基于MATLAB提升容器的仿真分析

白 勇

（山西潞安礦業(yè)集團慈林山煤業(yè)有限公司李村煤礦， 山西 長子 046600）

引言

煤炭作為我國國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，為我國的眾多行業(yè)提供動力。目前我國正處于社會主義初級階段，在未來的很多年內(nèi)煤炭的核心地位不會被動搖。而且，隨著社會的發(fā)展，全球?qū)γ禾康男枨罅吭絹碓酱?，對煤炭采煤工作面的效率提出了更高的要求和挑?zhàn)[1]。煤炭綜采工作面的效率和安全性在一定程度上由綜采工作面的綜采設(shè)備及其配套設(shè)備的性能所決定。

在眾多綜采設(shè)備中，礦井提升系統(tǒng)作為連接綜采工作面與地面的關(guān)鍵樞紐，其主要作用是實現(xiàn)礦物、矸石、人員、材料以及設(shè)備的升降。其中，立井摩擦提升系統(tǒng)作為當前使用場合較多的提升系統(tǒng)，其工作原理為依靠鋼絲繩與摩擦輪之間的摩擦作用，實現(xiàn)載荷和容器的升降。據(jù)研究表明，隨著采煤量及開采效率的不斷提升，對提升系統(tǒng)的安全性要求越來越高，而立井摩擦提升系統(tǒng)在實際應(yīng)用中常發(fā)生過卷和過放的事故[2]。因此，為提升立井摩擦提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文將針對其過卷事故對其進行研究，著重分析其動力學和運動學情況，為改進過卷保護系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 立井摩擦提升系統(tǒng)過卷保護的運動學分析

立井摩擦提升系統(tǒng)出現(xiàn)過卷現(xiàn)象時可分為以下三種情況：一是在制動系統(tǒng)的作用下進行制動；二是在制動系統(tǒng)和過卷緩沖裝置的共同作用下制動；三是在制動系統(tǒng)、過卷保護緩沖裝置以及井口防撞梁下的共同情況下制動。因此，本文將對上述三種情況下提升系統(tǒng)過卷保護的運動學進行分析，具體得出過卷側(cè)和過放側(cè)提升容器位移、速度以及加速度與時間的表達式。

本文所研究提升系統(tǒng)的參數(shù)：立井摩擦提升系統(tǒng)所采用的提升機類型為塔式立井摩擦提升機，該立井的深度為400 m；提升系統(tǒng)兩側(cè)鋼絲繩的長度為420 m；該提升系統(tǒng)中提升容器和下放側(cè)容器的質(zhì)量均為14 000 kg；該提升系統(tǒng)的額定載荷為10 000 kg；該提升系統(tǒng)兩側(cè)鋼絲繩的質(zhì)量均為2 772 kg；鋼絲繩與摩擦輪之間的摩擦系數(shù)為0.25。此外，設(shè)定該提升在實際工作中提升和下放兩個方向所承受的外在阻力分別為5 000 N；且當提升或者下放速度超過10 m/s時，系統(tǒng)即發(fā)生過卷現(xiàn)象；該提升系統(tǒng)制動器的類型為盤閘式，過卷和過放的緩沖裝置類型為楔形木罐道。

2 立井摩擦提升系統(tǒng)的過卷保護力的計算

2.1 制動系統(tǒng)制動力的計算

制動系統(tǒng)為提升系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，該系統(tǒng)主要由制動器和傳動機構(gòu)組成。制動系統(tǒng)的主要作用為正常停車、工作制動、實現(xiàn)保護以及閘住游動卷筒等。

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)標準要求，不同工作狀態(tài)下的系統(tǒng)制動時的減速度不同。其中，提升重物制動時減速度最小為5 m/s2，下放重物制動時減速度最小為1.5 m/s2。此外，制動時的行程最大不得大于安全行程的3/4[4]。在相關(guān)規(guī)范的要求下，立井摩擦提升系統(tǒng)的制動過程中的制動力計算公式如（1）所示：

式中：n0為立井摩擦提升系統(tǒng)盤式制動系統(tǒng)的閘的副數(shù)，取8套；λ為提升系統(tǒng)制動系統(tǒng)的傳動效率，取0.4；N0為制動系統(tǒng)的額定推力，取6 500 kg；A為制動系統(tǒng)制動盤活塞的有效面積，取142 cm2；P0為制動時的液壓油的壓力，取9 kg/cm2。經(jīng)計算，可得該型號提升系統(tǒng)的制動系統(tǒng)的制動力大小為33 420 N。

