罐笼内液压支架偏装时载荷计算与罐道受力分析 -.pdf

第4 7 卷 第9 期 煤炭工程 C OAL E NGI NE E RI NG Vo 1 ． 47， No ． 9 do i 1 0．1 1 7 9 9／c e 2 01 5 0 9 0 O5 罐笼 内液压支架偏装 时载荷计算与 罐道 受力分析 张保连 ，李玉瑾 中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京1 0 0 1 2 0 摘要 分析 了罐道水平力的计算方法 ，建立了罐笼 内载荷偏载时罐笼受力的力学模型，研 究 了罐笼 内栽荷偏载时罐道承受的正向和侧向水平推力，给 出了罐道水平力计算方法。并结合 工 程实例进行 了分析和计算 ，指 出近年来许 多矿 井的特大型罐笼 多采用柔性结构，这样罐笼 内载荷 偏栽引起的侧向栽荷会小于文章提出的罐笼内载荷偏载产生的正向和侧向水平推力的计算数值， 有利于提升 系统的安全运行。 关键词 罐笼 ；液压支架；偏装 ；罐道水平力 中图分类号T D 5 3 1 ． 1 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 5 0 9 - 0 0 1 5 - 0 3 Lo a d Ca l c u l a t i o n a n d Gui d e S t r e s s An a l y s i s wi Ul Hy d r a ul i c S up po r t Of f s e t i n Ca g e Z H A N G B a o l i a n ，L I Y u j i n B e i j i n g H u a y u E n g i n e e r i n g C o m p a n y L i m i t e d ，C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n gi n e e ri n g G r o u p ，B e ij i n g 1 0 0 1 2 0，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r a n a l y z e d t h e c a l c u l a t i o n me t h o d o f g u i d e l e v e l f o r c e ， e s t a b l i s h e d me c h a n i c al mo d e l o f t h e c a g e wi t h h y d r a u l i c s u p p o o ffs e t ，s t u d i e d f o r w a r d an d l a t e r a l h o riz o n t a l t h r u s t o n t h e gu i d e ， an d o f f e r e d t h e c alc u l a t i o n me t h o d o f h o riz o n t a l f o r c e o n t h e g u i d e ． Ac c o r d i n g t o t h e c a l c u l a t i o n a n d a n aly s i s ，c o mb i n i n g w i th e n g i n e e r i n g e x a mp l e s ，t h e p a p e r p o i n t e d o u t t h a t i n r e c e n t y e a m u l t r al a r g e c a g e wi t h fle x i b l e s t r u c t u r e a p p l i e d i n many mi n e s ，c o u l d h e l p t o e n h a n c e s a f e o p e r a t i o n o f h o i s t i