Введение
Главной подъёмной установкой является установка, предназначенная для подъема угля. Проектом шахты предусматривается применение двухскиповой подъёмной установки с цилиндрическими барабанами.
Исходные данные для расчёта:
годовая производительность подъёма, А, т/год - 520000 тонн;
глубина вертикального ствола, Нст, м - 300;
назначение подъёма - подъём угля;
число подъёмных горизонтов - 1;
число рабочих дней в году, N - 300;
продолжительность работы машины, t, ч/сут - 15;
коэффициент резерва подъёма, С - 1,5
Выбор скипа. Ориентировочная максимальная скорость подъёма
Часовую производительность подъёма определяем по формуле:
т/ч (1.1)
где: с - коэффициент резерва производительности;
в- число рабочих дней в году;
tсут - число часов работы в сутки, ч.
Принимая высоту загрузки скипа у подъёмного бункера hзаг = 20 м и высоту приёмного бункера hпп = 23 м получим высоту подъёма.
Н = Нст + hзаг + hпп = 300+20+23 = 343 м (1.2)
Наиболее выгоднейшая масса груза скипа
Qп = 
4,04 т. (1.3)
где: Q =10 с - продолжительность паузы.
Выбирается стандартный скип для одноканатного подъёма:
Тип 2СН5-1; вместимость 5 м3; грузоподъёмность по углю Q = 4; масса скипа с подвесным устройством mск = 5,8 т; высота скипа в положении разгрузки hск = 7,10 м; путь разгрузки hр = 23,17 м; размеры в плане 1,54х1,85; расстояние между центрами скипов dо = 2,1 м.
Продолжительность цикла:
Т¢ = 3600 ×Q/ Ач = 3600 × 4 /173 = 83 с (1.4)
Продолжительность подъёма
Т = Т¢- q = 83 - 8 = 75 с (1.5)
где: q - продолжительность паузы, q = 8 с ОНТП5-86.
Принимаем шестипериодный график скорости. Ориентировочное значение максимальной скорости подъёма при этом определяется по формуле:
Vmax(ф) = 
=
= 
5,7 м/с (1.6)
Расчёт каната
скип приводной двигатель подъемный
Принимаем канаты типа ЛК-РО с расчётными пределами прочности проволоки при растяжении s = 1666 МПа, фиктивная плотность, которых составляет gо = 0,097 МПа/м. Так как Н <600 м, канат рассчитываем по постоянному запасу прочности и согласно ПБ принимаем запас прочности Z = 6,5.
Наименьшую необходимую по условиям прочности массу 1 м каната находим по формуле:
mк = 
4,26 кг/м (1.7)
где: mо - масса концевого груза;
mo = mск + Q = 5800 +4000 = 9800 кг (1.8)
Но - длина отвеса каната (с учётом высоты переподъёма hпер = 3 м)
Но = Н + hпер = 343 + 3 = 346 м (1.9)
По ГОСТ 7668-80 выбираем канат типа ЛК-РО; конструкция 6х36 (1+7+7/7 +14)+10С; масса 1 м смазанного каната mк = 4,55 кг/м; диаметр каната dк = 34,5 мм; при s =1666 МПа, разрывное усилие веса проволок в канате Qразр= 768000 Н.
Фактическое значение коэффициента запаса прочности составит:
6,89 > 6,5 (1.10)
где: q= 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения.
Коэффициент статической неуравновешенности подъёма
D = 
0,34 (1.11)
где: К - коэффициент шахтных сопротивлений для скиповых подъёмов, К = 1,15.
Уравновешивать систему с помощью хвостового каната я считаю нецелесообразным.
Орган навивки.
Принимаем цилиндрическую однобарабанную подъёмную машину.
Необходимый по ПБ диаметр барабана
D³ 80 dк = 80 ×34,5 = 2760 мм (1.12)
Выбираем подъёмную машину со следующей характеристикой: тип ТЦ-3х2,2; диаметр барабана D = 3 м, ширина барабана В = 2,2 м; максимальное статическое натяжение канатов 140 кН, максимальная разность между статическими натяжениями канатов 140 кН, передаточное число редуктора i = 11,5; 20; 30; допустимая скорость подъёма 8,0 м/с, массовый момент машины без редуктора и двигателя GDбар2 = 1500 кН.м2; масса машины с редуктором без электрооборудования 75 тонн.
Проверка барабана по ширине.
Необходимую ширину навивочной части барабана вычисляем по формуле:
Во = 
2132 мм (1.13)
где: h = 35 м - резервная длина каната для испытаний;
nх - постоянное число витков трения каната (для барабанов с металлической футеровкой по ПБ, nх = 5;
l = 2 витка - расстояние между центрами витков навивающейся и свивающейся ветвей;
S - зазор между смежными витками канатов, мм (при расчётах принимается при d = 30 мм, S = 3 мм);
Проверка барабана на статические нагрузки.
Максимальное статическое натяжение в канате согласно формуле:
(1.14)
где: Ктр - коэффициент шахтных сопротивлений для груженной ветви каната (для скипового подъёма Ктр = 1,09).
Максимальную разность между статическими натяжениями канатов можно ожидать в начале подъёма нормального груза или в момент навески новых канатов.