2.2 過卷緩沖裝置緩沖力的計算

過卷緩沖裝置的主要作用是實現(xiàn)對立井摩擦提升系統(tǒng)的過卷緩沖保護。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，要求立井摩擦提升系統(tǒng)在提升速度保持維持在 3 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s、10 m/s的范圍內(nèi)，且要求對應(yīng)提升速度下的過卷高度和過放距離最小分別為 4 m、4.75 m、6.5 m、8.25 m、10 m，同時與上述過放距離對應(yīng)的吊桶的過卷高度最小分別為2 m、2.37 m、3.25 m、4.12 m、5 m[5]。

本文所研究提升系統(tǒng)所采用的過卷緩沖器楔形木罐道，緩沖力的計算如式（2）和（3）所示。其中式（2）為過卷時的緩沖力，式（3）為過放時的緩沖力。

式中：y1為提升側(cè)提升容器進入過卷側(cè)楔形木罐道的距離；y2為下放側(cè)提升容器進入過放側(cè)楔形木罐道的距離；i1和i2分別為過卷和過放時楔形木罐道的斜率，其中i1=1/80，i2=1/100；b為楔形木罐道的寬度，取0.09 m；λ為罐道的木抗力，取2.94× 104Pa；n為楔形木罐道的罐耳數(shù)，取2。經(jīng)計算可得，過卷時緩沖力F1=1.06× 105y1；過放時緩沖力F2=1.32× 105y2。

3 立井摩擦提升系統(tǒng)過卷保護的仿真分析

本文采用Matlab軟件對立井摩擦提升系統(tǒng)的過卷保護過程進行仿真分析，將第2節(jié)中所得的提升系統(tǒng)在過卷側(cè)和過放側(cè)的運動學結(jié)果導(dǎo)入Matlab仿真軟件中，得出對應(yīng)的仿真結(jié)果。

圖1 兩側(cè)提升容器位移仿真曲線

3.1 兩側(cè)提升容器位移仿真分析

如圖1所示，經(jīng)仿真分析可知，立井摩擦提升系統(tǒng)過卷側(cè)和過放側(cè)提升容器在本身制動系統(tǒng)、過卷緩沖器以及井口、井底防撞梁的共同作用下分別在3.06 s和2.92 s后系統(tǒng)停止運行，即說明制動系統(tǒng)、過卷（過放）緩沖器以及井口（井底）防撞梁能夠?qū)α⒕Σ撂嵘到y(tǒng)起到保護作用。

3.2 兩側(cè)提升容器速度仿真分析

如圖2所示，經(jīng)仿真分析可知，兩側(cè)提升容器的速度均能夠穩(wěn)定降至零。而且，在過卷（過放）緩沖器的作用下，容器的減速較大；最后在井口（井底）放撞梁的作用下降容器的速度降至零。

圖2 兩側(cè)提升容器速度仿真曲線

3.3 兩側(cè)提升容器加速度仿真分析

如下頁圖3所示，經(jīng)仿真分析可知，對于過卷側(cè)而言，其加速度在1.36 m/s2內(nèi)的變化較小，而在1.36～1.70 s的變化較大，即過卷緩沖器對系統(tǒng)起到了保護作用；對于過放側(cè)而言，其加速度在1.24 s內(nèi)變化較小，在1.24～1.56 s內(nèi)的加速度變化較為明顯，而且同時有波峰和波谷存在，在過放側(cè)系統(tǒng)運行時有振動的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

提升系統(tǒng)作為連接煤礦綜采工作面與地面的關(guān)鍵樞紐，該系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性與整個工作面的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量息息相關(guān)。立井摩擦提升系統(tǒng)作為應(yīng)用最為廣泛的提升系統(tǒng)，在實際運行過程中容易出現(xiàn)過卷現(xiàn)象，容易造成事故。因此，加強對各類型提升系統(tǒng)在實際運行中的運動學和動力學分析，為改進和完善提升系統(tǒng)的各項參數(shù)提供指導(dǎo)。