n g s y s t e m，a s t h e l a t e r al l o a d o f t h e fl e x i b l e c a g e c a u s e d b y o f f s e t w a s l e s s t h a n t h e forward a n d l a t e r a l t h r u s t o n t h e d i s c u s s e d c age ． Ke y wo r d s c a g e ； h y d r a u l i c s u p p o r t ； o f f s e t ；g u i d e h o ri z o n t a l f o r c e 随着矿井向大型化和深部发展，矿井一般采用副立井 大罐笼运送液压支架和大型设备 ，这样就带来大件 向井下 运输的问题。目前，国内的无轨运输基本是采用两种方式 通过无轨平板车或斗式支架拖车运送液压支架和大型设 备 ’ ， 。 采用无轨平板车运输液压支架的方法是在综采设备 库或露天堆场，用起重机将支架装到平板拖车上并采用工 装快速固定；采用叉车或多功能车等牵引设备将装有支架 的平板拖车运送到罐笼 内；调整支架重心和姿态，并进行 快速固定，牵引设备与平板支架拖车脱钩分离；罐笼到井 下，采用防爆多功能牵引车与支架拖车快速连接并拉出罐 笼至井下换装站，恢复支架姿态 ；在井下将液压支架由平 板车上换装到斗式 支架 拖 车上 ，由斗 式支 架拖 车运送 到工 作面。 采用斗式支架拖车运送液压支架的方法是 在综采设 备库或露天堆场，将斗式支架拖车的液压浮动底板落地， 车载绞车将支架拉入斗式拖车底板升起锁定 ；采用叉车或 多功能车等牵引设备将装有支架的斗式拖车运送到罐笼内； 调整支架重心和姿态，并进行快速固定，牵引设备与斗式 拖车脱钩分离；罐笼到井下，采用防爆多功能牵引车与斗 式拖车快速连接并拉出罐笼，直接运输到工作面。 由于罐笼长度有限，液压支架和大型设备的重心往往 偏向一边，这样液压支架装载罐笼内常常存在偏装载荷 ， 关于偏 装载荷对罐 道 和罐笼 的影 响 ，一直 是设计 人员 和现 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 6 作者简介张保连 1 9 6 2一 ，男，山东曹县人，教授级高级工程师，副总经理，从事煤矿采矿工程设计和管理工作 ， E ma i l Zh bl 1 96 2 s o h u．c o rn． 引用格式张保连，李玉瑾．罐笼内液压支架偏装时载荷计算与罐道受力分析 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 5 ，4 7 9 1 5一 l 7． 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 5 年第9期 场使用和维护人员关注的焦点 ，但多年来没有办法计算， 本文采用简化的力学模型，分析了罐笼沿长度方向和宽度 分析偏载的计算方法 ，结合工程实践，进行了分析和验证。 1 立井井筒刚性罐道的载荷分析 立井井筒中罐道与罐道梁组成空间结构 ，罐道一般采 用钢轨罐道、钢丝绳罐道或组合钢 方钢 罐道。其作用是 作为井筒中运行的提升容器的导向装置；消除提升容器上 下运行时的横向摆动，保证提升容器快速、安全运行。 1 作用在罐道、罐道梁上的载荷有固定载荷和临时载 荷两种。固定载荷主要是罐道、罐道梁 的自重 静载荷 ； 临时载荷包括提升容器传来的载荷、围岩变形或位移产生 的载荷以及安装和温度变化所引起的载荷。提升容器作用 于罐道、罐道梁的载荷 动载荷 主要为运行载荷，是计算 罐道、罐道梁的主要载荷。 2 作用于罐道、罐道梁上的载荷，按其作用方向有垂 直载荷和水平载荷；水平载荷按作用于罐道面的方向不同 又有正面水平载荷和侧面水平载荷 ，如图 1 所示 。 