矿井排水系统设计及输送机选型设计.docx

专业课课程设计带式输送机、水泵的选型设计 系别：机械设计工程系 专业：机械设计、制造及其自动化 班级：机械设计2009-02班 时间：2013.2.253.15（三周） 教师：刘英林 常宗旭 学生：王国华 学号：2009000199机械设计工程系矿山机械教研室 目录第一部分2水泵的设备选型设计21 述概22 设计的原始资料23 排水方案的确定24 水泵的选型与计算35 管路的选择56 工况点的确定及校验7第二部分16带式输送机的选型设计161 概述162 设计的原始资料163 输送带宽度的计算164 运行阻力的计算205 输送带张力的确定246 输送带强度的校核277 电动机功率的计算28参考文献29第一部分矿井排水设备选型设计目的：设计选择满足工作要求、运转可靠、经济的排水设备。一、具体任务：1、确定排水系统；2、选定排水设备；3、确定工况参数；4、绘制设备布置图二、必备资料：1、工作地点；2、排水高度710m和正常排水量Q=550m3/h；3、水的性质(中性)；4、泵房、水仓和管路位置图；5、供电电压三、设计步骤（一）、拟定排水系统在我国煤矿中，目前通常采用集中排水法。集中排水开拓量小，管路敷设简单，管理费用低，但由于上水平需要流到下水平后再排出，则增加了电耗。当矿井较深时可采用分段排水。涌水量大和水文地质条件复杂的矿井，若发生突然涌水有可能淹没矿井。因此，当主水泵房设在最终水平时，应设防水门。 在煤矿生产中，单水平开采通常采用通常采用集中排水，两个水平同时开采时，赢根据矿井的具体情况进行具体分析，综合基建投资、施工、操作和维修管理等因素，经过技术和经济的比较后，确定最合理的排水系统。按竖井考虑，根据给定条件，可选用单水平开采方案的直接排水系统，只需要在井底车场附近设立中央泵房，将井底所有涌水直接排至地面。（二）预选水泵 工作水泵n1，20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。 备用水泵n2，70%工作水泵，且n1+n2应在20h内排出矿井24h的最大用水量。 检修水泵n3，25%工作水泵。1、 水泵总排水能力的计算正常涌水量：QB1.2qz=1.2x550=660m3/h最大涌水量：Qmax1.2qmax=1.2x950=1140m3/h（取最大涌水量为950m3/h）2、水泵所需扬程的估算 由于水泵和管路均未确定，无法确切知道所需的扬程，所以需进行估算，即 =/=（710+4）/0.9=793m式中 估算水泵所需扬程，； 侧地高度，即吸水井最低水位至排水管出口间的高度差，一般可取=井底与地面标高差+4（井底车场与吸水井最低水位距离），； 管路效率。管道效率的选取如下表一所示：表一：排水管倾角90°30°20°30°<20°管道效率g0.90.890.830.80.80.770.770.743、 水泵的型号及台数的选择3.1、水泵型号的选择根据计算的工作水泵排水能力，初选水泵。从水泵产品目录中选取D450-60X10型号泵，其各种参数如下表二所示：表二：型号级数流量Q(m3/h)总扬程H(m)转速n(r/min)轴功率(kW)电机功率(kW)效率(%)允许吸上真空度Hs(m)泵质量(kg)D450-60X10104506001480919.11050786.537803.2、水泵级数的确定 i=HB/Hi=793/60=13.2 取级数为14级 式中 i水泵的级数； Hi单级水泵的额定扬程，。3.3、水泵工作台数的确定则：工作泵台数 n1QB/Qe=660/450=1.47,取n1=2备用泵台数 n20.7n1=0.7X2=1.4和 n2QMAX/Qe-n1=1140/450-2=0.54,故取n2=2。检修泵台数 n30.25 n1=0.25X2=0.5 故取n3=1因此共选择五台泵。（三） 选择管路系统1、 管路趟数 管路趟数应根据煤矿安全规程的有关规定、所选水泵台数确定。管路至少应有两趟，一般也不宜超过四趟。在此，根据泵的总台数，选用典型的五泵三趟管路系统，二条管路工作，一条管路备用。正常涌水时，两台泵向二趟管路供水，最大涌水时，只要三台泵同时工作就能达到在20h内排出24h的最大涌水量，故从减少能耗的角度可采用三泵向三趟管路供水，从而可知每趟管内流量等于泵的流量。 