钢带过卷缓冲装置过度段长度的分析与选择*

张安宁,张彪,姚志强

(1．安徽理工大学， 安徽 淮南 232001；2．中国煤炭学会 煤矿机电一体化专业委员会， 上海 200030)

0 引言

钢带式过卷缓冲装置因其缓冲力稳定、可靠性高等卓越性能正在被越来越多的应用到煤矿提升设备中[1]，发生过卷时为减小缓冲装置过卷缓冲力对提升系统的冲击，钢带式过卷缓冲装置在其过卷长度内一般设有过渡段，使过卷缓冲力能够逐步增加。过渡段长度过短则达不到应有的效果，过长则会增加最大过卷缓冲力，不仅使钢带式过卷缓冲装置规格增大，还增加了对提升系统的影响。因此,钢带过卷缓冲装置过度段长度对过卷制动性能影响的分析十分必要。本文通过理论和实例对过渡段长度系数对过卷缓冲力、过卷速度、加速度进行了分析，其结果可为解决类似工程问题提供参考。

1 钢带式过卷缓冲装置缓冲力的确定

1.1 钢带式过卷缓冲装置缓冲力特性

钢带式过卷缓冲装置的缓冲力特性可设计为多种形式，一般多为双阶段式。如图1所示，过渡段长度为s1，总长度为s2，并令过渡段系数为

(1)

则过卷缓冲装置的缓冲力表达式为

(2)

式中：F为过卷距离为s时缓冲装置的缓冲力，N;Fm为过卷缓冲装置的最大缓冲力，N;s为提升系统的过卷距离，m。

图1 钢带式过卷缓冲装置的缓冲力特性图

为便于分析，取等重尾绳摩擦提升系统为研究对象，将提升系统作为整体考虑，假设过卷时摩擦轮与提升钢丝绳失去摩擦力，并以等效缓冲力代替过卷、过放缓冲装置的缓冲力，则有

(3)

式中：Fe(s)为过卷s时缓冲装置的等效缓冲力，N；Ft(s)为过卷s时过卷缓冲装置的等效缓冲力，N；Ff(s)为过卷s时过放缓冲装置的等效缓冲力，N；m为钢带式过卷缓冲装置的数量；n为钢带式过放缓冲装置的数量。

1.2 钢带式过卷缓冲装置缓冲力的确定

按功能原理可知，等效缓冲力在过卷距离s内所做的功为提升系统机械能的变化量[2]，即:

1) 当s≤s1时:

(4)

2) 当s>s1时:

(5)

式中：v0为过卷初始时提升系统的初速度，m/s；v为过卷s时提升系统的速度，m/s；Q为提升系统的载重，N；M为过卷时提升系统对缓冲装置作用质量，kg。

则过卷s时提升系统对缓冲装置的等效缓冲力为:

(6)

为使提升系统在过卷高度s2内停下，则有

(7)

由式(6)、式(7)可知，下放重载时系统所需过卷缓冲力大于上提重载时的过卷缓冲力。

2 系统过卷速度、加速度分析

2.1 系统过卷速度分析

由式(4)、式(5)可得:

当s≤s1时

(8)

当s>s1时

(9)

由式(8)、式(9)可知，下放重载时系统过卷速度大于上提重载时的过卷速度；过卷速度是随着过渡段系数k的增加而增加。

2.2 系统过卷加速度分析

分别对式(8)、式(9)对时间t进行微分，并整理可得

当s≤s1时:

(10)

当s>s1时:

(11)

由式(10)、式(11)可知，上提重载时系统过卷减速度值大于下放重载时的过卷减速度值。

3 实例分析

本文选取某矿副井提升系统进行实际分析，也为实际使用作为参考分析。该矿井选用洛阳中信重工机械公司生产的JKMD-4.5x4(Ⅲ)型落地式提升机，具体参数见表1所示。

表1 JKMD-4.5x4(Ⅲ)型落地式提升机参数

将上述参数代入相关公式可得结果，如图2～4所示。

1) 图2曲线反映出下放重载时所需过卷缓冲力大于上提重载时所需过卷缓冲力；所需过卷缓冲力随着过渡段系数k的增加而增大。当k=1时所需过卷缓冲力约为k=0时的2倍。

2) 图3曲线反映出下放重载时系统过卷速度大于上提重载时的过卷速度；当过渡段长度系数k增加时过卷速度也在增大；在过卷前半程速度变化较小，过卷后半程速度变化较大。

3) 图4曲线反映出下放重载时系统过卷减速度值略小于上提重载时的过卷减速度值；在过渡段过卷减速度值逐渐增大，超出过渡段后过卷减速度值保持不变；最大过卷减速度值随过渡段长度系数k的增加而增大，当k=0时最小，当k=1时最大，约为k=0时的2倍；过渡段长度系数k越大，在过渡段过卷减速度变化越小。

图3 提升系统过卷时运行速度与过卷距离的关系

图4 提升系统过卷时运行加速度与过卷距离的关系

4 结论

通过上述分析，可以得出结论：

1) 钢带式过卷缓冲装置过渡段长度对过卷缓冲性能影响很大，应适当设置。

2) 下放重载时系统所需过卷缓冲力大于上提重载时的过卷缓冲力，对既有上提重载工况又有下放重载工况的提升系统应按下放重载工况设定钢带式过卷缓冲装置的过卷缓冲力。

3) 过渡段长度对过卷速度影响不明显，但对过卷减速度影响很大；在过渡段过卷减速度值逐渐增大，超出过渡段后过卷减速度值保持不变；最大过卷减速度值随过渡段长度系数k的增加而增大；过渡段长度系数k越大，在过渡段过卷减速度变化越小。

4) 虽然当k=0时减速度最小，但当刚进入过卷时，减速度瞬间由零变为某个值，对系统冲击很大，应避免使用；虽然当k=1时减速度变化最小，但其最大减速度很大，系统产生的惯性力很大，也应避免使用。