矿井提升设备运行理论(1).ppt

第八章 矿井提升设备的运行理论,提升设备的运行理论是研究提升设备在一次提升过程中提升容器的速度变化规律和电动机作用在提升机滚筒圆周上力的变化规律的，以确定合理的运动参数。,第一节 提升系统基本动力学方程一、提升系统基本动力方程式 作用在提升机主轴上的力矩有提升系统的静阻力矩Mj，提升系统的惯性力矩Md及由电动机产生的拖动力矩M。处于平衡状态，得 M-Mj-Md=0 在等直径提升系统中，可以写成为：F-Fj-Fd=0式中 F电动机作用在滚筒圆周上的拖动力，N；Fj提升系统的静阻力，N；Fd提升系统的惯性力，N。,提升系统的静阻力包括静力和阻力，静力包括货载重力、容曲阻力及天轮轴承、滚筒轴承的阻力等。参照图，当提升重容器运行到米时，提升系统的静阻力计算如下：提升侧静阻力为 下放侧静阻力为 系统静阻力为 式中 m提升货载质量，kg；mz容器自身质量，kg；p提升钢丝绳每米重量，N/m；s,x 分别为上升侧及下放侧的矿井阻力，N；g重力加速度，m/s2。,二、提升系统的静阻力,提升系统示意图,提升系统静阻力随x的变化,由于矿井运行阻力与很多因素有关，难以精确计算。在实际设计过程中，通常按提升货载的百分数来估算。式中 k 对于箕斗=0.15，对于罐笼=0.2。则公式变为 式中 k矿井阻力系数，对于箕斗=1.15，对于罐笼=1.20。由公式可以看出：(1)静阻力与容器的自重无关；(2)在提升过程中，静阻力随提升容器位置即值的不同，而发生变化，是随的增大而以斜率减小的一条斜线。这种静阻力在提升过程中是变化的现象称之为静力不平衡；(3)在深井中以及钢丝绳较重时，Fj有可能在提升终止前出现负值。,对于立井有尾绳系数，其静阻力为 式中q尾绳每米重量，N/m。当提升主绳和尾绳重力相等，即p=q时，Fj=kmg=常数。静阻力不再随提升容器位置的改变而改变，如图中直线3所示，属静力平衡系统。,三、提升系统的变位质量 为了计算总的惯性力，提升系统中把各运动部分的质量都变位（折算）到滚筒缠绕圆周上，使其与滚筒缠绕圆周的速度和加速度相等，条件是变位前后的动能相等，这种变位后的质量，叫作变位质量，全系统各个变位质量的总和为提升系统的总变位质量m，此值可以实测，也可以计算。提升系统运动部分可分成直线运动和旋转运动两部分，作直线运动的部件为提升容器及货载、提升钢丝绳、尾绳。它们的速度和加速度与提升机滚筒表面速度、加速度相同，所以其变位质量与实际质量相等；作旋转运动的部件为：提升机（包括减速器）、天轮和电动机转子。提升机和天轮的变位质量在其技术规格表中可分别查出。只有电动机转子变位质量md需要计算。,其计算方法为,式中,这样得到由回转力矩计算电动机转子变位质量的公式,对单绳缠绕式提升系统（无尾绳提升系统），其总变位质量为 对于多绳摩擦式提升机，其总变位质量为 因此，提升系统动力学方程变为 单绳缠绕式无尾绳提升系统 多绳摩擦式提升系统,第二节提升设备的运动学计算 提升设备属周期动作式的设备。提升设备运动学是研究提升容器运动速度随时间的变化规律，以求得合理的运转方式。提升设备运动学的基本任务是确定合理的加速度与减速度、各运动阶段的延续时间以及与之相对应的容器行程，并绘制出速度图和加速度图。本节以我国矿山广泛采用的无尾绳静力不平衡提升系统为例，介绍提升设备运动学计算的基本内容和方法。,一、提升设备的运行规律提升设备在一个提升循环内其提升速度随时间变化的关系图形，叫做提升速度图。