — — —提升侧绳端载荷，kg； — —下放侧钢丝绳质量，kg； mx — mt — —提升侧钢丝绳质量，kg； — g— — —重力加速度，m / s2 ；
对于卡罐时所引起的非常载荷的计算，很少有人研究，
Δt 为提升容器卡住时的停止时间 。 求解式（ 1 ） 可得卡罐时提升系统的振动频率为： ω = C 1 m 3 t （ 2）
在提升容器突然卡住时，提升机及下放侧容器因惯性仍能 继续运动，在摩擦轮圆周上任意点共走了位移 x1 ，此时的 提升系统卡罐时的动力学模型如图 1 所示。
提升系统的总势能 U 为： U = － （ m1 + m x ） g x 1 + 式中
2
由式（ 7 ） 可以看出，钢丝绳承受的冲击力与提升系统变 位质量与提升侧绳端载荷之差 m 成正比，与提升速度 V 成 正比，与振动频率 ω 成正比，与提升容器距提升机卷筒的 距离 L2 成反比。在实际提升系统中钢丝绳振动频率 ω 的数 值一般为 2 ～ 20 ，因此，在不同位置卡罐时钢丝绳的冲击力 差距很大。这说明在井口附近卡罐最容易断绳 。 当 Δt = mVω T 3. 09 π （ T 为 系 统 的 振 动 周 期） ， S d1 = = 8 4 ω1 π
置卡死； ②过卷时防撞装置失效，提升容器直接撞击防撞 梁而卡死； ③罐笼运行中矿车溜出，与中间水平的摇台或 井筒的横梁相碰时造成； ④ 当罐道变形较大，罐笼在罐道 上运行时前后左右方向产生较大震动，造成防坠器误动作， 使罐笼卡住； ⑤ 罐笼内载荷偏装，造成提升容器发生偏斜 卡在四角罐道上； ⑥ 操车设备故障或信号工误发信号，造 成矿车卡在罐笼与安全门之间； ⑦ 罐道变形，接头不正， 提升容器受风流影响摆动过大而不能正确进入稳罐道等， 都是造成卡罐的重要原因 。 程为：
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2014 年第 9 期
当 Δt = T 2. 83 π = ，S d1 = mVω 4 2P π
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设计技术
丝绳振动频率为 2. 48L / s，振动周期为 2. 54s。 若起动冲击 速度为 9. 88m / s，则提升侧钢丝绳张力为 5870kN，下放侧 钢丝绳张力为 3490kN，两侧钢丝绳张力比值为 1. 68 ，小于 摩擦轮常数 e
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提升系统过卷的有关规定
1 ） 《煤矿安全规程 》 第三百九十六条规定： 在提升速 收稿日期： 2014 － 02 － 13
作者简介： 李玉瑾（ 1963 － ） ，男，甘肃庆阳人，教授级高级工程师，注册咨询工程师，注册电气工程师，从事煤矿机 械和电气工程设计和研究工作，E － mail： liyvjin@ sina. com。 J］ ． 煤炭工程，2014 ，46 （ 9 ） ： 23 － 25． 引用格式： 李玉瑾，张安林． 立井提升系统的卡罐动力学分析与研究 ［