1、第48卷第2期 煤炭工程 C0AL ENGINEERING VolI 48No2 doi：101 1799ce201602005 余吾南风井井下架空乘人装置系统设计 聂 扬 (中国煤炭科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120) 摘要：以余吾南风井井下架空乘人装置系统设计为例介绍了在巷道立面多坡度变化平 面角度亦有变化时架空乘人装置设计所需考虑的各种因素通过理论分析和计算牵引钢丝绳各点 张力及关键部件的受力情况，提供了主要部件的选型计算结果同时明确了设备安装要求。达到 控制系统投资，保障矿井辅助运输安全的目的。 关键词：架空乘人装置；转弯机构；牵引钢丝绳；选型计算 中图分类号：TD525
2、 文献标识码：A 文章编号：16710959(2016)02001404 System design of mine cable personnel carrier in Yuwu south ventilation shaft NIE Yang (Beijing Huayu Engineering CoLtd，China Coal Technology and Engineering Group，Beijing 100120，China) AbstractBased on the mine cable personnel carrier system design of Yuwu south
3、 ventilation shaft，the paper introduces important factors of mine cable personnel carrier，with multi slope change of roadway facade，plane angle，offers the selection calculation results of main component，through theoretical analysis and calculation of tension on traction wire rope and stress conditio
4、ns of the key parts，and definitizes the equipment installation requirements，to control system investment，and ensure the safety of mine auxiliary transport Keywords：mine cable personnel carrier；turning mechanism；traction wire rope；selection calculation 1概述 煤矿架空乘人装置是煤矿井下辅助运输设备适合多 变坡巷道、长距离条件下的机械运人及100k
5、g以下小型零 部件的运输，它对减少上下井时间、井下机械安全运输、 降低体力消耗、提高安全生产具有非常重要的意义。煤矿 架空乘人装置有上下人方便、随到随行、不需等待、一次 性投入低、动力消耗小、操作简单、便于维护和运送效率 高等特点。文章对余吾南风井井下架空乘人装置方案做了 具体研究，使其实现性能的最优化。 余吾煤矿位于山西省屯留、襄垣县境内潞矿集团的 西部，矿井设计生产能力600Mta。架空乘人装置布置在 井下乘人专用巷及南五采区进风下山内。其中架空乘人专 用巷巷道斜长约403m，最大坡度73。，平均坡度23o；南 五采区进风下山巷道斜长约1917m，最大坡度7o，平均坡 度44。架空乘人装置
6、布置长度合计2320m，在两条巷道 间有一个水平方向的转弯，转弯角度为90。 14 收稿日期 作者简介 引用格式 井下架空乘人装置系统包括：电动机、联轴器、工作 制动器、安全制动器、减速器、驱动轮、驱动装置机架、 吊架、托绳轮、压绳轮、吊椅、抱索器、钢丝绳、尾轮架、 尾轮、张紧装置、吊椅防过摆装置、静态上下车装置、专 用救护担架、专用载货吊篮、标准和规范规定的安全保护 装置及防爆变频电气控制系统。 2方案选择 21设备运行速度 煤矿井下辅助运输设计规范(GB 50533-2009)中第 1232条架空乘人装置运送人员时应遵守下列规定：运行速 度采用固定抱索器时应不大于12ms采用活动抱索器时应
