提升钢丝绳安全系数的验算.doc
提升钢丝绳安全系数的验算the checking computations for hoist steel cable 为了对提升钢丝绳安全系数进行验算，应该了解提升系统的有关参数，如容器自重Qz ,提升载荷Q，矿车自重Qc及钢丝绳的技术数据等。 一、提升容器自重或载荷重力的测定 the mesuration of hoist container deadweight and load gravity 用拉(压)或荷重传感器对提升容器、载荷称重，其原理是容器重力或载荷重力作用于传感器，使传感器产生应变，传感器应变使电桥输出电压(或电流)信号发生变化，电压(或电流)信号变化的大小与重力的大小成正比。根据所称重力大小来选择传感器的型号及量程，规格从几十牛到1000干牛均有。传感器的使用方法按厂家说明。 (一)用拉力传感器 对容器或负荷称重时，可把传感器一端用绳环与连接装置连接，传感器另一端通过导链挂到罐梁上，传感器通电凋零后拉导链。当钢丝绳不受力时，拉力传感器的输出读数即是所称重力。其输出可以用直流毫伏表测量，也可用光线示波器记录，但应对光高进行标定。 (二)用压力或荷重传感器 采用这种方法时，应把容器提到井口水平以上一定高度停车，然后将井口用工字钢栅铺平，设法将传感器放置在工字钢栅上，传感器通电调零后，慢慢下放容器压在传感器上，并保持平衡，当提升钢丝绳稍松驰不受力时，传感器的输出即表示所称重力的数值。 返回 二、提升钢丝绳安全系数的验算 the checking computations for hoist steel cable 提升钢丝绳在正常工作中，除受到静张力的作用外，其内部还受有弯曲应力、扭转应力、接触应力等力的作用，多种复合应力的作用将大大降低钢丝绳的寿命。另外，磨损、腐蚀也是降低钢丝绳寿命，影响安全运行的因素。 由于诸多因素的影响，钢丝绳的寿命不能精确计算。为了保证安全可靠，对钢丝绳的选择验算，均采用安全系数法。即按钢丝绳的最大静张力并考虑一定的安全系数选择或验算钢丝绳。 （一)钢丝绳最大静张力的计算 钢丝绳的最大静张力可根据矿上的有关技术资料或根据上述称重法测出的有关数据进行计算。计算公式参见表11。 表l1 提升钢丝绳最大静张力的计算 单绳缠绕提升系统 多绳摩擦提升系统 等重尾绳 =0 重尾绳 <0 轻尾绳 >0 最大静张力Fj·m（N） 附图 （表 11 附图） 注：Q容器有效载荷； Qz容器自重； p主绳每米重力； q尾绳每米重力； Hc钢丝绳悬垂高度； Hw尾绳环高度； n1主绳根数； h0容器卸载位置到天轮中心线距离(二)提升钢丝绳安全系数验算按安全系数法钢丝绳的实际安全系数为 （11）式中 Qd钢丝绳中所有钢丝的破断力总和(N)； Fj·m钢丝绳所受最大静张力(N)； m钢丝绳实际的安全系数； ma煤矿安全规程规定的钢丝绳安全系数，查表l2。表l2 提升用钢丝绳的安全系数 用途 钢丝绳安全系数的最低值ma 单绳缠绕式提升系统多绳摩擦式提升系统新悬挂时使用中新悬挂使用中专用于升降人员 9 7 9.20.0005HC 升降人员和物料升降人员时混合提升时升降物料时7.5 68.20.0005HC 专用于升降物料6.5 57.20.0005HC 若按(11)式计算出的m<ma，则应及时更换钢丝绳，以确保提升系统的安全。 钢丝绳的钢丝有变黑、锈皮、点馈麻坑等损伤时，不得用作升降人员。钢丝绳锈馈严重，点馈麻坑形成沟文、外层钢丝松动必须立即更换。钢丝绳的使用、保管、维护检查试验等遵照规定执行。提升系统总变位质量及矿井阻力的测定the mesuration of mine resistance and general change location quality for hoist system 提升系统在加(减)速过程中其各个联动部件都要加(减)速，为了便于计算急惯性力，可把提升系统各运动部件的质量都变位到提升机滚筒圆周上，即线加速度为提升容器加速度的地方。