给定绞车条件下复杂巷道打运能力的核定*

李志兵，李 宁，徐兴东，韩云春

(1.淮南矿业(集团)有限责任公司深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽 淮南 232100；2.煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南 232100；3.西南政法大学人工智能 法学院，重庆 401120；4.青海能源鱼卡有限责任公司，青海 德令哈 816200)

0 引言

无极绳绞车作为矿井轨道辅助运输的主要设备之一，适用于长距离、多弯道、多变坡、大吨位等条件，多用于矿井大巷、采区巷道、工作面巷道等辅助运输中[1-4]。但随着煤矿生产不断推进，井下运输距离不断增长、运输环境变得更加复杂；更为主要的是，矿井生产千变万化，打运货物载荷随生产而改变，机电设备有限，可供使用的无极绳绞车型号屈指可数[5-7]。在此情况下，仍采用以给定载荷验证绞车型号是否满足要求的传统选型计算方法给生产带来很多麻烦[5-7]。因此，采用逆向思维，在考虑有限的绞车型号条件下，根据潘三矿1791(3)轨顺掘进期间打运相关实际生产情况，得出打运载荷能力，以指导现场生产。

1 现场生产条件

潘三矿1791(3)轨顺掘进期间，无极绳绞车打运系统包括1791(3)轨顺和1791(3)轨顺提料斜巷，轨顺长度1 200 m，为近水平巷道，走向角度近似0°；提料斜巷长度100 m，最大坡度20°，斜巷平均坡度17°。

矿井现有SQ-120/132P无极绳绞车，即为该巷掘进期间计划采用的绞车，采用φ24.5 mm的钢丝绳，破断力为317 kN。SQ-120/132P无极绳绞车最大牵引力120 kN，无极绳绞车设定打运速度v不大于0.8 m/s，钢丝绳张力初值S1为2.9 kN左右。矿车自重1 300 kg，梭车重量1 500 kg，钢丝绳单位长度质量2.07 kg/m，无极绳绞车传动效率0.85。

2 给定载荷验算绞车能力的传统方法

以每钩最多打运三车锚杆作为打运基数，每车装300套φ22 mm×2 400 mm锚杆(2 145 kg)，三车锚杆总重量为6 435 kg。

2.1 最长运距1 300 m(100 m提料巷、1 200 m轨顺)验算

2.1.1 无极绳绞车牵引力验算

无极绳绞车所受拉力的计算见式(1)

F=[Z(G车+G载)+G梭)]g(sinβ1+ω1×cosβ1)+ 2δsL1g(sinβ2+ω2cosβ2)+ 2δsL2gω2cos0°

(1)

式中，F为无极绳绞车所受拉力，N；Z为每次牵引的重车数；G车为空车自重，取1 300 kg；G载为打运物件最大重量，取2 145 kg；G梭为梭车重量，取1 500 kg；β1为斜巷最大倾角，取20°；β2为斜巷钢丝绳平均倾角，取17°；δs为钢丝绳单位长度的质量，取2.07 kg/m；L1为斜巷运输距离，取100 m；L2为平巷运输距离，取1 200 m；ω1为矿车运行阻力系数，取0.015；ω2为钢丝绳运行时与拖辊和底板间的阻力系数，取0.2。计算得，F=53 kN。无极绳绞车所受拉力为53 kN，小于绞车120 kN的最大牵引力，合格。

2.1.2 无极绳绞车功率验算

无极绳绞车实践功率计算见式(2)，功率备用系数计算见式(3)

N=F×V/η

(2)

(3)

式中，N为无极绳绞车实际功率，kW；V为无极绳绞车牵引速度，取0.8 m/s；η为无极绳绞车传动效率，取0.85;P为无极绳绞车额定功率，取132 kW；K为功率备用系数(绞车设计需大于1.1)。经计算，功率备用系数K=2.64>1.1，合格[8-11]。

2.1.3 重锤重量核算

为保证钢丝绳在滚筒上不打滑，有

S1=nF/(eμα-1)

(4)

式中，S1为钢丝绳张力初值，kN；n为摩擦力备用系数(或称防滑安全系数)，可取1.1～1.2；μ为钢丝绳与驱动轮间的摩擦系数，其值视驱动轮绳衬材料而定，采用PVC或GM-3绳衬取0.3，铸铁绳衬可取0.14；α为钢丝绳在驱动轮上的总围抱角。取n=1.2，μ=0.14，α=7π，代入式中得S1=3.07 kN。

张紧重锤采用动滑轮，其最小重量为

G锤=1 000kCx,S1/g=626.1 kg

(5)

式中，G锤为张紧重锤重量，kN；Cx为包括受压绳轮等在内的阻力系数，取1.2；k为重锤结构系数，单动轮取2。经计算，打运三车锚杆要求安装张紧重锤重量为626.1 kg，小于800 kg，合格。

2.1.4 钢丝绳安全系数验算

无极绳绞车钢丝绳安全系数的计算见式(6)

n=Qz/Smax=Qz/(F+S1)

(6)

式中，n为无极绳绞车钢丝绳安全系数；Qz为钢丝绳破断拉力总和，取317 kN；Smax为钢丝绳最大张力，kN。钢丝绳许用安全系数(运输最大重物时)为3.7。经验算，钢丝绳安全系数n=5.65>3.7，合格[12-14]。

由以上验算所得，SQ-120/132P无极绳绞车配φ24.5 mm钢丝绳打运三车锚杆，通过以上计算，满足使用要求。

2.2 最短运距300 m(100 m提料巷、200 m轨顺)验算

同理，使用上述方法，可以得出最短运距300 m时，SQ-120/132P无极绳绞车配φ24.5 mm钢丝绳打运三车锚杆，满足使用要求。总之，使用给定载荷验算绞车能力的传统方法，验算了在最长打运距离和最短打运距离2种情况下，打运总重量为6.435 t的三车锚杆(含车皮重量)，可满足要求。