2、 管材的选择 由于井深远远大于200m，确定采用无缝钢管。3、 排水管内径的确定式中 排水管内径，； 排水管中的流量，； 排水管内的流速，通常取经济流速.（s）来计算。从附表二中预选299×8无缝钢管，则 排水内径=（299-2×8）mm =283mm表三 热轧无缝钢管（YB231-70）外径/mm壁厚/mm外径/mm壁厚/mm外径/mm壁厚/mm893.524.01464.536.0273 7.050.0953.524.01524.536.02998.075.01023.528.01594.536.03258.075.01083.528.01685.045.03518.075.01144.028.01805.045.03779.075.01214.032.01945.045.04029.075.01274.032.02036.050.04269.075.01334.032.02196.050.04599.075.01404.536.02457.050.04809.075.0常用壁厚尺寸系列2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22 25 28 30 32 36 40 50 56 60 63 70 754、 验算壁厚 (cm) 0.8(cm) 0.551 15.0)12960.0111.3-802960.0110.480(9.295.0£=+-´´´´+´= 式中 所选标准内径，cm； 管材许用应力。焊接钢管=60MPa，无缝钢管=80MPa； 管内水压，考虑流动损失，作为估算；C附加厚度。焊接钢管，无缝钢管。所选标准壁厚应等于或略大于按上式计算所得的值。吸水管壁厚不需要验算。由上式计算结果可知，所得壁厚小于所选择钢管的壁厚，因此所选壁厚合适。5、 吸水管径根据选择的排水管径，吸水管选用325×8的无缝钢管。（四） 工况点的确定及校验1、管路系统管路布置参照图1-2所示的方案。这种管路布置方式任何一台水泵都可以经过两趟管路中任意一趟排水，排水管路系统图如图1-2所示。 图一 五泵三趟管路2、估算管路长度 排水管长度可估算为Lp=Hsy+（4050）m=714+（4050）m=（754764）取Lp=760m ，吸水管长度可估算为Lx=7m 。3、 阻力系数Rt的计算计算沿程阻力系数。对于吸、排水管分别为：0294.0)325.0(021.0x021.03.03.0=dxl0301.0)299.0(021.0p021.0p3.03.0=dl局部阻力系数，吸、排水管及其阻力系数分别列于表四、表五中。表四：吸水管附件及局部阻力系数附件名称数量局部阻力系数底阀13.790。弯头10.294异径管10.1表五：排水管附件及局部阻力系数附件名称数量局部阻力系数闸阀20.26×2=0.52止回阀11.7四通11.5×2=390。弯头45×0.294=1.47扩大管10.5直流三通430。弯头2=10.186管路阻力系数Rt。由流体机械教材式（5-55）可知：式中 Rt管路阻力系数，； Lx、lp吸、排水管的长度，m； Dx、dp吸、排水管的内径，m； x、p吸、排水管的沿程阻力系数，对于流速v1.2m/s，其值可按舍维列夫公式计算，即 =0.021/d3 、吸、排水管附件局部阻力系数之和，根据排水管路系统中局部件的组成，见表四和表五。4、 管路特性方程新管：H1=Hc+KRtQ2=714+9.657×10-5Q2旧管：H2=Hc+KRtQ2=714+1.7×9.657×10-5Q2式中 K考虑水管内径由于污泥淤积后减小而引起阻力损失增大 的系数，对于新管K=1，对挂污管径缩小10%，取K=1.7， 一般要同时考虑K=1和K=1.7两种情况，俗称新管和旧管。5、 绘制管路特性曲线并确定工况点根据求得的新、旧管路特性方程，取9个流量值求得相应的损失，列入表六中。 表六 管路特性参数表Q/（m3·h-1）200250300350400450500550H1/m717.8720.0725.8725.8729.5733.5738.1743.2H2/m720.6724.3728.8734.1740.2747.2755.0763.7 图二 管路特性曲线与泵特性曲线利用表六中各点数据绘制出管路特性曲线如图二所示，新、旧管路特性曲线与扬程特性曲线的交点分别为M1和M2，即为新、旧管路水泵的工况点。