变位的原则是必须保证变位前后动能相等。变位后全系统各变位质量的总和，称为提升系统的总变位质量m。在提升系统速度图、力图计算时，首先应该知道提升系统的变位质量m，才能利用有关公式进行验算。提升系统的总变位质量可以由计算或实际测定来确定。 一、提升系统总变位质量的计算 the calculation of general change location quality for hoist system 在提升机主电动机、天轮(导向轮)、容器、钢丝绳等技术数据齐全时，提升系统总变位质量可以通过计算确定，其公式为： (21) 式中 m变位质量，kg； Q载荷重力，N； Qz提升容器自重(罐笼提升时包括矿车)，N： n1主绳根数； P主绳海米重力，Nm; Lp主绳实际悬挂长度，m； Lp=Hc+Lx+3D+LB+L S Hc悬挂高度，m； Lx钢丝绳弦长，m； 3D摩擦圈长度，m： LB围抱天轮部分钢丝绳长度m， LB Dt ； L S钢丝绳试验长度，m，一般取2030m； n2尾绳根数； q 尾绳每米重力，Nm； Lq尾绳实际悬挂长度，m； Lq=H+2Hh Hh尾绳环高度，m； Gt天轮的变位质量，kg； Gj滚筒的变位质量(包括减速器的变位质量)，kg； Gd电动机转子的变位质量，kg Gd=（GD2）d （GD2）d 电动机转子回转力矩，Nm2 , (由电动机产品或出产厂家样本提供）； i减速器减速比； D滚筒直径，m； g重力加速度，ms2。 返回 二、提升系统总变位质量的测定 the mesuration of general change location quality for hoist system 目前，矿井提升系统，由于生产的发展，产量增加，一些老矿进行了不少的技术改造，部分设备的更新改造后的参数指标与原有参数指标差异很大，况且有一些矿井其提升系统技术数据资料不全，因而无法通过计算确定其变位质量，所以，现场实际测定提升系统变位质量，既可验证提升系统技术数据的准确性和可靠性，又可测定计算出未知部分的变位质量，将技术数据资料补齐。故这项工作具有十分重要的实际意义，其应用价值也是显而易见的。 提升系统变位质量实测是以确定提升系统总变位质量m为目的，其方法步骤如下： (一)用光线示波器记录速度图 光线示波器可以同时测出提升机的若干个动态性能曲线和参数，测试精度较高。(目前已比较广泛地使用，其型号较多，但建议使用SC一16型)。使用者在测试前应熟悉仪器的工作原理，掌握使用方法。开车之前作好测速度图的接线及其它必须的准备工作。 (二)记录下述参数值 提升载荷Q(Q值应称重或尽量准确)； 两个提升容器的自重Qz(两个Qz相同否)； 提升速度V(最好为Vm)； 提升高度H； 主绳和尾绳的根数及单重等。(三)实际测量 使重载侧在井底，由下向上起动、加速，至等速(Vm时)运行一段时间(具体视矿井提升系统而决定)，然后将主令控制器手柄迅速搬到中间零位使主电动机断电，不要给闸，让提升系统自由滑行减速。待绞车将要停止(速度约为零时)施闸停车。 (四)计算变位质量 通过光线示波器记录下的加速、等速及减速过程的速度图(如图21所示)，便可以计算出提升系统总变位质量m。 计算方法如下： 图21 变位质量测定示意图根据测定时使用的纸速和时标，由光线示波器记录图中可查出t1、t2、t3值；vm由实测可知。 (1)自由滑行减速度a3的计算 （m/s2） （22） (2)上升重载侧容器由加速开始，经等速到停车为止，所走的行程(距离)hx为 (m) (23)(3)由动力方程式根据力的平衡得 （kg） （24）式中 k矿井阻力系数； 箕斗提升为1.15; 罐笼提升为1.20; Q两侧提升荷重之差，N； ，即主绳与尾绳每米总重力之差，Nm。 上述测试计算方法的特点是：实测时要求矿上准备工作少，基本不用停车，简单方便，不影响生产。缺点是由于受提升载荷Q值不准确及阻力系数的影响，误差偏大，所以在实测时提升载荷Q值要经过称重，连续做几次，计算后取m的平均值。 