在用多繩摩擦式提升機增產方案分析

李玉輝，劉坤良，張杰，馬小川

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3招金礦業股份有限公司 山東招遠 265400

提升機是礦井生產的咽喉設備，其產能對礦山企業的發展具有至關重要的影響[1]。近年來，隨著行業發展以及市場不斷變化，許多在用提升機的產能已滿足不了礦山發展的實際需要，具有迫切的增產需求。通過增大設備規格來提高在用多繩摩擦式提升機產能難度較大，因此發掘在用設備的能力以提高系統產能具有重要的現實意義。

1 提升機產能主要影響因素

提升機年產量

式中：A為年作業天數；C為日提升時間；Q為單次提升量；T為提升循環時間。

由上式可知，決定提升系統年產量的主要因素為年工作天數、日提升時間、單次提升量[2]和提升循環時間，其中年工作天數和日工作時間屬于工作制度問題，與設備本身關系不大。在礦井工作制度確定的情況下，發掘在用多繩摩擦式提升機能力，可從增加單次提升量、優化提升循環時間兩方面入手。

2 在用提升機主要增產途徑

2.1 增加單次提升量

增加單次提升量是在用摩擦式提升機增產的重要途徑之一。多繩摩擦式提升機單次提升量受到鋼絲繩最大靜張力、鋼絲繩最大靜張力差的限制[3]，如果在用設備的鋼絲繩最大靜張力、鋼絲繩最大靜張力差與設備許用值相比有一定空間，則該方案具有可行性。

增加單次提升量需校核鋼絲繩安全系數、襯墊比壓、鋼絲繩張力比、防滑系數、設備安全系數、制動系統能力、傳動系統能力等，根據校核結果制定增產實施方案。

2.2 優化提升循環時間

箕斗提升系統完成裝載、提升、卸載為一個提升循環，提升循環時間主要受到提升高度、加 (減) 速度、提升速度、爬行時間、休止時間的影響。

目前較常見的提升速度圖為五階段速度圖 (見圖1)，其快速提升循環時間

圖1 五階段速度圖

式中：v為最大提升速度；a為提升加 (減) 速度；H為提升高度；u為容器爬行階段附加時間；θ為容器裝卸載休止時間。

優化提升循環時間主要可從提高提升速度與優化休止時間兩方面考慮。

2.2.1 提高提升速度

提高最大提升速度有助于縮短速度圖中的勻速階段運行時間，但是加速時間及減速時間將加長；同時，最大提升速度不僅關系到系統產能，還關系到電動機容量、系統能耗以及提升安全等方面，提高最大提升速度須進行綜合考慮。另外，最大提升速度還受到安全規程和經濟提升速度的影響?！睹旱V安全規程》規定[4]：立井提升升降物料時，礦井提升系統的提升速度應小于等于《金屬非金屬礦山安全規程》規定：豎井升降物料時，提升容器的最高速度應不超過在礦山設計時，通常選擇為經濟提升速度。

如果最大提升速度大于經濟速度，提升系統的經濟性降低，提產效果不明顯，容易導致電動機功率選型過大，變頻器容量增加，并且對井筒裝備的沖擊更大容易引起振動等情況，需要投入更多的檢修時間甚至更換罐道。

2.2.2 優化休止時間

休止時間是指容器停止運動的時間，這是進行裝載、卸載、發送信號、準備啟動的過程。

優化休止時間可考慮提高裝卸載系統的自動化程度，采用先進高效的裝卸載系統，將裝卸載系統中的手動、半自動操作環節升級為全自動運行，縮短裝卸載系統各個機構之間的等待時間和動作時間。

優化提升循環時間除了從技術角度分析優化計算外，更需要在整個系統運行中進行實際操作、調整、改進，使提升循環中的每一個環節、每一個指令與動作銜接，都達到安全、高效的程度。

3 案例分析

3.1 設備概況

某礦主井配置 JKM-4.5×6 塔式多繩摩擦式提升機，采用雙電動機驅動，雙箕斗提升。目前該提升系統的提升能力已滿足不了井下原煤的提升需求，具有迫切的增產要求，增產目標為 800 萬 t/a?，F提升系統主要參數如表 1 所列。

表1 提升系統主要參數

3.2 方案分析

GB/T 10599—2010《多繩摩擦式提升機》規定：JKM-4.5×6 多繩摩擦式鋼絲繩最大靜張力為 1 450 kN，最大靜張力差為 440 kN。目前，該提升機鋼絲繩最大靜張力為 1 314.5 kN，鋼絲繩最大靜張力差為400 kN，均小于國標規定參數，具備提升空間。

在滿足規程規定的條件下，該系統的最大提升速度不能超過 12.51 m/s，目前該提升機運行速度為11.54 m/s，已屬于高速運行范疇，繼續提高提升速度對于整個提升循環時間的影響有限，且經濟性與可靠性低。目前，該提升系統單次提升循環時間為 88.5 s，處于合適水平。

