基于MATLAB提升容器的仿真分析

白 勇

（山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司李村煤矿， 山西 长子 046600）

引言

煤炭作为我国国民经济发展的基础，为我国的众多行业提供动力。目前我国正处于社会主义初级阶段，在未来的很多年内煤炭的核心地位不会被动摇。而且，随着社会的发展，全球对煤炭的需求量越来越大，对煤炭采煤工作面的效率提出了更高的要求和挑战[1]。煤炭综采工作面的效率和安全性在一定程度上由综采工作面的综采设备及其配套设备的性能所决定。

在众多综采设备中，矿井提升系统作为连接综采工作面与地面的关键枢纽，其主要作用是实现矿物、矸石、人员、材料以及设备的升降。其中，立井摩擦提升系统作为当前使用场合较多的提升系统，其工作原理为依靠钢丝绳与摩擦轮之间的摩擦作用，实现载荷和容器的升降。据研究表明，随着采煤量及开采效率的不断提升，对提升系统的安全性要求越来越高，而立井摩擦提升系统在实际应用中常发生过卷和过放的事故[2]。因此，为提升立井摩擦提升系统的可靠性和稳定性，本文将针对其过卷事故对其进行研究，着重分析其动力学和运动学情况，为改进过卷保护系统奠定基础。

1 立井摩擦提升系统过卷保护的运动学分析

立井摩擦提升系统出现过卷现象时可分为以下三种情况：一是在制动系统的作用下进行制动；二是在制动系统和过卷缓冲装置的共同作用下制动；三是在制动系统、过卷保护缓冲装置以及井口防撞梁下的共同情况下制动。因此，本文将对上述三种情况下提升系统过卷保护的运动学进行分析，具体得出过卷侧和过放侧提升容器位移、速度以及加速度与时间的表达式。

本文所研究提升系统的参数：立井摩擦提升系统所采用的提升机类型为塔式立井摩擦提升机，该立井的深度为400 m；提升系统两侧钢丝绳的长度为420 m；该提升系统中提升容器和下放侧容器的质量均为14 000 kg；该提升系统的额定载荷为10 000 kg；该提升系统两侧钢丝绳的质量均为2 772 kg；钢丝绳与摩擦轮之间的摩擦系数为0.25。此外，设定该提升在实际工作中提升和下放两个方向所承受的外在阻力分别为5 000 N；且当提升或者下放速度超过10 m/s时，系统即发生过卷现象；该提升系统制动器的类型为盘闸式，过卷和过放的缓冲装置类型为楔形木罐道。

2 立井摩擦提升系统的过卷保护力的计算

2.1 制动系统制动力的计算

制动系统为提升系统的关键组成部分，该系统主要由制动器和传动机构组成。制动系统的主要作用为正常停车、工作制动、实现保护以及闸住游动卷筒等。

根据《煤炭安全规程》的相关标准要求，不同工作状态下的系统制动时的减速度不同。其中，提升重物制动时减速度最小为5 m/s2，下放重物制动时减速度最小为1.5 m/s2。此外，制动时的行程最大不得大于安全行程的3/4[4]。在相关规范的要求下，立井摩擦提升系统的制动过程中的制动力计算公式如（1）所示：

式中：n0为立井摩擦提升系统盘式制动系统的闸的副数，取8套；λ为提升系统制动系统的传动效率，取0.4；N0为制动系统的额定推力，取6 500 kg；A为制动系统制动盘活塞的有效面积，取142 cm2；P0为制动时的液压油的压力，取9 kg/cm2。经计算，可得该型号提升系统的制动系统的制动力大小为33 420 N。

2.2 过卷缓冲装置缓冲力的计算

过卷缓冲装置的主要作用是实现对立井摩擦提升系统的过卷缓冲保护。根据《煤矿安全规程》的相关规定，要求立井摩擦提升系统在提升速度保持维持在 3 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s的范围内，且要求对应提升速度下的过卷高度和过放距离最小分别为 4 m、4.75 m、6.5 m、8.25 m、10 m，同时与上述过放距离对应的吊桶的过卷高度最小分别为2 m、2.37 m、3.25 m、4.12 m、5 m[5]。

本文所研究提升系统所采用的过卷缓冲器楔形木罐道，缓冲力的计算如式（2）和（3）所示。其中式（2）为过卷时的缓冲力，式（3）为过放时的缓冲力。

式中：y1为提升侧提升容器进入过卷侧楔形木罐道的距离；y2为下放侧提升容器进入过放侧楔形木罐道的距离；i1和i2分别为过卷和过放时楔形木罐道的斜率，其中i1=1/80，i2=1/100；b为楔形木罐道的宽度，取0.09 m；λ为罐道的木抗力，取2.94× 104Pa；n为楔形木罐道的罐耳数，取2。经计算可得，过卷时缓冲力F1=1.06× 105y1；过放时缓冲力F2=1.32× 105y2。

3 立井摩擦提升系统过卷保护的仿真分析

本文采用Matlab软件对立井摩擦提升系统的过卷保护过程进行仿真分析，将第2节中所得的提升系统在过卷侧和过放侧的运动学结果导入Matlab仿真软件中，得出对应的仿真结果。

图1 两侧提升容器位移仿真曲线

3.1 两侧提升容器位移仿真分析

如图1所示，经仿真分析可知，立井摩擦提升系统过卷侧和过放侧提升容器在本身制动系统、过卷缓冲器以及井口、井底防撞梁的共同作用下分别在3.06 s和2.92 s后系统停止运行，即说明制动系统、过卷（过放）缓冲器以及井口（井底）防撞梁能够对立井摩擦提升系统起到保护作用。

3.2 两侧提升容器速度仿真分析

如图2所示，经仿真分析可知，两侧提升容器的速度均能够稳定降至零。而且，在过卷（过放）缓冲器的作用下，容器的减速较大；最后在井口（井底）放撞梁的作用下降容器的速度降至零。

图2 两侧提升容器速度仿真曲线

3.3 两侧提升容器加速度仿真分析

如下页图3所示，经仿真分析可知，对于过卷侧而言，其加速度在1.36 m/s2内的变化较小，而在1.36～1.70 s的变化较大，即过卷缓冲器对系统起到了保护作用；对于过放侧而言，其加速度在1.24 s内变化较小，在1.24～1.56 s内的加速度变化较为明显，而且同时有波峰和波谷存在，在过放侧系统运行时有振动的现象。

4 结语

提升系统作为连接煤矿综采工作面与地面的关键枢纽，该系统运行的可靠性和稳定性与整个工作面的生产效率和产量息息相关。立井摩擦提升系统作为应用最为广泛的提升系统，在实际运行过程中容易出现过卷现象，容易造成事故。因此，加强对各类型提升系统在实际运行中的运动学和动力学分析，为改进和完善提升系统的各项参数提供指导。