由图中可知：新管的工况点参数为QM1=540m3/h,HM1=720m,M1=0.79,HsM1=5.4m,NM1=980KW；旧管的工况点参数为QM2=500m3/h，HM2=750m,M2=0.81,HsM2=5.85m,NM2=960KW，因M1、M2均大于0.7，允许吸上真空度HsM1=5.5m，符合规范要求。6、 校验计算6.1、排水时间的验算管路挂污后，水泵的流量减小，因此应按管路挂污后工况点流量校核。正常涌水时，如采用2泵2管排水，每天的排水小时数为： h20h.13.2.5002550242421=´´=MzzQnqT最大涌水期，采用4泵3管排水，每天的排水小时数为： 即实际工作时，只需3台水泵同时工作即能完成在20h内排出24h的最大涌水量。6.2、经济性校核 m1=0.79>0.85max=0.85×0.8=0.68 m2=0.8>0.686.3、稳定性校核HC=514<0.9iH0=0.9×14×72=882m式中 单级零流量扬程；由D450-60型水泵特性曲线图可知=72m7、 计算允许吸水高度由流体机械教材表5-1、5-2可取ha=10.3m，hn=0.23m,设水温为15度，=0.98×104N/m3,则允许的吸水高度为： =5.44-0.083×(74.30+558.76)×0.0225 =4.26m式中 HSM1 = HSM1-（10-ha）-（hn-0.24）=5.2-（10-10.3）-（0.23-0.24） =5.4m实际吸水高度=4.26m<Hx,吸水高度满足要求8、 电动机功率计算 式中电动机容量富余系数，一般当水泵轴功率大于100KW时，取=1.1；当水泵轴功率为10100KW时，取=1.11.2。 根据产品样本取水泵配套电机功率为Nd=1250kW，大于计算值，满足要求。9、 电耗计算1）年排水电耗 =1.924式中 年排水电耗， ； 水的重度，；由给定条件可知=10003 、年正常和最大涌水期泵工作台数； 、 正常和最大涌水期泵工作昼夜数； 、正常和最大涌水期泵每昼夜工作小时数；传动效率，对直联接取1，联轴器联接取0.950.98；电动机效率，对于大电动机取0.90.94，小电动机取0.820.9； 电网效率，取0.95；2) 吨水百米电耗校验第二部分带式输送机的选型设计1 概述 带式输送机是输送能力最大的连续输送机械之一。其结构简单、运行平稳、运转可靠、能耗低、对环境污染小、便于集中控制和实现自动化、管理维护方便，在连续装载条件下可实现连续运输。目前国内外带式输送机正朝着长距离、高速度和大运量方向发展。单机运距已达30.4km，多机串联运距最长达208km，最宽的带式输送机带宽为4m。最大运输能力已达到3.75万t/h，最高带速达到15m/s。单条带式输送机的装机功率达到6×2000kW。我国生产的带式输送机最大带宽已达到2m，带速已达到2 m/s，设计运输能力已达到5.2万t/h，最大运距为3.7km。2 设计的原始资料 某带式输送机，运输生产率Q=811t/h，输送带运行速度V=2m/s，铺设长度，铺设倾角，上托辊槽形角，物料堆积角，围包角。3 输送带宽度的计算3.1 按输送能力计算带宽 （2-1）式中 运输生产率，； 货载的散集密度，见表2-1； 输送带的运行速度，； 输送机的倾角系数，见表2-2； 货载端面系数。 （2-2）式中 上托辊槽形角； 物料堆积角。 如图2-1。图2-1 槽形托辊上的货载断面积表2-1 各种货载的散集密度货载名称煤煤渣焦炭黄铁矿石灰烟砂粘土碎石密度0.81.00.60.90.50.72.01.62.01.61.82.01.8表2-2 输送机倾角系数表/度0781516201.00.950.90.90.83.2 按货载块度计算 （2-3）式中 货载最大块度的横向尺寸，。根据以上的计算结果，选用B=1400mm、煤矿用整芯阻燃输送带，输送带质量，见表2-3。