返回 三、矿井阻力的测定 the mesuration of mine resistance 为了消除矿井阻力对测定提升系统总变位质量m的影响，在矿井条件允许的情况下，可以用两种不同载荷分别做测定，由此可以计算出矿井阻力。 如第一次装载为Q1，第二次装载为Q2，且Q2>Q1，时，其测定计算的方法步骤同上。 根据动力方程式可知，第一次载荷为Q1时 （25） 第二次载荷为Q2时 （26） 上两式中：W1和W2为矿井阻力。两次测试vm相同； 这时若认为两次测试时矿井阻力大致相等W1W2； m为不包括载荷及的提升系统变位质量，则 （27） 经整理得 （28） 提升系统总变位质量m为 (kg) (29) 式中 Q 一次提升量，N。 在实测时：Q2取Q；Q1可取( )Q。 将由（2-8）式计算得出的m'值代入（2-5）或（2-6）式；即可得出矿井阻力W，即有 (210) 或 (211)提升速度图的测定与验算the mesuration and checking compution of hoist hodograph矿井提升机应按照设计合理的速度图来运行，但是由于生产的发展，矿井提升系统中的设备不可避免地有所变换或更新，提升容器的加大、电动机更换、滚筒直径改变等等)，为了研究提升容器的实际运动规律，掌握其性能，合理地使用，及早地发现隐患等多方面来考虑，应该经常性地实际测定提升速度图(尤其是在提升系统有较大设备变化时)，并对速度图分析验算，以了解提升机实际提升能力及电动机功率，及时检验起动电阻和控制继电器的合理性。这样既可延长设备寿命，提高生产效率，增加经济效益,又可提高安全性。 一、提升速度图的测定 the mesuration of hoist hodograph 实测提升速度图的基本做法是：利用光线示波器拍摄测速发电机的电压变化规律。因为提升机在运行过程中测速发电机发出的电压与提升机的转数即提升容器的速度成正比。也就是说测速发电机的电压变化规律反映了提升容器的实际速度变化规律。 实测提升速度图的方法步骤如下： (一)调定测速发电机电压值 调定测速发电机在等速时发出的电压值。可从司机操纵台上的电压表确定，如220伏等。 (二)接线并实测纪录 把测速发电机发出的电压信号通过适当的电阻匹配，再选用灵敏度合适的振子接到光线示波器的一个插座上。按图31接好线(切记：电压信号不能短路)并检查确认一切无误后，开动光线示波器，调试振子，选好纸速后，方可开车。经开车加速、等速运行、减速爬行、至一次提升完毕，停止记录。至此就得到了个完整的提升速度图。如图3-2所示。 图31 速度测定接线示意图 （V测速发电机电压表） （R匹配电阻） 图32 实测提升速度图 （三）实际速度标定 因为上述记录为测速发电机的电压变化曲线，不是真正的提升容器实际速度的变化曲线，所以必须进行实际速度的标定。速度标定的方法是：量出等速运行时的速度Vm与所对应的光高xm，令vm/xm=k v（m/s/mm），k v称为速度比例尺。 有了速度标定值才能进行速度的验算。 (四)最大提升速度的测定 1转速表测定法 用转速表测定电动机的实际转速n，测量出滚筒直径D。传动比i为已知。则 (31) 2标定法实测滚筒每转一周的绳长Lt和在等速运行阶段t秒时间内滚筒的转数N2。则 (32) 速度图的合理状况应当是：各变速阶段中的图形尽可能接近直线；初加速阶段、主加速阶段、减速度a3、爬行速度均应满足设计速度图的要求；在保证安全性的前提下，低速爬行阶段及休止时间应尽可能短，否则电耗大，一次提升时间长，从而减少提升能力。 但是，初次实际测得的速度图往往是不符合理想的设计速度图。其主要原因是起动电阻匹配不合适，三相电阻不平衡或烧结电阻值改变，控制继电器整定不合适或运行参数选择不当等。要根据具体采用的控制方式来分析。在获得初次实测速度图后，根据各矿具体情况分析其病症的原因，找出影响因素，提出解决改善办法。改善处理后，再次测定速度图，如还有问题，再分析处理。