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第三章 矿井提升机,第三章 矿井提升机,根据矿井提升机工作原理和结构的不同，可分为如下类型：,矿井提升机,缠绕提升机,单绳缠绕,多绳缠绕-布雷尔式,单卷筒,可分离单卷筒,双卷筒,摩擦提升机,单绳摩擦,塔式,落地式,多绳摩擦,塔式,落地式,单绳缠绕式提升机：工作可靠，结构简单，仅适用于浅井及中等深度的矿井，且终端载荷不能太大。对于深井且终端载荷较大时，提升钢丝绳和提升机卷筒的直径很大，从而造成体积庞大，重力猛增，使得提升钢丝绳和提升机在制造、运输和使用上都有诸多不便。因此在一定程度上限制了单绳缠绕式提升机在深井条件下的使用。,摩擦提升机：,在一定程度上解决了单绳缠绕式提升机在深井条件下所出现的问题。但是，摩擦提升一般均采用尾绳平衡，以减小两端张力差，提高运行的可靠性。因此在容器与提升钢丝绳连接处的钢丝绳断面上，静应力将随容器的位置变化而变化。矿井越深，静应力的波动值越大，因此，摩擦提升在深井的使用亦受到一定的限制，一般限制H1400m。,落地摩擦提升机,塔式提升机,多绳缠绕式提升机(布雷尔式提升机)：工作原理与单绳缠绕式相同，不同的是几根提升钢丝绳同时缠绕在一个分段的卷筒上，它属于多绳多层缠绕式，主要用于深井和超深井中，其工作原理如图3-1所示。,图3-1 双绳布雷尔式提升机工作原理图,三峡工程的钢丝绳卷扬平衡重式垂直升船机可一次通过一艘3000吨级客轮。升船机最大升降高度113米，最大升降重量11800吨。这一升船机建成后，在世界同类型升船机中是规模最大的。提升系统有8台卷扬机，卷筒和电动机均安装有可靠的制动装置。由于卷扬机钢丝绳一端系住承船箱，另一端系住重量相等的平衡重铁块，卷扬机只要能克服钢丝绳弯曲阻力、滑轮阻力、惯性力和承船箱内正误差范围内水体的重量即可，计算总提升力为600吨。钢丝绳为特制镀锌钢丝绳，直径为85毫米，共192根，安全系数大于或等于8，提升速度为0.2米秒。提升高度113米时，只需要约10分钟。,第一节 缠绕式提升机,工作原理：将两根提升钢丝绳的一端以相反的方向分别缠绕并固定在提升机的两个卷筒上；另一端绕过井架上的天轮分别与两个提升容器连接。这样，通过电动机改变卷筒的转动方向，可将提升钢丝绳分别在两个卷筒上缠绕和松放，以达到提升或下放容器，完成提升任务的目的。目前，单绳缠绕式提升机在我国矿山中使用较为普遍。,类型：按卷筒的数目，分为双卷筒和单卷筒。双卷筒提升机：它的两个卷筒在与轴的连接方式上有所不同：其中一个卷筒通过楔键或热装与主轴固接在一起，称为固定卷筒，又称为死卷筒；另一个卷筒滑装在主轴上，通过离合器与主轴连接，故称之为游动卷筒，又称为活卷筒。采用这种结构的目的是考虑到在矿井生产过程中提升钢丝绳在终端载荷作用下产生弹性伸长，或在多水平提升中提升水平的转换，需要两个卷筒之间能够相对转动，以调节绳长，使得两个容器分别对准井口和井底水平。,单卷筒提升机：只有一个卷筒，一般仅用作单钩提升。国产单绳缠绕式提升机有JT和JK两个系列：JT系列提升机卷筒直径为8001600mm,主要用于井下运输提升工作；JK系列提升机卷筒直径为25m，主要用于地面井口提升工作。,第二节 提升机和天轮的选型计算,一、提升机的选型计算选择提升机的主要参数有：卷简直径D；卷筒宽度B；提升机最大静张力Fjmax及最大静张力差Fjc。其中卷筒直径D为选择提升机规格型号的依据;其他三个参数为校核参数。