朱集西煤矿主井40吨箕斗曲轨卸载系统的研究与应用

张磊 杨杰 王凯

摘 要：曲轨卸载具有维护简单、不需外动力的优点，采用曲轨卸载，可以提高生产效率，降低成本，以最小的设备投资获得最大生产能力，将具有重大的经济、社会和安全效益。文章结合朱集西煤矿的实际，对主井40吨箕斗曲轨卸载系统进行研究。

关键词：大吨位箕斗；曲轨卸载；曲轨卸载研究；曲轨卸载应用

1 朱集西煤矿基本情况

朱集西煤矿设计生产能力4.0Mt/a。主井井筒净直径6m，装备一台JKMD-5.7×4（IV）E落地多绳摩擦式提升机。提升容器为一对40吨提煤箕斗，采用定重装载方式，最大提升速度为14.92m/s，担负矿井提升煤炭任务。研究曲轨卸载系统可以提高生产效率，降低成本，以最小的设备投资获得最大产能，对朱集西煤矿按期投产具有重要的现实意义。

2 主要研究内容及关键技术分析

2.1 主要研究内容：40吨箕斗的结构（重点卸载滚轮及闸门轴间相对位置关系）；卸载曲轨的结构及与罐道架间固定方式。

2.2 关键技术

曲轨卸载关键技术包括力的分析和相应机构的设计。如果曲轨设计不合理，那么冲击力和闸门开启力均大，这样就会使曲轨受力不均衡，曲轨、滚轮过早产生磨损，设备关键部位容易发生形变，从而发生安全隐患，影响设备安全可靠运行。对于大型箕斗，以上问题尤其突出，因此确定相关部件的结构几何关系和受力分析是关键技术的所在。

2.2.1 相关部件的结构几何关系

在煤矿立井提升系统中，箕斗卸载方式有曲轨卸载和外动力卸载2种卸载方式。采用曲轨卸载时，箕斗慢速提升至停止位置过程中，滚轮进入曲轨，在曲轨的挤压下，滚轮一边向上运行一边向右转动，带动扇形闸门徐徐向上开启，原煤卸载，卸载完毕后，主井提升系统即可直接进入下一提升循环。

卸载滚轮在曲轨中运行时，扇形闸门的开启角度和曲轨形状有固定的对应关系。由图1可知卸载滚轮水平位移为：

（1）

所以，扇形闸门开启角度为：

（2）

f（x1）两边对时间t求导，得到扇形闸门开启角速度为：

（3）

对式（3）两边对时间t求导，得到扇形闸门开启的角加速度为：

（4）

式中：R-扇形闸门滚轮杆长度，m；？兹a-扇形闸门滚轮杆初始位置与竖直方向夹角，rad；v-卸载滚轮竖直方向的运行速度，即箕斗运行速度，m/s；a-箕斗运行的加速度，m/s2。

2.2.2 受力分析

闸门开启过程中，当几何及运动关系确定时，闸门开启力也是确定的。

滚轮处开启力为：

（5）

式中：Fbas-系统基本开启力，即克服煤阻力所需开启力，N；Fmg-克服闸门自重所需的力，N；Fr-克服闸门回转轴处摩擦力所需的力，N；Fm-克服闸门转动的动力所需的力，N。

以上各力采用以下公式计算：

（6）

（7）

（8）

（9）

由图2，根据受力关系得到曲轨所受正压力为：

（10）

式中：S-扇形闸门弧形板面积，m2；？滓-扇形闸门弧形板处煤压，N/m2；？滋j-扇形闸门弧形板与煤的静摩擦系数；L-扇形闸门等效阻力矩，m；？兹1-为滚轮由初始状态到闸门与煤有相对位移时的转动角度，大小由闸门相关部件刚度及开启力决定，rad；？兹a-滚轮杆轴线与铅垂线的运动初始状态夹角 （定义为负值），rad；？兹b-滚轮杆轴线与铅垂线的运动终止状态夹角，rad；？滋d-扇形闸门弧形板与煤的动摩擦系数；m-扇形闸门质量，kg；？准-扇形闸门的形状角度，rad；L1-扇形闸门的初始重力矩，N·m；D-旋转轴直径，m；F合力-扇形闸门对旋转轴的作用合力，N；？滋3-扇形闸门与旋转轴的摩擦系数；I-扇形闸门相对旋转轴的转动惯量，kg·m2；？琢-曲轨切线与铅垂线的夹角，rad。

（11）

曲轨固定在套架之上，在卸载过程中由于曲轨和卸载滚轮的相互作用，对箕斗将产生时变的动态力，这些力最终在水平方向上由四角稳罐装置承担，铅锤方向（纵向）上由主提升钢丝绳承担。设水平力为X，铅垂方向力为Y。可知：

（12）

（13）

式中：？滋w-箕斗与四角稳罐装置之间的摩擦因数。可取？滋w=0.15

在系统设计过程中，式（10）、（13）将分别作为曲轨与套架受力设计、钢丝绳受力设计的依据。

3 结束语

朱集西煤矿主井40吨箕斗曲轨卸载是我国国内40吨箕斗首次采用曲轨卸载。通过朱集西煤矿主井40吨箕斗曲轨卸载系统的研究与应用，掌握大吨位箕斗曲轨卸载的基本情况，在设计和模拟时按45吨箕斗的冲击载荷计算，因此给矿井今后的技改和增产上留有一定空间。有利于提升矿井的生产能力，将具有重大的经济、社会和安全效益。