如此反复实测几次，直到获得比较合理的速度图为止。 初次测出的速度图常常明显不是直线，有的上凸，有的下凹，有的在起动级上，开始时加速度大，结束时加速度小，这一点在第一加速度级上表现尤其突出。例如，实拍的一个主加速度曲线如图3-3所示。这是一个上凸型的曲线，那么我们可以按实拍片算出速度过程中的最大加速度a1max和最小加速度a1min，由图可知 令 图3-3 加速(度)阶段示意图 这个比值表示加速过程的不均匀性，亦即表示实际速度曲线偏离直线的程度，越大，说明偏离越大，越不好。缩小的方法随控制原则不同而不同。若采用电流为主、时间为辅的控制原则时，时间控制的延时越长，越容易出现加速末期速度曲线上升越缓慢的现象，因而值就越大。减小值的办法之一就是，在JLJ电流继电器的吸合与释放电流值整定适合条件下，不要过分增大时间继电器的延时。理由是JLJ电流继电器释放之后，电磁力矩与静阻力矩之差已经相当小，因此加速度已经很小，即使时间继电器的延时增加较多，速度上升的数值也极为有限。 返回 二、提升速度图的计算 the checking compution of hoist hodograph 利用光线示波器拍摄的速度曲线，加之速度标定值后，就可以对速度图各阶段进行分析计算。 由于主井、副井使用的容器不同，所以所测出的速度图也不同，有五阶段提升速度图，也有六阶段提升速度图。下面以主井底卸式箕斗六阶段提升速度图计算为例，来说明提升速度图的计算步骤： 已知：速度标定值k vk m / k x (msmm)；时标。计算项目 (一)初加速阶段 1箕斗出曲轨速度 v0一般V01.5(ms) (33)式中 x0V0时对应舶光高。 2箕斗在曲轨中初加速度a0 一般a0 =05 (ms 2) (ms2 ) （34） 3箕斗在曲轨中的行程h0 一般h0 =2.13 (m)，新标准系列箕斗式中h 0 =2.35 (m) (35) （二）主加速阶段1 主加速度（验算见下节） （36）式中 t1主加速运行的时间(s)。 2主加速运行距离h1 （37）(三)等速运行阶段 1等速运行的时间t2及速度vm由实拍速度图中可以查出。 2等速运行的距离h2 （m） （38） (四)减速阶段 1减速度a3 (验算见下节) （m/s2） （39）式中 V4爬行速度 (ms)； t3减速运行时间（s）。 2减速运行距离h3 （310） (五)爬行阶段 1 爬行速度v4 般v40405 (ms) (ms) （311）式中 x3 v4对应的光高(mm)。 2爬行距离h4 一般自动操纵时h4 =2.53.3 (m) (312)式中t4爬行时间(s)。 (六)制动停车阶段 1 减速度 (ms2 )一般a51 2制动时间t5一般t50.5(s) 3制动停车运行距离 (m)，数值极小，可略去不计。 其它不同阶段的提升速度图可参照上述方法汁算，在此不再赘述。 整前与整后的速度图在计算完后可填入记录表，表的格式如表31。 表31 1 2 3 4 5 6运行时间（s） 整前 整后 终速度(m/s) 整前 整后 加速度(m/s2) 整前 整后 运行距离(m) 整前 整后 返回 三、提升机加、减速度的验算 the checking compution of acceleration and deceleration for hoist 不论缠绕式或摩擦式提升系统，主加速度a1及速度a3的大小均受煤矿安全规程之规定和电动机起动力矩、减速器允许的传动扭矩及减速方式的限制。摩擦提升机还受防滑条件的限制。 在实际测试中我们发现在现场采用的加速度、减速度多数都比限制值要小，电动机是“大马拉小车”。只有少部分是处于满负荷工作状态下运行。个别的是处在过负荷状态下运行。为了充分发挥现有设备能力，节约电能，尽可能地提高主加速度，不要在超限制的过负荷状态下运行，消除发生事故的隐患。而对实测主加速度a1和减速度a3进行验算，是十分必要的。 (一)加速度a1的校验 对于缠绕式提升机，主加速度a1受三个方面的限制：是煤矿安全规程的规定；二是减速器允许的传动扭矩；三是电动机的起动力矩。