,选择提升机卷筒直径的主要原则是：使钢丝绳在卷筒上缠绕时所产生的弯曲应力不要过大，以保证提升钢丝绳具有一定的承载能力和使用寿命。理论与实践已证明，绕经卷筒和天轮的钢丝绳，其弯曲应力的大小及其疲劳寿命取决于卷筒与钢丝绳直径的比值。,图3-2所示是锁股(密封)钢丝绳进行弯曲试验的结果，由图示可知，在同一钢丝绳直径条件下，卷简直径愈大，弯曲应力愈小;在相同卷简直径条件下，绳径愈小，弯曲应力愈小，即比值Dd愈大，弯曲应力愈小。,图3-2 钢丝绳弯曲应力图,图3-3所示为在不同的Dd弯曲条件下，钢丝绳试验载荷与其耐久性的关系。由图3-3可知，在试验载荷相同时，Dd愈大，钢丝绳所能承受的反复弯曲次数愈多，疲劳寿命愈长。,图3-3不同的D/d时载荷与耐久性的关系,煤矿安全规程规定，对于安装在地面的提升机，其直径与钢丝绳直径的关系如下：式中：D为提升机卷筒直径；d为提升钢丝绳直径；为提升钢丝绳中最粗钢丝绳直径。对于安装在井下的提升机则有：,(3-1),(3-2),(3-3),(3-4),根据计算值D，选择标准卷筒直径。选定了标准卷简直径后，卷筒的标准宽度B则为巳知，然后根据实际需要在卷筒上缠绕的钢丝绳长度来计算卷筒的实际宽度B。在提升机卷筒上应容纳以下几部分钢丝绳：(1)提升高度H，m;(2)提升钢丝绳试验长度，规定每半年剁绳头一次，每次剁掉5m，按提升钢丝绳的使用寿命为三年计，则试验长度为30m；,(3)为了减少钢丝绳在卷筒上固定处的拉力，钢丝绳在卷筒上松绳时，不能全部松放，应在卷筒表面保留三圈摩擦圈，则卷筒的实际容绳宽度B为：式中：H为提升高度；D为提升机卷筒直径；d为提升钢丝绳直径；为提升钢丝绳绳圈间的间隙，一般为2-3mm，卷筒直径较大时，取大值。,(3-5),如果BB：若提升机用于有升降人员的竖井副井提升，根据煤矿安全规程规定，钢丝绳在卷筒上只能缠绕一层。但是如果B比B稍大一点，所选提升机仍可满足宽度要求，但是要是B-B的差值暂时固定在卷筒内。如果B-B的差值较大，则所选提升机的宽度不满足要求，则应采取措施：一是另选强度较高的提升钢丝绳型号；二是把提升机卷筒直径增大一级。重新计算B到满足BB为止。,若提升机用于竖井主井提升，当提升钢丝绳在卷筒上作单层缠绕时，当BB。根据煤矿安全规程规定竖井主井提升的提升钢丝绳可在卷筒上缠两层，作双层缠绕时，提升钢丝缠在卷筒上的实际缠绕宽度B可按下式计算：,(3-6),式中：Dp为平均缠绕直径；K为缠绕层数；n为错绳圈数。,其中：为了避免绳圈总在一个地方过渡，每季度要将提升钢丝绳错动1/4圈，根据提升钢丝绳的使用年限，一般取n=24圈。,(3-7),为了保证提升机在其设计强度范围内工作，使提升机的工作负荷不超过其设计值，还必须验算提升工作的最大静张力Fjmax及最大静张力差Fjc使其满足所选提升机规定的数值Fjmax和Fjc，可按下式计算：,(3-8),(3-9),二、天轮的选型计算 类型：天轮安装在井架上，作支承、引导钢丝绳转向之用，根据原煤炭工业部的标准，天轮分为三种：井上固定天轮；凿井及井下固定天轮；游动天轮。其结构形式也分为三种类型：直径为3500mm时，采用模压焊接结构；直径小于3000mm时，采用整体铸钢结构；直径为4000mm时，采用模压铆接结构。