对于底卸式箕斗，为保证箕斗离开卸载曲轨时速度不能过高，需要有初加速阶段；为使重箕斗上升到井口而进入卸载曲轨内运行时，减少对井架、曲轨的冲击，提高停车的准确性，应有一个低速爬行阶段（爬行速度一般限制在不大于0.5m/s），故应采用如图（a）所示的六阶段速度图。对于罐笼提升，因无卸载曲轨的限制，故无需初加速阶段，开始就以较大的主加速度加速，但是为了准确停车（使罐笼内的轨道与车场轨道对齐），也需要有一爬行阶段，因此，普通罐笼提升采用如图（b）所示的五阶段速度图。,六阶段和五阶段速度图,1箕斗提升初加速度的确定,初加速度a0为,初加速阶段时间t0为,式中 v0=1.5m/s，箕斗脱离卸载曲轨时的速度。,二、提升加速度的确定,箕斗卸载曲轨行程h0=2.35m或2.13m。,2主加速度a1的确定 主加速度是按安全经济的原则来确定的，主加速度的大小受煤矿安全规程、减速器强度、电动机过负荷能力三个方面的限制。（1）煤矿安全规程对提升加、减速度的限制：“立井中用罐笼升降人员时加速度和减速度，都不得超过0.75 m/s2；斜井中升降人员的加速度和减速度，不得超过0.5 m/s2。”对升降物料的加、减速度规程没有规定，一般在竖井，加、减速度最大不超过1.2 m/s2，斜井不超过0.7 m/s2。,（2）电动机过负荷能力限制为,式中 电动机过负荷系数，可在电动机规格表中查出；0.75在加速度时，由于电动机依次切除转子电阻，拖动力起伏变化，故可取电动机此时出力不大于最大拖动力的0.75倍。Fe 电动机作用到滚筒缠绕圆周上的额定拖动力，N；,j传动效率。Pe 电动机额定功率，kW；,（3）按减速器允许的输出传动转矩来确定。电动机通过减速器作用到滚筒主轴上的拖动力矩，必须小于减速器所允许的最大输出转矩，即,式中 Mmax 减速器输出轴最大允许输出转矩Nm，D 滚筒直径，m。综合考虑上述三个条件，按其中最小者确定主加速度a1的大小。,三、提升减速度的确定提升机减速度可以采取多种方式，常用的有自由滑行减速、制动减速和电动机拖动减速。1.自由滑行减速 减速一开始，电动机便从电网上断开，提升系统拖动力为零，靠惯性自由滑行。由动力学方程得,减速时，近似有xH，由式得自由滑行时的减速度为3,2.电动机减速方式 电动机减速方式为正力减速。当采用自由滑行减速方式其减速度太大时，必须采用正力减速。此时，将电动机转子电阻接入转子回路中，使电动机在较软的人工特性曲线上运行。为能较好地控制电动机，这时电动机输出力应不小于电动机额定力的0.35倍，即,3.制动减速方式 此减速方式为负力减速。当采用自由滑行减速方式减速度太小时，必须对系统施加制动力。制动减速方式有机械制动和电气制动两种，机械制动即机械闸制动，电气制动有动力制动和低频制动两种。当采用机械制动减速时，为避免闸瓦发热和磨损，所需制动力应不大于0.3mg，则减速度为,当采用电气制动减速时，则减速度为,Fz 电气制动给出的制动力，N。,四、提升速度图参数计算 1.初加速阶段 卸载曲轨中初加速时间 2.主加速阶段 加速时间,加速阶段的行程,减速度时间：,减速阶段行程：,式中v4爬行速度，m/s。,3.主减速阶段,4.爬行阶段箕斗提升的爬行距离和爬行速度可参考下表。,爬行时间t4为：,5.抱闸停车阶段 抱闸停车制动减速度一般取a5=1m/s2；此阶段时间很短可以不计，若计算则：,6.等速阶段 等速阶段行程h2：,h2=H-（h0+h1+h3+h4）,等速阶段时间t2,制动时间：,7.一次提升循环时间Tx=t0+t1+t2+t3+t4+t5+式中 一次提升循环休止时间，s。