1煤矿安全规程对提升机加、减速度的规定见表32。 表32 立 井 斜 井 罐笼升降人员 升降物料 升降人员 升降物料 a0.75m/s2 无规定，一般a1.2m/s2 a0.5m/s2 a 0.7m/s2 2按减速器允许的传动力矩验算加速度 减速器所能传递(承受)的最大扭矩Mmax值，在提升机技术性能指标中是明确给出的。为满足减速器允许传动的最大扭矩Mmax 值，电动机通过减速器作用在滚筒上的实际拖动力矩必须小于Mmax值，即 (313)式中 Mmax减速器的最大扭矩(N·m)；Mj作用在提升机滚筒上的最大静阻力矩(N·m)， 其计算公式为： (N·m)Fc·max作用在提升机滚筒上最大静张力差(双钩提升)(N)，其计算公 式见第一章；D滚筒的实际缠绕直径；m不计入电动机转子变位质量的提升系统变位质量(kg)，即 m=m m d m d 电动机转子的变位质量 ； （GD2）d电动机转子的回转力矩(kg·m2)；查电动机产品样本。因此，实测提升速度图中加速度a1应满足下式要求： （314） 3按电动机允许的过负荷能力验算加速度 当采用金属电阻时，在提升机加速过程中，由于依次切除转子电阻，因此拖动力矩是起伏变化的，为了保证电动机能够起动，其平均拖动力Fp必须满足： Fp(KQ+n1PHn2qH)+rna1 (N) (315) 在起动过程中为了充分合理利用电动机的过负荷能力，其平均起动力为 Fp=pmFe (N) （316）因此，实测加速度a1值应满足下式要求 （m/s2） （317）式中 p主加速阶段平均起动力相对值 （318） m电动机过负荷系数，可查电动机产品技术规格； Fe电动机的额定拖动力(N) （N） （319）式中 Pe电动机额定功率(kW)； vm最大提升速度(m/s)； 减速器的传动效率，一般一级传动时=0.92，二级传动时=0.85。 主加速度a1受上述三个条件的限制约束，经验算后选取其中最小值。如果矿上实测加速度a1比其中最小值要小的多，就说明还有潜力可挖，应设法提高a1值，以充分发挥现有设备能力。如果a1值比其中最小值要大。说明有事故隐患，应及时向决策部门提出建议，进行改进调整。 (二)减速度a3的校验 提升减速度a3也受煤矿安全规程规定的限制。此外，减速度a3还与提升系统采用的减速方式有着直接关系。下面就三种减速方式叙述。 1自由滑行方式减速 异步电动机拖动的提升机在减速阶段应尽量采用自由滑行方式减速。因为这样既能达到减速目的，又能充分利用提升系统的动能，节省电能。 减速开始，进入自由滑行，主电动机断电，拖动力为零。自由滑行减速度a3可由下式计算，即 （m/s） （320）式中 n1P - n2q； h3减速阶段运行距离。 对(320)式分析可知a3的大小主要由Q及m决定。令Qm =，称为重力系数。主井提升系统重力系数<1.2；副井提升系统重力系数<075，则自由滑行减速度a3就可满足煤矿安全规程的要求。对斜井箕斗提升系统，自由滑行减速度a3为式中 L5减速阶段运行距离，一般取2030m； Lg卸载曲轨长度，般取68m。 2采用机械制动方式减速 只有在减速阶段拖动力为负力并且很小，机械制动装置的制动力又是可调节时，方可采用机械制动方式减速。 减速开始，将提升电动机的电源切掉，利用制动器操纵提升机停车。制动器所加的制动力应小于0.3Q较为合理。这是因为提高设备效率，避免闸瓦过热，减少闸瓦磨损。 采用机械制动方式减速时，其减速度a3由下式计算，即 (m / s2 ) (321) 上式所得a3值必须保证满足煤矿安全规程的要求。 (321)式比(320)式多了一项 ,这是因为负力从减速开始到减速终了是个变值，由负力造成的力矩是由小到大变化的。因而，采用机械制动减速时制动力矩( R)也应是变化的( )。所以制动力必须是可调的才可能均匀减速。如果是手动操纵，其减速度大小与司机操作的熟练程度和经验密切相关。如果采用电气制动，则减速度是由减速时所需的制动力矩通过控制继电器改变制动力矩宋实现。