图 1 水 平载荷作 用图 3 运行 载荷是提 升容器在运行过程 中与罐道 、罐道梁 相互作用而产生的水平力，容器运行时发生的动力过程十 分复杂 ， 影响水平运行荷载的因素主要有下列几点①提 升容器在井筒内运行的速度及空气阻力；②提升容器终端 载荷 的大小 ；③提升容器本体 的不平 衡和罐笼 内载荷偏装 ； ④罐道梁层间距大小；⑤提升中心线与提升容器中心线的 安装误差；⑥罐道和罐道梁在井筒内的安装质量和精确程 度，⑦罐道的规格、布置、接头平滑程度和磨损情况；⑧ 罐耳的类型、罐耳与罐道的间隙大小；⑨提升容器的类型、 提升方式 以及容器 在运行 中摆 动的 大小 ，提升 钢丝绳 的扭 转力等。 2 罐道上的水平力计算方法 多年来 ，在多绳提升立井刚性装备结构设计计算 中， 设计的主要载荷一般采用原联邦德国水平力经验公式确定。 近3 0年来，国内对近 2 0个井筒的井筒装备水平力进行了 现场测试 ，取得 了大量数据 ，并研究得 出了水平力的计算 方法 ，这对刚性井简装备的设计起到重要作用 。 1 前苏联 “ 矿井建设”1 9 6 2年第三期介绍的有关水 1 6 平力 的计算公式为 P yC Q 1 式中 与提升速度有关的系数。C 0 ． O 0 4 V 0 ． 0 2 6 ， 适 用于提升速度 在 6～1 6 m／ s的范 围 内，当 提升速度 V1 6 m ／ s 时 ，取 C 0 ． 0 9 ； Q 提升绳端荷载 包括提升容器质量、滚动罐 耳、首绳悬挂制作、尾绳悬挂装置及载荷之 和 标准值 ，k N。 2 原联邦德国别尔教授 ，在 1 9 3 9年调查了 3 0多个井 筒，以提升容器的刚性滑动罐耳沿钢轨罐道上运行 ，在此 基础上推导的水平力的简化计算公式，在 1 9 7 7年 竖井与 斜井装备的技术规程 中再次出现。 煤矿立井井筒及硐室 设计规范 G B 5 0 3 8 4 也采用了此方法 。 P 2 P 0 ． 8 P 3 P 0 ． 2 5 P 4 式中P 罐道与罐道梁正面水平力标准值，k N； 罐道与罐道梁侧面水平力标准值，k N； 罐道与罐道梁的垂直力标准值，k N。 3 中国矿业大学工程计算法 ，是在应用相对原理建立 的刚性井简装备水平力模拟实验台上，从工程使用的角度 考虑，对影响水平力的三个主要因素 提升终端荷载、提升 速度、罐道层间距 ，按正交设计进行了大量实验 ，取得了 各种情况下提升容器 胶轮滚动罐耳 沿矩形截面罐道运行 所生产的水平力数据 ，在对实验数据进行 回归分析的基础 上，提出了水平力工程计算公式 ，即 P y 0 ． 1 3 2 Q 舵 95 96 H 一 。 ∞ 5 式中Q 提升终端载荷，k N； 提升速度 ，m ／ s ； 罐道层间距，m。 工程计算公式 5 求得的水平力数值 ，大于现场实测最 大值5 ． 5 3 ％ 东滩煤矿主副井筒 。 3 罐笼内载荷偏载产生的正 向和侧 向水平推力计 算 假设罐笼为刚性体，罐笼悬挂装置受力等效于罐笼顶 部，以罐笼顶部为坐标原点，在罐笼内载荷偏载时，罐笼 的力学模型如图 2所示。 由Y O Z平面里的平衡关系可知 r QQ g s 1 y QQ Ⅱ I Q g 。 A S lyH f s 一 S Ir L 0 6 式中 卜钢丝绳拉力 ，k N； Q 提升载荷 ，k g ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第9 期 煤炭工程 ‘ - r S y l s ， D H ￡ A y , y i ， Iy ， r ＆ D ∥ ● 口 l l 图 2 罐笼 内载荷偏载 时的罐 笼受力示意图 Q 提升容器质量 ，k g ； 平衡绳质量，k g ； s 左侧罐道正向水平推力 ，k N； ．s 右侧罐道正向水平推力 ，k N； n 提升容器 的加 、减 速度 ，k N； ．产一 罐道 与滚 动罐 耳的摩擦系数 ； H - 一提升容器高度，m； L _提 升容 器长度 ，m； 载荷正向偏装距离，m； 载荷侧向偏装距离，m； 矿井阻力 ，k N。 提升容器X1 ． 2 L W V 下放容器X1 ． 2 L W V ． 一V 式 中 ， 为提升容器宽度 ，m。 求解式 6 可得 S 噜 7 显然，根据式 7 可以计算出罐笼内载荷沿长度方 向偏 载时，罐道正向承受的水平推力。 