,天轮直径的选择：根据煤矿安全规程的规定，对于地面设备，当钢丝绳对天轮围抱角大于90时：当围抱角角小于90时：,(3-10),(3-13),(3-12),(3-11),对于井下设备：矸石山天轮：,(3-14),(3-15),(3-16),第三节 提升机的主要结构及其作用,第三节 提升机的主要结构及其作用,一、主轴装置 组成：包括卷筒、主轴、主轴承，在双筒提升机(或可分离式单筒提升机)中还包括有调绳离台器。图3-4所示为JK系列双筒提升机主轴装置结构简图。由图3-4可知，固定卷筒的右轮毂用切向键固定在主轴上，左轮毂滑装在主轴上，其上装有润滑油杯，应定期向油杯加润滑油，以免轮毂和主轴表面磨损。,游动卷筒的右轮毂经轴套滑装在主轴上，也装有润滑杯，保证润滑。轴套的作用：保护主轴和轮毂，避免在调绳时轴和轮毂磨损。左轮毂用切向键固定在轴上并经调绳离合器与卷筒连接。卷筒为焊接结构，其特点是筒壳下没有其他(如支环和斜撑等)支撑结构，两侧轮辐(支轮)是由钢板制成的，开有若干人孔。筒壳外边一般均设有木衬。,在单层缠绕时，木衬上车有螺旋绳槽，以使钢丝绳规则地排列，并减少钢丝绳的磨损。木村的厚度应不小于2倍钢丝绳直径，通常宽在100mm左右。在多层缠绕情况下煤矿安全规程规定：卷筒必须设有带绳槽的衬垫。,二、调绳离合器作用：是使活卷筒与主轴连接或脱开，以便在调节绳长或更换水平时，能调节两个容器的相对位置。类型：齿轮离合器、摩擦离合器和蜗轮蜗杆离合器。应用较多的是齿轮离合器。图3-5(a)所示为JK系列提升机调绳离合机构示意图，采用齿轮离合器，液压控制。,图3-5(a)轴向移动齿轮离合器1-主轴；2-键；3-轮毂；4-油缸；5-椽胶缓冲垫；6-齿轮；7-尼龙瓦；8-内齿轮；9-卷筒轮辐；10-油管；11-轴承座；12-密封头；13-闭锁阀,结构：活卷筒的左轮毂3通过键2与主轴1相联，在活卷筒左支轮上沿圆周的三个孔中，放入调绳油缸4，调绳油缸的另一端插在齿轮6的孔中。这样，当齿轮6与固定在轮辐9上的内齿轮8相啮合时，调绳油缸便相当于三个销子将3与6连接在一起，传递力矩。工作原理：调绳油缸的左端盖连同缸体一起用螺钉固定在齿轮6上。如图3-5(b)而齿轮6则滑装在活卷筒的左轮毂上。活塞通过活塞杆和右端盖一起固定在轮毂上。因此，当压力油进入油缸时，活塞不动，缸体沿缸套移动，,工作原理(续)：当油缸左腔接压力油，右腔接回油池时，缸体便在压力油作用下，连同齿轮6一起向左移动，使齿轮6与内齿圈脱离啮合，活卷筒与主轴脱开。与此相反，当向右腔供压力油而左腔回油时，离合器接合，活卷筒与主轴连接。调绳离合器在提升机正常工作时，左右腔均无压力油。当齿轮6向左移动与内齿轮8脱开后，主轴带动死卷筒旋转时，轮毂3便与安装在内齿轮上的尼龙瓦7作相对运动。,图3-5(b)调绳离合器简图1-轮毂；2-活塞销；3-O型密封圈；4-阀体；5-弹簧；6-缸体;7-活塞杆；8-活塞；9-缸套；10-橡胶缓冲垫；11-齿轮；12-尼龙瓦；13-内齿轮；14-主轴；15-空心管；l6-空心轴；17-轴套，18-密封体；19-钢球；20-弹簧,优缺点:,图3-6 径向动作式调绳离舍器1-联锁阀；2-油缸装置；3-卡箍；4-拨动环；5-连板 6-盖板；7-齿块体；8-内齿圈；9-移动彀,三、减速器 JK型提升机采用圆弧齿轮减速器，其速比为11.5，20，30。型号为ZHL-115，ZHLR-130，ZHLR-150，ZHfLR-170等。符号意义是：Z为圆柱；H为圆弧齿；L为两级减速；R为人字齿；数字115、170代表中心距。减速器的低速轴用齿轮联轴器与主轴相联，高速轴用弹性联轴器与电机轴相联。