7、 不大于25ms，坡度大于16。时不应超过16ms。 余吾井下架空乘人装置布置长度L=2320m，全程最大 坡度均小于l6。采用固定抱索器时速度 =12ms，单人 单次运送时间t =L60v一32min采用活动抱索器时速度 = 2ms，单人单次运送时间 ，=L60v 19min。对比两种方 20150910 聂扬(1984一)，男，北京人，工程师，现在中煤科工集团北京华宇工程有限公司从事矿井机电设计工 作，E-mail：mac37163COrn。 聂扬余吾南风井井下架空乘人装置系统设计J煤炭工程，2016，48(2)：1416，19 2016年第2期 煤炭工程 式，单人单次全程运送时间差为13
8、min，在符合规范要求的 前提下优先选用更节省时间的活动抱索器型式，速度设定 为2ms。 22设备数量选择 井下乘人专用巷及南五采区进风下山两条巷道间有一 个水平方向的转弯，转弯角度为90。设计初期考虑了两种 方案： 221布置两部架空乘人装置(方案1) 1号架空乘人装置，布置在架空乘人专用巷内，长约 400m；2号架空乘人装置，布置在南五采区进风下山内， 长约1900m。 此方案设备要求低，故障环节点少，全程能顺利运行， 且巷道工程需求量少。但需两套设备，两套驱动系统，设 备总投资高，功率大，不利于节约能源，且中途需要摘掉 座椅换乘一次，不利于减轻井下工人劳动强度，减少时间 成本。 222布
9、置一部架空乘人装置(方案2) 井下布置一台架空乘人装置，设备中途需转弯，角度 为9O。半径暂定6m。 此方案中途不需换乘，但需要在转弯处增加转弯机构， 转弯机构能实现水平范围内不摘座椅人不下车而直接转弯 运行，能够减轻上下井工人劳动强度，使其在多个转弯的 巷道中直接运行到终点。该方案节约设备总投资，即只需 要一套驱动系统，但需要在转弯处对巷道作出相应修改， 井巷工程量略大。 90。转弯机构在井下应用较少，其设计参考静态上下车 装置，抱索器过转弯机构时与钢丝绳脱开，进入导轨。导 轨两端均低于钢丝绳。中部高于钢丝绳以保证抱索器能 够脱离钢丝绳进入导轨，在导轨上依靠惯性实现转弯后又 脱离导轨，进入钢
10、丝绳_2。因在导轨段抱索器轮组与导轨 滚动摩擦力会阻碍前行，在初始动能固定的情况下，需提 高势能，以保证抱索器能够顺利通过转弯段，因此导轨两 端要有角度，即进入侧要高于脱离侧。架空乘人装置往返 循环运转。两侧同时满足势能要求同时还应满足座椅脚蹬 离地间隙400mm，因此拐弯段巷道地板需相对平整。巷道 修改如图1所示。 转变杉L夕哗轨 顶牵引 丝绳 ， 一 lr 13000 k 图1转弯处巷道修改(mm) 综合对比两种方案，方案2尽管需要进行井巷工程， 但总体工程量不大，且设备总投资，运行耗能，时间效率 上都要优于方案1，因此选用方案2。 23方案设计基础数据 总体布置方案已经选定方案2，架空乘
11、人装置设计基础 数据如下：运距L=2320m(将其折算成一平面长度)，总平 均坡度39。，速度 =02ms，最大高差107m，采用机头 驱动驱动轮直径1400mm，吊椅采用RJHY型活动抱索 器吊椅间距15m，最大班下井人数=180人。 3设备选型计算 31 架空乘人装置工作原理 架空乘人装置系统工作原理就是把钢丝绳安装在驱动 轮、尾绳轮、托绳轮、压绳轮上，通过驱动装置电动机进 行动力的输出，以带动减速机构上钢丝绳及驱动轮进行无 级的循环运动，吊椅由钢丝摩擦和抱索器锁紧至运行的钢 丝绳上同钢丝绳一起下行或上行，以满足输送需要。钢 丝绳利用张紧装置拉紧之后，来维持钢丝绳在托绳轮之间 的张力及挠度
12、l3j。 32主要设计参数的确定 1)最大班下井人数n=180人。 2)架空乘人装置运距 =2320m。 3)钢丝绳运行速度： =02ms。 4)预选钢丝绳：20NAT6x 19S+FC 1670ZZ无油芯(单 位长度钢丝绳重量q。=147kgm，抗拉强度 =1670MPa)； 破断拉力总和：F =220x1214=267kN。 5)设定吊椅间距为A=15m。 6)设定托轮间距为A，=8m。 7)驱动轮绳槽与牵引钢丝绳的摩擦系数 =025，钢 丝绳与托轮间阻力系数 ，动力运行时取 =003，制动运 行时取 =002(因有一处90。转弯，固此可将阻力系数人 为增大)。 8)牵引绳在驱动轮上的围包
