朱集西煤礦主井40噸箕斗曲軌卸載系統的研究與應用

張磊 楊杰 王凱

摘 要：曲軌卸載具有維護簡單、不需外動力的優點，采用曲軌卸載，可以提高生產效率，降低成本，以最小的設備投資獲得最大生產能力，將具有重大的經濟、社會和安全效益。文章結合朱集西煤礦的實際，對主井40噸箕斗曲軌卸載系統進行研究。

關鍵詞：大噸位箕斗；曲軌卸載；曲軌卸載研究；曲軌卸載應用

1 朱集西煤礦基本情況

朱集西煤礦設計生產能力4.0Mt/a。主井井筒凈直徑6m，裝備一臺JKMD-5.7×4（IV）E落地多繩摩擦式提升機。提升容器為一對40噸提煤箕斗，采用定重裝載方式，最大提升速度為14.92m/s，擔負礦井提升煤炭任務。研究曲軌卸載系統可以提高生產效率，降低成本，以最小的設備投資獲得最大產能，對朱集西煤礦按期投產具有重要的現實意義。

2 主要研究內容及關鍵技術分析

2.1 主要研究內容：40噸箕斗的結構（重點卸載滾輪及閘門軸間相對位置關系）；卸載曲軌的結構及與罐道架間固定方式。

2.2 關鍵技術

曲軌卸載關鍵技術包括力的分析和相應機構的設計。如果曲軌設計不合理，那么沖擊力和閘門開啟力均大，這樣就會使曲軌受力不均衡，曲軌、滾輪過早產生磨損，設備關鍵部位容易發生形變，從而發生安全隱患，影響設備安全可靠運行。對于大型箕斗，以上問題尤其突出，因此確定相關部件的結構幾何關系和受力分析是關鍵技術的所在。

2.2.1 相關部件的結構幾何關系

在煤礦立井提升系統中，箕斗卸載方式有曲軌卸載和外動力卸載2種卸載方式。采用曲軌卸載時，箕斗慢速提升至停止位置過程中，滾輪進入曲軌，在曲軌的擠壓下，滾輪一邊向上運行一邊向右轉動，帶動扇形閘門徐徐向上開啟，原煤卸載，卸載完畢后，主井提升系統即可直接進入下一提升循環。

卸載滾輪在曲軌中運行時，扇形閘門的開啟角度和曲軌形狀有固定的對應關系。由圖1可知卸載滾輪水平位移為：

（1）

所以，扇形閘門開啟角度為：

（2）

f（x1）兩邊對時間t求導，得到扇形閘門開啟角速度為：

（3）

對式（3）兩邊對時間t求導，得到扇形閘門開啟的角加速度為：

（4）

式中：R-扇形閘門滾輪桿長度，m；？茲a-扇形閘門滾輪桿初始位置與豎直方向夾角，rad；v-卸載滾輪豎直方向的運行速度，即箕斗運行速度，m/s；a-箕斗運行的加速度，m/s2。

2.2.2 受力分析

閘門開啟過程中，當幾何及運動關系確定時，閘門開啟力也是確定的。

滾輪處開啟力為：

（5）

式中：Fbas-系統基本開啟力，即克服煤阻力所需開啟力，N；Fmg-克服閘門自重所需的力，N；Fr-克服閘門回轉軸處摩擦力所需的力，N；Fm-克服閘門轉動的動力所需的力，N。

以上各力采用以下公式計算：

（6）

（7）

（8）

（9）

由圖2，根據受力關系得到曲軌所受正壓力為：

（10）

式中：S-扇形閘門弧形板面積，m2；？滓-扇形閘門弧形板處煤壓，N/m2；？滋j-扇形閘門弧形板與煤的靜摩擦系數；L-扇形閘門等效阻力矩，m；？茲1-為滾輪由初始狀態到閘門與煤有相對位移時的轉動角度，大小由閘門相關部件剛度及開啟力決定，rad；？茲a-滾輪桿軸線與鉛垂線的運動初始狀態夾角 （定義為負值），rad；？茲b-滾輪桿軸線與鉛垂線的運動終止狀態夾角，rad；？滋d-扇形閘門弧形板與煤的動摩擦系數；m-扇形閘門質量，kg；？準-扇形閘門的形狀角度，rad；L1-扇形閘門的初始重力矩，N·m；D-旋轉軸直徑，m；F合力-扇形閘門對旋轉軸的作用合力，N；？滋3-扇形閘門與旋轉軸的摩擦系數；I-扇形閘門相對旋轉軸的轉動慣量，kg·m2；？琢-曲軌切線與鉛垂線的夾角，rad。

（11）

曲軌固定在套架之上，在卸載過程中由于曲軌和卸載滾輪的相互作用，對箕斗將產生時變的動態力，這些力最終在水平方向上由四角穩罐裝置承擔，鉛錘方向（縱向）上由主提升鋼絲繩承擔。設水平力為X，鉛垂方向力為Y。可知：

（12）

（13）

式中：？滋w-箕斗與四角穩罐裝置之間的摩擦因數。可取？滋w=0.15

在系統設計過程中，式（10）、（13）將分別作為曲軌與套架受力設計、鋼絲繩受力設計的依據。

3 結束語

朱集西煤礦主井40噸箕斗曲軌卸載是我國國內40噸箕斗首次采用曲軌卸載。通過朱集西煤礦主井40噸箕斗曲軌卸載系統的研究與應用，掌握大噸位箕斗曲軌卸載的基本情況，在設計和模擬時按45噸箕斗的沖擊載荷計算，因此給礦井今后的技改和增產上留有一定空間。有利于提升礦井的生產能力，將具有重大的經濟、社會和安全效益。