,在多绳摩擦提升机及JK系列矿用提升机中，有采用共轴减速器的。这种减速器的入轴和出轴在同一中心线上，功率为两路传递，在中间齿轮的轮缘和轮毂间设有弹簧，用以消除由于齿轮加工误差引起的负荷分配不均，并减少减速器在起动和停止时的冲击负荷。为了使减速器质量和结构尺寸较小，在起重运输机械及矿井提升机中，已开始采用行星齿轮减速器，这种减速器体积小，重量轻，传动效率高。,四、制动装置 组成：制动器(也称闸)和传动系统。制动器分类：按结构形式分：盘闸及块闸。按传动能源分：油压、气压或弹簧制动装置。JK系列提升机采用油压盘闸制动系统，旧型KJ系列采用油压和气压块闸系统。传动系统控制并调节制动力矩。,(一)制动器的作用和对制动装置的要求 制动器的作用有四个：(1)在提升机正常操作中，参与提升机的速度控制，在提升终了时可靠地闸住提升机，即通常所说的工作制动。(2)当发生紧急事故时，能迅速地按要求减速，制动提升机，以防止事故的扩大，即安全制动。(3)在减速阶段参与提升机的速度控制。,(4)对于双卷筒提升机，在调节绳长、更换水平及换钢丝绳时，应能分别闸住提升机活卷筒及死卷筒，以便主轴带动死卷筒一起旋转时活卷筒闸住不动(或锁住不动)。制动装置的要求：一是制动器必须给出一个恰当的制动力矩；二是安全制动必须能自动、迅速和可靠地实现。,恰当的制动力矩包括三方面含义：(1)制动力矩应足够大。例如，对于竖井和倾角30度以上的斜井，工作制动和安全制动的制动力矩不得小于提升系统最大静负荷力矩的三倍。即：(2)双卷筒提升机打开离合器调绳时，制动装置在各卷筒上产生的制动力矩不得小于该卷筒所悬挂提升容器和钢丝绳重力造成的静力矩的1.2倍，即：,(3-17),(3-18),(3)制动力矩的数值必须保证安全制动减速度在一定范围内，过大的减速度会对提升设备产生较大动负荷，对设备及运载人员健康不利；过小的减速度则不能及时制止事故的发生或扩大。对于上提货载，如图3-7(a)所示，由力的平衡方程式：式中：为上提货载安全制动动力矩；,(3-19),图3-7 安全制动时的力矩(a)上提贷载；(b)下放货载,依规定a5m/s2，由此得出：同理，对于下放货载，根据平衡方程式：式中：为下放货载安全制动动力矩。依规定a1.5m/s2，所以：,(3-20),(3-21),(3-22),由上面的式子可以看出，提升系统在同一制动力矩作用下，上提货载时的减速度比下放货载时的减速度大，这是因为前者的静阻力矩与制动力矩方向一致，有利于制动，而后者则相反。在确定提升机制动力矩时，要同时兼顾以上(1)，(2)，(3)三方面对制动力矩的要求，若不能同时满足，安全制动可用二级制动。对于摩擦提升机，工作制动或安全制动所产生的减速度，还要受到防滑条件的限制。,(二)盘闸制动器 盘闸制动器的制动力矩是闸瓦沿轴向压制动盘时产生的摩擦力矩。为了使制动盘不产生附加变形，主轴不承受附加轴向力，盘闸都成对使用，每一对叫做一副制动器。图3-8所示为制动油缸的简图，油缸3内装有活塞5、柱塞11、调整螺栓6、碟形弹簧4等零件，筒体9能在支座内孔往复移动，闸瓦14用铜螺钉或燕尾槽等形式固定在衬板13上。,图3-8 制动油缸结构图 1-垫板；2-支座；3-油缸；4-碟形弹簧；5-调整螺栓；7-螺钉；8-盖；9-筒体；10-密封圈；11-柱塞；12-销子；13-村板；14-闸瓦；15-放气螺钉；16-回复弹簧17-螺栓；18-垫；19-螺母；20-塞头；21-垫,工作原理：制动力靠碟形弹簧产生，松闸靠油压。