是否均匀减速取决于对控制元件的整定是否合适。 3用电动机方式减速 在减速阶段拖动力为正时，也就是说即 时，应采用电动机方式减速。所谓电动机减速，就是在电动机转子内串入电阻，便电动机在减速阶段低速拖动，并发出小于静阻力的拖动力 此时，拖动力的大小是至关重要的。一方面拖动力必须小于静阻力，(但也不能太小)；另一方面又要避免电动机在较软的人工特性曲线上运行(从而不易控制)。所以，拖动力一般取0.35倍电动机的额定力。采用电动机方式减速时，减速度a3可用下式计算，即 (m / s2 ) (322) 总之，实际测定的减速度，不论采用那种方式减速，都应该符合设计的减速度值，并保证满足煤矿安全规程的要求。 对于摩擦提升系统，其最大加减速度还要满足防滑要求，斜井提升系统应考虑最大自然减速度的限制。提升力图的测定与验算the mesuration and checking compution of hoist force-graph 为了验算提升电动机的功率和电气控制设备，应对提升力图进行测定和验算。 一、测试原理 the principle of test 当提升机正常工作时，电动机的定子电流I1与电动机发出的拖动力(力矩)成正比，即I1与作用在提升机滚筒上的拖动力成正比。所以只要测出一次提升循环中各段的定子电流，就可确定出电动机的等效力Fdx (N) (41)式中 Idx等效电流，计算公式为 （A） （42）V1电动机定子线电压(伏)；cos 电动机的功率因数；vm提升机的最大速度(ms)；Tdx等效时间(s)；i减速器效率。多绳摩擦轮提升机，不论是级传动，还是二级传动，都取i=0.9；单绳缠绕式提升机，一级减速时取i=0.92，二级减速时，取=0.85。等效时间为 （43）式中 低速时散热不良系数，= ；停车时散热不良系数，= ；提升休止时间。 返回 二、测试方法 the method of test(一)用光线示波器记录电流当用示波器测定时，把定子电流的变化信号(如司机台上的定子电流表），通过适当的电阻匹配，接到示波器的适当振子上，如图41所法。 图4l 用光线示波器测电流接线图 1操纵台；2一电流表；3振子；4光线示波器 光线示波器操作与测速度图方法相同，同时拍摄出定子电流的变化曲线和各阶段早行时间。如图42所示。 图中测出的电流是相对值，为了确定其定子电流的绝对值，则必须进行标定，标定方法之一，为了观察方便，减小误差，观察点取两容器的交逢位置时，记录此刻电流表的电流I并同时用光线示波器上的标记开关打上标记。然后量出标记处电流曲线的高度 图4-2 定子电流曲线h(mm)。求出电流标定值ki。 （A/mm） （44） 提升各阶段的起始和终了的电流绝对值为 IiKi·xi (A) （45）式中 xi 测试曲线上某点的高度(mm)。 Ii与xi点对应的电流(绝对值A)。 有了电流曲线图并进行了标定，便可利用(41)、(42)、(43)、(45)式计算出等效力来。 上述方法比较简单(接线少，不影响生产)但是振子选择要灵敏度高，标定要准确，计算较烦。 (二)用自动电流表记录电流 测定方法：电流测定接线示意图如图43所示。用自动记录电流表测出提升循环中的实际负荷电流曲线，如图44所示。 然后将实际负荷曲线I=f（t）电流坐标加以平方得I2=f（t），再利用积分仪求出I2（t）的面积，即为I2·t，之后按式(42)计算等效电流，用(41)式计算等效力。 该法比较准确，但要求在测定时电网电压和频率比额定值相差不能太大，一般要求不大于 图43 电流测定接线图 图44 负荷电流曲线 返回 三、提升力图的验算 the checking and computionn of hoist force-graph 对容器自重和载荷用拉(压)力传感器称出，按速度图，可利用矿井提升系统的动力方程式对力图进行验算： 初加速阶段 主加速阶段 等速阶段 减速阶段 爬行阶段 说明： 采用五阶段速度图时，无初加速阶段，此时