,速度图计算完后,需重新验算提升能力富裕系数af 提升设备小时提升能力为,提升设备的年实际提升量为,提升能力的富裕系数为,式中 An 矿井设计年产量，吨/年；br 年工作日数，日/年 t 每日提升小时数，小时/日；c 提升不均衡系数，主井提升，一般有井下煤仓时取1.101.15；无井下煤仓时取1.2。对第一水平应该有=1.2的富裕系数。最后绘制出提升速度图。普通罐笼提升为五阶段速度图，其计算方法与上述相同，只是没有初加速阶段。副井提升速度图，要考虑人员升降时煤矿安全规程对速度和加、减速度的限制。运送炸药要受煤矿安全规程有关规定的限制。,第三节 提升设备的动力学计算 提升系统动力学是研究和确定在提升过程中，滚筒圆周上拖动力的变化规律，为验算电动机容量及选择电气控制设备提供依据。各类速度图所对应的动力学计算方法大致相同。基本方法是将计算出的各提升阶段的各个量代入提升动力学基本方程式，计算出提升过程中各阶段的拖动力。若把提升各阶段的始、终点的速度和拖动力代入功率计算公式，即可求出滚筒轴上的功率。现以单绳缠绕式无尾绳箕斗提升系统六阶段速度图为例，介绍动力学计算的基本方法。对于单绳缠绕式无尾绳提升设备，动力方程式为 F=Kmg+mpg（H-2x）+ma,1.初加速度阶段（1）初加速度开始，x=0，t=0，a=a0F0=Kmg+mpg H+ma0（2）初加速度终了，x=h0，t=t0，a=a0F0=Kmg+mpg（H-2 h0）+ma0=F0-2mpgh02.主加速度阶段（1）主加速度开始：x=h0，t=t0，a=a1F1=Kmg+mpg（H-2h0）+ma1=F0+m（a1-a0）（2）主加速度终了，x=h0+h1，t=t0+t1，a=a1F1=Kmg+p（H-2 h0-2 h1）+ma1=F1-2 mpg h1,3.等速度阶段（1）等速度开始：x=h0+h1，t=t0+t1，a=0 F2=Kmg+mpg（H-2h0-2h1）=F1-ma1（2）等速度终了：x=h0+h1+h2，t=t0+t1+t2，a=0F2=Kmg+mpg（H-2h0-2h1-2h2）=F2-2mpgh24.减速度阶段（1）减速度开始：x=h0+h1+h2，t=t0+t1+t2，a=-a3F3=Kmg+mpg（H-2h0-2h1-2h2）-ma3=F2-ma3（2）减速度终了：x=h0+h1+h2+h3，t=t0+t1+t2+t3，a=-a3F3=Kmg+mpg（H-2h0-2h1-2h2-2h3）-ma3=F3-2mpgh3,5.爬行阶段（1）爬行开始：x=h0+h1+h2+h3，t=t0+t1+t2+t3，a=0F4=Kmg+mpg（H-2 h0-2 h1-2 h2-2 h3）=F4+ma3（2）爬行终了：x=h0+h1+h2+h3+h4，t=t0+t1+t2+t3+t4，a=0F4=Kmg+mpg（H-2 h0-2 h1-2 h2-2 h3-2h4）=F4-2mpg h4,坐标图上（横坐标为时间（s），纵坐标为力F（N）绘制力图。在图中确定所计算力值的位置，应与速度图横坐标各阶段的时间相对应，并将每阶段首末两点连成直线即成力图，实际上力在加、减速度阶段的变化呈抛物线，近似成直线其误差很小，是允许的。把力图和速度图绘制在一起，就是提升工作图。,箕斗提升速度图和力图,滚筒轴上的功率，可以将各提升阶段始点和终点的力F与速度v代入下式，即可求出各提升阶段起点和终点的功率。,计算出各提升阶段的起点和终点的滚筒轴的功率后，也可以画出提升机滚筒的轴功率图。