当压力油充人油缸，推动活塞压缩碟形弹簧，并带动调整螺栓6、螺钉7及柱塞11右移时，筒体和闸瓦在回复弹簧16和缸紧螺栓17的作用下一起右移，闸瓦离开制动盘，呈松闸状态。当油缸内油压降低，碟形弹簧回复其压缩变形，推动活塞5向左移动，同时带动调整螺栓6，螺钉7，柱塞11推动筒体左移，使闸瓦压向制动盘，达到制动的目的。,闸瓦压向制动盘的正压力大小取决于油缸内的压力，当缸内压力为最小值时(一般不等于零，有残压)，弹簧力几乎全部作用在活塞上，呈全制动状态。反之，当工作油压为系统最大油压时，机器全松闸。螺钉15(C-C截面)是放空气用的，第一次向制动油缸充油之前，或使用一段时间之后，应把排气螺钉拧松并将油缸内空气排尽，以免影响制动缸的正常工作。塞头20(c-c截面)是排油用的，在使用过程中，油缸有可能微量渗油，需定期将塞头拧开排油，应避免渗油沾污闸瓦及制动盘。,(三)液压站 制动器的液压控制系统是同提升机的拖动类型、自动化程度相配合的。在直流拖动自动化程度较高的系统中，由于调速性能好，机械闸一般只是在提升终了时起定车作用。在交流拖动系统中，机械闸还要参与提升机的速度控制，因此，要求制动力能在较宽的范围内进行调节。图3-9所示是2JK型提升机液压站液压系统图,图3-9 2JK型提升机液压站液压系统图1-油箱；2-电接触压力温度计；3-网式滤油器；4-电动机；5-叶片泵；6-电液调压装置；7-溢流阀；8-纸质滤油器；9-手动换向阀；10-压力表；11-二级制动安全阀；12-压力继电器；13-五通阀；14-四通阀,该液压站主要用于交流拖动系统中，其具体作用有三：(1)按实际提升操作的需要，产生不同的工作油压，调节、控制盘闸的制动力矩，从而实现工作制动；(2)安全制动时能迅速自动回油，并实现二级制动；(3)根据多水平提升换水平的需要以及钢丝绳伸长后调绳的需要，控制双筒提升机活卷筒的调绳离合器，同时闸住活卷筒。,JK型提升机液压站有两套油泵，一套工作，一套备用。工作过程：在提升机工作时，电动机4带动油泵5连续运转，油泵产生的压力经滤油器8、手动换向阀9送入二级制动安全阀11，在正常工作时二级制动安全阀有电，压力油通过安全阀送入A，B管，分别送人死卷筒及活卷筒制动缸。,工作油压的调节：由并联油路的电液调压装置及溢流阀相互配合进行。若安全阀电磁铁断电，压力油将不能进入制动油缸，制动油缸则与回油管相通，处于制动状态。工作制动力矩的调节：由电液调压装置(电液阀与溢流阀的联合体)实现，其结构如图3-10所示。,图3-10电液调压装置1-固定螺钉；2-十字弹簧；3-动线圈；4-永久磁铁；5-控制杆；6-喷头，7-中孔螺母；8-导阀；9-调压螺栓，10-定压弹簧；11-辅助弹簧；12-滑阀；13-节流阀；14-滤芯,工作原理：由油泵产生的压力油从K管进入c腔，另一路经节流孔13进入G腔到D腔。滑阀向上移动离开阀座，使滑阀与阀座间的间隙加大，经回油管流人油箱的流量增加，于是c腔压力相应下降，滑阀处于新的平衡位置，K管压力保持某一定值。当D腔压力大于c腔压力时，滑阀向下移动使其与阀座的开口度减小，于是K管处于压力上升状态，滑阀又重新处于平衡状态。总之，在调压过程中，溢流阀的滑阀跟随D腔内压力的变化经常处于上下运动状态，其平衡状态是暂时、相对的。,D腔内压力受电液阀的控制。电液阀是一个电气机械转换器，它将输入的电讯号转变成机械位移。