13、角 ：180。 9)最大班满载时全部人员运输时间r，为： ： ： !二 ： 46min (1) 60v 、 33 牵引钢丝绳 在架空乘人装置系统中，钢丝绳是吊椅运行的载体， 是整个系统的重要设备，其选定直接影响了整个系统的安 全、平稳运行。根据重要用途钢丝绳国家标准(GB 8918-2006)中规定，架空乘人装置用钢丝绳为右同向捻的 线接触型，不得使用交互捻钢丝绳，为了保证钢丝绳与驱 动轮之间有较大的静摩擦力，满足驱动力的需要，钢丝绳 表面应无油且绳芯少油。 根据设计经验预选牵引钢丝绳20NAT6 x 19S+Fc 1670ZZ其张力计算及安全系数验算如下： 331最小点张力计算 F =C x
14、 qog (2) 式中，F为最小张力点的张力，N；C为钢丝绳的挠 】5 煤炭工程 2016年第2期 度系数，取c=1000；q。为单位长度钢丝绳重量，预选钢丝 绳q。=147kgm；g为重力加速度，ms 。 F=1000 X 147 X 98=14kN 依据设计经验，架空乘人装置迂回轮进绳侧钢丝绳张 力为整个循环张力最小点。 332各点张力计算 运用逐点张力法，通过计算架空乘人装置各种工况下 选取点的张力来计算钢丝绳的安全系数。选取点张力分别 为：动力运行状态下F 为驱动轮进绳侧钢丝绳张力；F，为 驱动轮出绳侧钢丝绳张力；F 为迂回轮进绳侧钢丝绳张力 (即循环最小张力点张力，则F3=F=14k
15、N)；F4为迂回 轮出绳侧钢丝绳张力。制动运行状态下， 为驱动轮进绳 侧钢丝绳张力；F 为驱动轮出绳侧钢丝绳张力；F 为迂 回轮进绳侧钢丝绳张力(即循环最小张力点张力，则F = F=14kN)；F 为迂回轮出绳侧钢丝绳张力。 线路阻力计算： 1)当上升侧满员时(动力运行状态)，线路运行阻力： ，Ll：q0+(Ql+Q2)A1x( c0s +sin ) =19kN (3) fvl=q0+Q2A1x(6Dcos sin )Lg=一21kN (4) 式中，几。为动力运行状态下乘人侧线路运行阻力， kN；fv为动力运行状态下空载侧线路运行阻力，kN；q。为 单位长度钢丝绳重量，预选钢丝绳q。=147k
16、gm；Q 为人 体重量，取95kg；Q 为吊椅重量，取15kg；为阻力系 数，动力运行时 =003； 为平均坡度39。；，J为巷道斜 长合计2320m；g为重力加速度，ms 。 2)当下放侧满员时(制动运行状态)，线路运行阻力： 厂 1=q0+Q2A1x(6Dcos +sin )Lg=5kN(5) _厂下l=q0+(Q1+Q2)A1x(cos sin )Lg =一96kN (6) 式中，厂t。为制动运行状态下空载侧线路运行阻力， kN；I厂 ，制动运行状态下乘人侧线路运行阻力，kN；其他 同上。 运用逐点张力法原理，各点张力计算如下： 1)动力运行时： F3=F=14kN； F4=101F3=
17、1414kN； Fl=F4 l=3314kN； F2= -fvl=161kN。 2)制动运行时： F 3=F=14kN； F =101F =1414kN； F l=F 4+， 1=1914kN； F 2=F P 3-f_F1=236kN。 333安全系数验算 通过前面计算的最大张力点张力和预选钢丝绳破断力， 1 6 验算钢丝绳安全系数m为： m=F F =2673314=806 (7) 式中， 为钢丝绳破断拉力，kN；F最大张力点张 力，取上述所有工况下计算值中最大的F =3314kN；钢丝 绳最低安全系数取6。 因为验算安全系数8066，选择钢丝绳型号为 20NAT6x 19S+FC 167