由 X O Z平面里 的平衡关 系可知 r T QQ g h h QQ 0 1 Q g Ⅱ 一 S I,H ， 一 s 。 o 式中|s 。 罐道左侧侧向水平推力 ，k N s 罐道右侧侧向水平推力 ，k N； 载荷侧 向偏装距离 ，m。 求解式 8 可得 衡锤 。大 罐 笼 尺 寸 为 7 ． 9 m 3 ． 9 m 1 l | 4 m，提 升 速 度 9 ． 9 5 m ／ s ，大罐笼质量为 6 5 t ，载荷 5 9 t ，平衡钢丝绳质量 2 8 t 。交通罐质量为 7 t ，载荷 1 ． 2 8 t ，提升速度 8 ． 0 9 m ／ s 。 按前苏联计算方法式 1 计算 的罐道水平力为9 8 ． 1 k N， 按德国或 煤矿立井井筒及硐室设计规范的方法式 2 计算的罐道水平力为 1 2 4 ． 3 k N，按中国矿业大学的方法式 5 计算的罐道水平力为 2 5 ． 5 k N。这些数值差距巨大 ，其 中德国公式和 煤矿立井井筒及硐室设计规范仅考虑绳 端载荷 ，前苏联公式考虑了绳端载荷和提升速度 的影响， 中国矿业大学的公式考虑了绳端载荷、提升速度和罐道层 间距 的影 响 ，但都没有反映罐笼偏载 问题 。 若按式 7 计算罐笼内载荷沿长度方向偏载时，罐道正 向承受的水平推力时，取下放重载紧急制动减速度 1 ． 6 m／ s ，考虑弹性振动后取 3 ． 2 m ／ s 。假设正向偏装距离 0 ． 3 m， 则罐道正 向水平 推力为 2 0 ． 2 k N 。假设 正 向偏 装距 离 0 ． 6 m， 则罐道正 向水平推力 为 4 0 ． 4 k N。 显然 ，罐笼 内载荷 偏载 引起 的侧 向载荷 ，在偏 载量 较 小时接近于中国矿业大学的计算数值 ，但远小于按前苏联 计算方法和按德国或 煤矿立井井筒及硐室设计规范的 方法计算的罐道水平力。当罐笼内载荷偏载量较大时，罐 道侧向受力呈线性增大 ，当罐笼 内载荷偏载量达 1 ／ 3时， 与前苏联和德国计算方法的数值接近。 5结语 北京华宇公司设计的神华黄玉川副立井提升系统，在 国内首次使用特大型罐笼，由德国 S I E MA G公 司设计，徐 州安全设备厂加 工 ，罐笼 本体 采用 柔性结 构而 不是 传统 的 刚性结构。近年来许多矿井的特大型罐笼多采用柔性结构， 这样罐笼内载荷偏载引起的侧向载荷会小于式 7 的计算数 值 ，有利于提升系统的安全运行。 参考文献 Js 9 显然 ，根据式 9 可以计算出罐笼内载荷沿宽度方向偏 载时，罐道侧向承受的水平推力。 4实例计算 红庆梁矿 副立 井井 筒直 径 9 ． 5 m，提 升高 度 4 2 5 m。井 筒 内装 备 1个特制大 罐笼 和 1个 平衡 锤及 1个交 通罐 和平 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 张荣立，何国纬，李铎．采矿工程设计手册 [ M] ．北京． 煤炭工业出版社 ，2 0 0 5 ． 李玉瑾．多绳摩擦提升系统动力学研究与工程设计 [ M] ． 北京．煤炭工业 出版社 ，2 0 0 8 ． 李玉瑾 ，寇子明．矿井提升 系统基础 理论[ M] ．北京．煤 炭工业 出版社 ，2 0 1 3 ． 国家煤矿安全监察局．煤 矿安全规程 [ M] ．北 京 煤炭工 业 出版社 ，2 0 1 1 MT 3 5 5 --2 0 0 5，矿用防坠器技术条件 [ s ] ． GB 5 0 3 8 5 --2 0 0 6 ，矿 山井架设计规范 [ s ] ． 李玉瑾．多绳摩擦轮提升系统的动力学研究与设计 [ J ] ． 煤炭 工程 ，2 0 0 3 9 6 26 4 ． 李 玉瑾 ，张安林 ．立井 提升 系统 的 卡罐动力 学分析 与研究 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 1 4，4 6 9 2 3 2 5 ． 责任 编辑赵巧 芝 】 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m