表2-3 整芯输送带质量（）带宽带强680800100012501400160018002000输送带6508.58.89.2310.411.5712.0312.6814.380010.610.911.3612.814.2414.815.617.6100013.313.614.21617.818.519.522120015.9616.3217.0419.221.3622.223.426.4140018.6219.0419.8822.424.9225.927.330.8160021.2821.7622.7225.628.4829.631.235.2180023.9424.4825.5628.832.0433.335.139.6200026.627.228.43235.6373944220029.2629.9331.2435.239.1640.742.948.4240031.9232.6434.0838.442.7244.446.852.84 运行阻力的计算4.1 基本阻力 带式输送机的基本运行阻力包括重段阻力和空段阻力两部分。 重段阻力 （2-4）空段阻力 （2-5）式中 每米输送带的货载质量， ； 每米输送带的质量，； 输送机的铺设长度，； 重力加速度，； 输送机的铺设倾角； 输送带在重段、空段的运行阻力系数，见表2-4； 重段、空段折算到单位长度上的托辊转动部分质量， 用下式计算 （2-6） （2-7）式中 重段、空段每个托辊转动部分质量，见表2-5； 重段、空段的托辊间距，取。表2-4 输送带运行阻力系数 工作条件 托辊形式 槽形托辊平形托辊清洁干燥0.020.018少量尘埃，正常湿度0.030.025大量尘埃，湿度大0.040.035表2-5 托辊转动部分质量 带宽辊径托辊转动部分质量 槽形三辊形二辊平形一辊50063.576894.085.556.243.274.414.7865076891086.096.459.035.015.797.14800891081337.7410.5916.357.749.5414.767.158.7813.54100010813315912.2118.927.2118.225.6810.4316.0922.27120010813315914.3122.1431.5913.4420.7429.112.519.2826.56140010813315915.9624.6334.9214.1821.8329.99注：辊径见表2-6.表2-6 托辊直径带宽（）500650800100012001400托辊直径891081331594.2 附加阻力 (2-8)4.3 总阻力 （2-9）5 输送带张力的确定5.1 下端驱动5.1.1 用摩擦条件确定输送带张力由图2-2可知，1点为相遇点，4点为分离点，则有如下计算公式： （2-10） （2-11）式中 自然对数的底，=2.718； 驱动滚筒与输送带间的摩擦系数，=0.2； 围包角； 摩擦力备用系数，取=1.2。由式（2-10）和（2-11）联立解得： （2-12）图2-2 下端驱动示意图5.1.2 用悬垂度条件校核输送带张力 （2-13） （2-14）由式（2-13）和（2-14）可知悬垂度校验合格。5.2 上端驱动5.2.1 用摩擦条件确定输送带张力由图2-3可知，1点为相遇点，4点为分离点，则有如下计算公式： （2-15） （2-16）由式（2-15）和（2-16）联立解得： （2-17） 2-3 上端驱动示意图5.2.2 用悬垂度条件校核输送带张力 (2-18) (2-19)由式（2-18）和（2-19）可知，悬垂度校验合格。5.3 方案的确定下端驱动时 492745N n=1.2上端驱动时 449540N n=1.2由此可知，上端驱动的方案更好，此时 n=1.26 输送带强度的校核安全系数 （2-20）式中 输送带宽度，； 输送带整体纵向抗拉强度，； 输送带中的最大静张力，。由式（2-25）可知，输送带安全。7 电动机功率的计算滚筒牵引力 (2-21)反馈功率 (2-22)式中 输送带的运行速度， 传动装置的效率，取。 输送机空载运行时主轴牵引力，。计入功率备用系数1.2，按选配电动机。参考文献谢锡纯，李晓豁.矿山机械与设备.徐州：中国矿业大学出版社，2000.5张景松.流体机械.徐州：中国矿业大学出版社，2001.11白铭声，陈祖苏.流体机械.北京：煤炭工业出版社，1986扬惠宗，袁仲文，陆火庆.泵与风机.上海：上海交通大学出版社，1992郭立君.泵与风机.北京：水利电力出版社，1986 31