18、0ZZ无油芯符合安全要求。 34驱动部分 架空乘人装置驱动部分采用机械传动方式，主要包括 隔爆变频电动机、联轴器、高速端制动器、减速机、驱动 主轴组件、驱动轮以及制动器等 。 341变频电动机选型计算 根据上述条件所计算出的牵引钢丝绳各点张力，在各 种工况下进行电动机选型计算。 动力运行时电机功率为： = (FlF2) =64kW (8) 制动运行时： N= (F 2一F 1) 卵=167kW (9) 式中， 为功率备用系数取15； 为架空乘人装置运 行速度，取 =2ms； 为传动效率，取08。 因此选用电机型号：YBBP一280M一4型，90kW (660V1140V)。 342减速器选型计
19、算 减速器速比： i：1480(60vD)=5422 (10) 式中： 为架空乘人装置运行速度，取2ms；订取 314：D为驱动轮直径，取1400mm。因此，选用减速器型 号为：M3RVSF70型，210kW。 343制动装置 架空乘人装置应设工作制动器和安全制动器。工作制 动器设在高速轴上。安全制动器设在驱动轮上。制动装置 为失效安全型。 根据上述主要参数，需对架空乘人装置驱动轮进行防 滑验算，并确定机尾拉紧力和拉紧行程，最终完成整套架 空乘人器的计算选型_5 J。 4设备安装要求 1)架空乘人装置驱动轮、托绳轮、尾轮等部件的安装 应严格按照图纸确定的位置和高度安装。驱动装置、回绳 装置、水
20、平转弯上方应设置可靠的起吊点。 2)架空乘人装置座椅与巷道壁之间留有足够的安全距 离。以确保乘人不与巷道壁发生碰撞。 3)固定托、压绳轮所用工字钢横梁底面平行于巷道底 板，水平度不大于3，高度偏差不大于20ram。 4)变坡点各组双托绳轮安装后应呈圆弧状，钢丝绳能 圆滑通过变坡点，使各组双托轮组均匀受力。 (下转第19页 2016年第2期 煤炭工程 下天轮梁的应力比也达到078。主要杆件应力比见表1。 表1主要杆件应力比 井架正常工作组合荷载作用下的最大水平位移为 26Omm发生在B点处：断绳荷载作用下的最大水平位移 为347mm，发生在B点和A点处(A、B点位置如图4所 示)。均小于允许位移
21、HIO00=469mm(H为井架高度， mm)。主要杆件位移见表2。 A 图4井架斜腿主要构件编号 3结论 1)利用3D3S软件和MIDAS软件能够较好的模拟井架 表2主要杆件位移 的实际受力过程，真实的反应结构的受力过程和位移，提 高了计算速度。 2)设计时应采取合理的计算假定和计算方法，本文对 构件的计算长度采取了二阶弹性分析，能够真实反应轴线 压力使构件弯曲刚度降低，同时考虑了构件的各种缺陷对 内力的影响，提高了计算的准确性和精度。 3)控制应力一般出现在断绳荷载组合下，正常提升荷 载一般不起控制作用，在设计中应该对断绳荷载组合加以 重视，斜撑主要承受轴向力，而平台梁承受弯矩荷载较大，
22、在设计中应该适当提高平台梁的截面，进而提高梁的抗弯 刚度。 参考文献： 1 战玉宝，赵海涛矿山钢井架结构设计浅谈J煤炭技 术，2010(1)：55 2 高岩，周长艮矿山钢井斜撑截面优化设计研究J煤 炭工程，2014(9)：2628 3 GB 50385-2006，矿山井架设计规范S 4 陈绍蕃钢结构设计原理(第三版)M北京：科学出版 社2005 5 GB 50385-2006，钢结构设计规范S (责任编辑杨蛟洋) (上接第16页) 5)驱动轮、回绳轮表面必须与进出钢丝绳组成的平面 在同一水平面内，并保证驱动轮水平。 6)钢丝绳插接符合煤矿安全规程要求。 5结语 30。转弯在架空乘人装置机头和机
23、尾应用比较广泛但 90。转弯在其他矿应用较少。该设计方案的实施，对于平面 范围内两条巷道辅助运输方案提出了一个新的构想，对节 约设备投资、减少人员劳动强度具有现实意义。目前该设 计已处于安装阶段，待投入使用后进一步跟踪调查，优化 设计，以便在其他矿区推广使用。 参考文献： 1 GB 50533-2009，煤矿井下辅助运输设计规范s 2 肖公平浅谈煤矿架空乘人装置中平面转弯机构的设计 J煤炭工程，2006，38(11)；114115 3 胡素丽架空乘人装置的研究及应用J煤矿机械，2011 (6)：156157 4 姜秀华煤矿架空乘人装置研究J煤炭技术，2011(9)： 2O一21 5 郝国花梅花井一号副斜井架空乘人器设计与安装J煤 炭工程，2011，43(8)：l4一l5 (责任编辑赵巧芝) 19