3 给定绞车型号核算打运能力

3.1 最长运距(1 300 m)最大打运载荷验算

3.1.1 无极绳绞车最大拉力F1验算

依据无极绳绞车额定功率，无极绳绞车最大拉力F1的验算见式(7)

F1=Pη/(K·V)

(7)

式中，V为无极绳绞车牵引速度，取0.8 m/s；P为无极绳绞车额定功率，取132 kW；η为无极绳绞车传动效率，取0.85；K为功率备用系数(绞车设计>1.1)。计算得，F1为127.5 kN。

3.1.2 无极绳绞车最大拉力F2验算

根据钢丝绳在滚筒上不打滑的原则，验算无极绳绞车最大拉力F2。张紧重锤采用动滑轮，则无极绳绞车钢丝绳张力初值为

S1=gG锤/1 000kCx

(8)

式中，S1为钢丝绳张力初值，kN；G锤为张紧重锤重量，800 kg；Cx为包括受压绳轮等在内的阻力系数，取1.3；k为重锤结构系数，单动轮取2。计算得，S1为2.9 kN。

为保证钢丝绳在滚筒上不打滑，有

F2=S1(eμα-1)/n

(9)

式中，n为摩擦力备用系数(或称防滑安全系数)，可取1.1～1.2，取n=1.2；μ为钢丝绳与驱动轮间的摩擦系数，其值视驱动轮绳衬材料而定，采用PVC或GM-3绳衬取0.3，铸铁绳衬取可取0.14，取μ=0.14；α为钢丝绳在驱动轮上的总围抱角，绞车实际包围角α为9π。计算得，F2为124.4 kN。

3.1.3 无极绳绞车最大拉力F3验算

根据钢丝绳安全系数满足要求，验算无极绳绞车最大拉力F3。钢丝绳许用安全系数(运输最大重物时)为3.7。为保证钢丝绳安全系数满足要求，则

F3=Qz/3.7-S1

(10)

式中，Qz为钢丝绳破断拉力总和，取317 kN。计算得，F3为82.7 kN。

3.1.4 最大打运载荷验算

根据上述计算，结合钢丝绳额定牵引力F额为120 kN。可知，再在1791(3)轨顺SQ-120/132P无极绳绞车现存安装状态下，无极绳绞车钢丝绳最大拉力F=min{F额，F1，F2，F3}=82.7 kN。无极绳绞车最大打运载荷G总(包括梭车、车皮和物件的总重量)验算

G总=[F-2δsL1·g(sinβ2+ω2cosβ2)-

2δsL2gω2cos0°]/g(sinβ1+ω1×cosβ1)

(11)

式中，F为无极绳绞车所受拉力，取56 400 N；δs为钢丝绳单位长度的质量，取2.07 kg/m；L1为斜巷运输距离，取100 m；L2为平巷运输距离，取1 200 m；ω1为矿车运行阻力系数，取0.015；ω2为钢丝绳运行时与拖辊和底板间的阻力系数，取0.2；β1为斜巷最大倾角，取20°；β2为斜巷钢丝绳平均倾角，取17°。代入，经计算得，G总=20.3 t。所以，G载总=G总-G梭=18.8 t。

由以上验算得，SQ-120/132P无极绳绞车配φ24.5 mm钢丝绳在现有条件下，最大打运路线为1 300 m时，最大打运货物总载荷G载总(包括车皮和物件的总重量)，为18.8 t。

3.2 最短运距(300 m)最大打运载荷验算

同理，使用上述方法，可以得出最短运距300 m时，使用SQ-120/132P无极绳绞车配φ24.5 mm钢丝绳，最大打运货物总载荷G载总(包括车皮和物件的总重量)，为16.36 t。

总之，使用给定绞车型号核算打运能力的方法，得出最大打运路线时，最大打运货物总载荷G载总(包括车皮和物件的总重量)，为18.8 t；最短运距时，最大打运载荷G总(包括梭车、车皮和物件的总重量)，为17.86 t；取小值，最大打运货物总载荷G载总(包括车皮和物件的总重量)，为16.36 t。

4 2种计算方法的对比

方法1(给定载荷验算绞车能力的传统方法)根据打运物件载荷，确定无极绳绞车型号；方法2(给定绞车型号核算打运能力)根据已有绞车型号，确定最大打运物件载荷，属相互逆向思维。使用方法1验算的打运载荷为6.435 t，使用方法2验算的打运载荷为16.36 t，打运能力增加了2.54倍；使用方法1选型的绞车，矿井不一定备有，如需重新购买，影响生产，使用方法2可充分发挥矿井现有的生产设备。方法1得出的最大打运载荷并不一定是绞车的最大打运能力，容易出现“大马拉小车”的现象；方法2出的最大打运载荷能充分发挥绞车的能效，有利于提升生产效率。因生产现场打运物件种类繁多，且多有变化，方法2得出的最大打运载荷，能更加简单、直接地指导工人生产。

5 结语

无极绳牵引绞车运输是巷道辅助运输的有效方式之一，绞车选型是生产设计的重要一环，然而受矿井配备绞车种类限制，生产实际过程中，往往是先确定绞车型号，再验算打运能力。通过理论分析，推导得出2种方法(给定载荷验算绞车能力的传统方法和给定绞车型号核算打运能力)的最大打运载荷能力，得出方法2的优势，并将该方法应用到淮南矿业集团潘三矿1791(3)轨顺掘进期间使用SQ-120/132P无极绳绞车配φ24.5 mm钢丝绳进行打运的最大载荷核算，提升了打运效率，满足了安全生产，技术经济效果明显。