對于本提升系統，以提高單次提升量為首選增產方案進行分析驗算。

3.3 系統驗算

3.3.1 鋼絲繩最大靜張力

鋼絲繩最大靜張力差由 400 kN 提升至 440 kN后，在鋼絲繩、提升容器等其他設備不變的情況下，系統最大靜張力由 1 314.5 kN 增加至 1 354.5 kN，小于 1 450 kN，符合標準要求。

3.3.2 鋼絲繩安全系數驗算

許用安全系數

式中：h為鋼絲繩懸掛長度。代入h=493 m，計算得 [k]=6.954。

安全系數

式中：n為主繩數量；Ft為鋼絲繩最小破斷拉力總和；Fmax為鋼絲繩最大靜張力。代入n=6，Ft=1 706.7 kN，Fmax=1 354.5 kN，計算得k=7.56，大于 6.954，鋼絲繩安全系數符合要求。

3.3.3 襯墊比壓

襯墊比壓

式中：F1為一側鋼絲繩靜張力；F2為另一側鋼絲繩靜張力；d為鋼絲直徑；D為卷筒直徑。代入F1+F2=2 279 kN，n=6，d=48 mm，D=4 500 mm，計算得p=1.77，小于 2 MPa，襯墊比壓符合要求。

3.3.4 提升設備能力驗算

(1) 主軸裝置能力驗算

提產后提升機動轉矩

式中：Fj為鋼絲繩最大靜張力差；R為卷筒半徑。代入Fj=440 kN，R=2.25 m，計算得Md=1 782 kN·m。

電動機錐面小端直徑為 676 mm，錐面配合長度為 810 mm，電動機錐面與主軸錐面過盈量為 0.7 mm，主軸雙錐面傳扭能力為 6937.5 kN·m。6 937.5/1 782=3.89，大于 3，錐面傳扭能力符合要求。

另經計算，提產后提升機主軸及摩擦輪等關鍵件安全系數大于 1.5，主軸裝置關鍵件強度符合要求。

(2) 制動力矩倍數驗算

制動力矩倍數

式中：N為制動器對數；Fz為制動器正壓力；f為摩擦因數；Rec為制動半徑。代入N=12，Fp=224 kN，f=0.35，Rec=2.625 m，Fj=440 kN，計算得b=4.99，大于 3，總制動力矩滿足規程要求。

(3) 張力比驗算

張力比

代入參數計算得系統張力比最大為 1.47，小于 1.50，張力比符合要求。

(4) 防滑計算

靜防滑驗算

式中：μ為襯墊摩擦因數；α為鋼絲繩的圍包角。代入 e=12，μ=0.25，α=190°，計算得 1.99 >1.75，符合要求，驗算通過。

動防滑驗算

式中：m1、m2分別為兩側提升重載質量。代入有關數據計算得，重載提升加速階段為 1.81，重載提升減速階段為 2.41，均符合要求，驗算通過。

(5) 電動機容量驗算

代入Fj=440 kN，v=11.54 m/s，η=0.98，計算得P=5 841.6 kW。而電動機功率需增加至總裝機容量，約為 5 900 kW，原電動機能力不足，需要升級電動機容量。

3.3.5 增產后年產量計算

利用式 (1)，代入A=330 d，C=18 h/d，Q=44.89 t，T=88.5 s，計算得QN=966.5 萬 t。

3.4 小結

基于以上理論分析，該提升系統提升機主機、鋼絲繩及制動系統配置具備提產的條件，單次提升量可增加至 44.89 t，增產后提升系統年產量達 966.5 萬 t，但需要做以下工作。

(1) 在用電動機能力不能滿足提產需求，需要進行更換，將新電動機容量增加至 5 900 kW，其他參數保持不變；

(2) 提升容器、裝卸載設備等需要與提產后單次提升量進行匹配，根據情況保留原設備或進行改造升級；

(3) 由于電動機容量增加，電控系統需要進行匹配，如果電控系統容量不足，則需對電控系統進行升級改造；

(4) 提升機主機、鋼絲繩、制動系統等設備的驗算結果滿足提產需求，但需對易損件、密封件等進行更換，在實際增產后也需加強日常設備檢查；

(5) 具體改造方案可結合實際生產情況，綜合考慮設備訂貨周期、安裝周期等因素，合理安排改造事宜。

4 結語

提高單次提升量和優化提升循環時間是深挖在用多繩摩擦式提升機產能的兩個主要途徑。以提升系統實際運行情況和設備能力為基礎，經過科學分析、詳細驗算，方可制定出符合提升系統具體情況的、切實可行的改造方案，達到提升系統產能的目的。