从图中可以看到，控制杆5悬挂在十字弹簧2上，在控制杆上还固定一个可动线圈3，当司机操纵控制手柄向动线圈送入直流讯号后，动线圈便在永久磁铁4作用下产生位移，此位移的大小决定于输入信号的数值。在输入信号达最大值时，控制杆的挡板与喷嘴间的距离最小，此时G腔内压力达最大值；若电流减小，控制杆就相应离开喷嘴一定距离，G腔内油位也相应下降。由于G腔与D腔连通，所以G腔的压力亦随D腔的压力变化。,综上所述，调压过程可归纳为：制动手柄角位移自整角机电压变化动线圈电流变化挡板位移G腔及D腔压力变化溢流滑阀位移K管压力变化制动油缸压力变化。本系统在安全制动时，可以实现二级制动。二级制动的好处是既能快速、平稳地闸住提升机，又不致使提升机减速度过大。,二级制动原理：盘闸制动器分成两组，分别与液压站的“A”管，“B”管相连。安全制动时，二级制动安全阀断电，与“A”管相联的制动器通过安全阀直接回油，很快抱闸，所产生的力矩为最大力矩之半，提升速度下降。同时与“B”管相联的制动器则通过安全阀的节流阀以较缓慢的速度回油，产生第二级制动力矩。二级制动力矩特性可以通过调节安全阀的节流杆来改变。,五、矿井提升机深度指示器 深度指示器是矿井提升机的重要保护检测装置之一，它的作用是：(1)向司机指示提升容器在井筒中的运行位置；(2)容器接近井口停车位置时发出减速信号；(3)当提升容器过卷时，推动装在深度指示器上的终嵌开关，切断安全保护回路，进行安全制动；(4)减速阶段，通过限速装置进行过速保护。,分类：根据动作原理可分为机械式、机械电气混合式及数字式等。我国生产的提升机主要采用机械牌坊式深度指示器和圆盘式深度指示器。牌坊深度指示器：指示清楚，工作可靠，缺点是体积大，指示精度不高，不便于实现提升机远距离控制。圆盘式深度指示器：由两部分组成，即传动装置(发送部分)和深度指示盘(接收部分)。图3-11所示为圆盘深度指示器传动简图,图3-11 深度指示器传动装置1-传动轴；2-更换齿轮对；3-蜗轮；4-蜗杆；5-增速齿轮对；6-发送自整角机；7-限速凸轮板；8-限速变阻器；9-机座；10-滚轮；11-撞抉；12-减速开关；13-过卷开关；14-后限速圆盘；15-限速自整角机；16-前限速圆盘；17-摩擦离合器；,其工作原理如图3-12所示：发送角机的激磁绕组(C1C2)与接收角机的激磁绕组(C1C2)接在同一交流电源上。同步绕组(P1P2P3及p1p2p3)也相互连接。分别表示发送机、接收机同步绕组与激磁绕组轴线间的夹角，这两个夹角的差值=1-2称为失调角，当失调角等于零时，两个角机每相感应的电势相等，这时电路中电流为零，转子不产生转矩。当1与2有差值时(即发送机随提升机旋转时)，因在同步绕组中电势不等而有电流流通。,这时接收角机的转子中产生转矩，使接收机的转子随发送机一起转动，保持同步联系，带动圆盘深度指示器的指针跟踪提升机主轴旋转，指示容器在井筒中的位置。,图3-12 圆盘深度指示器的工作原理,深度指示圆盘装在操纵台上，其具体结构如图3-13所示。,图3-13 深度指示盘1-指示圆盘；2-玻璃罩；3-精针；4-粗针；5-接收自整角机；6-齿轮对；7-轴；8-轴,工作原理:当发送自整角机经同步联系带动接收自整角机时，接收角机将经过三对齿轮减速带动粗针4转动，进行粗针指示。由于粗针在一次提升中仅转动253350，所以粗针指示的位置是粗略的。为了精确指示容器的位置，由接收角机经过一对减速齿轮带动精针指示盘2进行精针指示。由于精针转动角度较大，故能较精确地指示出提升容器在接近井口时的位置。,