,第四节 提升电动机容量的验算一、提升电动机等容量计算 在提升系统的变位质量计算中，已经预选了电动机，它是否能满足提升系统各种运动状态下的要求，要通过对电动机温升、过负荷能力和特殊力等条件验算才能确定。,电动机的额定功率是指电动机在额定负载下以额定转速连续运转，其绕组的温升不超过允许值时的功率。由于在一次提升循环中，提升机滚筒圆周上的拖动力和速度是变化的。这样就不能直接按某一时间的负载和转速计算电动机功率。但是电动机在长时间运转过程中是否过负荷的标志是其温升，若电动机在变化负荷下运转时的温升与其在某一固定负荷下运转时的温升相等，就可以用这个固定力作为验算电动机功率的依据，这个力称为等效力Fd。,影响电动机温升的条件除了产生的热量外，还有散热条件，而散热条件又与电动机转速等因素有关。如高速运转时其冷却风流散热较低速时好些。考虑到散热因素，计算电动机容量时不以实际时间计算，而以等效时间计算。等效力为 式中 可作简单计算，对于箕斗提升六阶段力图可计算为：,在计算上式中，减速阶段的拖动力是否计入，与减速方式有关。自由滑行减速或机械制动减速时，由于电网与电动机已经断开，电动机不再发热，则F3、F3的值不应计入；若采用电动机减速制动方式时，其力值应计入，这是由于此时电动机内有电流通过而产生热量的缘故；当采用动力制动时，应将F3、F3与分别乘以1.4和1.6的系数，再进行计算，系数1.4和1.6是考虑到动力制动时，力与电流之比值与电动机运转方式不同，因为此时电动机定子为两相通入直流电的缘故；对于爬行阶段，若采用微机拖动，也不应计入其力值。最后的刹车制动阶段，一般均采用机械制动，所以力值不计算在上式中。,其中 低速运行时散热不良系数;停机散热不良系数;休止时间，s。,电动机的等效功率为,二、电动机容量的验算,1按电动机允许发热条件应满足,式中 Ne 初选电动机的额定功率,2.按正常运行时电动机过负荷能力验算,式中 电动机的过负荷系数，可由电动机规格表查得。,3在特殊情况下，电动机过负荷能力应满足,式中 Ft作用在滚筒缠绕圆周上的特殊力，在下列情况下产生特殊力。,（1）普通罐笼提升时，空罐笼位于井底支撑装置上，而把井口重罐笼稍向上提起时产生的特殊力为：,，N,，N,（2）在更换水平或调节绳长时，打开离合器而单独提升空容器时产生的特殊力为：,式中 动力附加系数取1.051.1。,按上述三个条件验算时，其中有一个条件不满足，则必须重选电动机，并重新计算提升系统变位质量，计算运动学、动力学、校验电动机容量，直到合适为止。如果仅为条件3的（1）项不满足，可考虑改用摇台代替罐座。,第五节 提升设备的电耗及效率的计算电耗和效率是提升设备的主要经济指标。一、一次提升电耗W,（焦/次）,式中 1.02提升附属设备（如润滑油泵、制动油泵、磁力站、动力制动电源装置等）的耗电系数。,利用上式计算时，应注意几下几点：（1）如果减速阶段采用自由滑行或机械制动减速时，因提升电动机已切断电源，其定子绕组内无电流通过，不消耗电能，故减速阶段力F3与F3不应计入。只在采用电动机减速方式与电气制动减速时才计入。,（2）爬行阶段，当采用脉动爬行时，爬行阶段的拖动力F4及F4应计入。,（3）爬行阶段，当采用微机拖动或低频拖动时，应将 换为,而0.8是微拖装置或低频机组的效率；是采用微拖动或低频拖动爬行阶段拖动力的折算系数。,二、提升设备的吨煤电耗及提升设备的年电耗电Wn,三、一次提升有益电耗 Wy=1000mgH四、提升设备的效率,，（焦/吨）,Wn=W1An,