В первом случае
Тmax =(K×Qn + mк×H) q = (1,15 × 4000+4,55×343) × 9,81 = 60436<140000Нт(2.53)
Во втором случае
(1.15)
где: Кпор - коэффициент шахтных сопротивлений для порожней ветви каната, при расчёте принимается для скипов 1,06.
Расположение подъёмной машины относительно ствола шахты.
Направляющие шкивы на копре располагаем на одном уровне от устья ствола.
С учётом норм ПБ диаметр направляющего шкива должен быть Dшк³2760 мм. Выбираем стандартный шкив со следующими техническими показателями:
тип ШК-3; диаметр шкива 3,0 м; диаметр каната £37,0 мм; статическое натяжение каната £ 928 кН; маховый момент шкива ВD2мк = 96 кН.м2.
Высоту копра рассчитываем по формуле:
к = hпп + hо + hл + 0,75 Rш, м (1.16)
hк = 23 + 7,10 +3 + 0,75 × 1,5 = 34,22 м
Выбираем копер, грузоподъёмность скипа 4 т; высота бункера hпп = 23 м; высота копра hк = 35 м.
Действительное значение высоты переподъёма составит:
пер = hк - (hпп + hо + hл + 0,75 Rш) = 35 - (23+7,10+0,75×1,5) = 3,77>2,5 (1.17)
Элементы расположения подъёмной машины относительно ствола шахты показаны на схеме 2.1. В расчете приняты: расстояние между осями подъёмных канатов dо = 2100 мм, расстояние между осями подъёмного каната и барабана Е= 45 м.
Длина струны
L = 
54,96 м (1.18)
где: Со - превышение оси барабана над нулевой отметкой, м.
Угол наклона нижней струны к горизонту.
j = arctg 
arctg 
37o17¢
Линейные отклонения каната на барабане от плоскости шкива показаны на схеме 2.2.
ан = 
- 137,5 мм (1.19)
где: а тр - ширина витков трения, мм.
а тр = nтр (dк + S) = 5 (34,5 + 3) = 187,5 мм (1.20)
а в = 
1680 мм (1.21)
где: Вз¢ - ширина навивочной поверхности барабана, соответствующая одной ветви каната, при однобарабанных подъёмных машинах, мм.
Вз¢ = 
1730 мм (1.22)
Значение углов отклонения струны канатов соответственно будут:
ан = 
0о08¢< 1о30¢ (1.23)
ав = 
1о30¢ = 1о30¢ (1.24)
Приводной двигатель и редуктор
Для удовлетворения ориентировочной максимальной скорости подъёма необходима частота вращения барабана.
nб = 
36,3 об/мин (1.25)
Принимаем редуктор с передаточным отношением i = 11,5.
Требуемая частота вращения приходного двигателя
nдв = nб× i = 36,3 × 11,5 = 417,5 об/мин (1.26)
Выбираем стандартную частоту вращения синхронного двигателя nс = 300 об/мин, номинальная частота с учётом скольжения составит nн = 290 об/мин.
Действительное значение максимальной скорости подъёма
Vmax = 
3,96 м/с » 11,0 м/с (1.27)
Ориентировочная мощность приводного двигателя согласно формуле:
Рср = 
231 кВт (1.28)
где: h - КПД редуктора (для редукторов современных подъёмных машин) (h = 0,95¸0,98); e - коэффициент эффективного усиления подъёма, при ориентировочных расчётах принимается 1,15¸1,35.
Выбираем двигатель со следующей технической характеристикой: типа АКН2-17-31-20; мощность Рн = 315 кВт, частота вращения nн = 290 об/мин; ток статора 48 А; ЭДС ротора Ен = 535 В, ток ротора Iн = 335 А, перегрузочная способность 2,3, КПД двигателя 0,91; маховый момент ротора GD2рот = 14,8 кН.м2.
Расчётное значение момента вращения на тихоходном валу редуктора рассчитываем по формуле:
М= 
182478 Н.м
где: Rб - радиус навивки, м.
Выбираем редуктор: тип ЦДН-150, межцентровое расстояние 1500 мм, передаточное число i = 11,5, момент вращения на ведомом валу 200 кН.м, скорость вращения приводного вала не более 600 об/мин, маховый момент на тихоходном валу GD2ред = 220 кН.м2, масса редуктора 13,24 т.
Приведенная к окружности барабана масса подъёмной установки:
где: Lк - длина одной ветви подъёмного каната, м.
Lк = Н + hпер + L + mтрpD = 343+3,77+54,96+5×3,14×3 = 449 м (1.30)
приведенная масса барабана:
, кг (1.31)
кг
приведенная масса ротора двигателя:
, кг (1.32)
кг
приведенная масса редуктора:
, кг (1.33)
кг
приведенная масса направляющего шкива составит:
, кг (1.34)
кг
Выбор величин ускорения и замедления.
Величину ускорения выбираем из условия максимального использования перегрузочной способности двигателя в период пуска.
Усилие на ободе барабана в период пуска.
Fпус = (КQ + mкH) qåm¢ а 1 = (1,15×4000+1,55×343) 9,81+62963 а 1 (1.35)
Номинальное усилие двигателя на ободе барабана составит:
Fн = 
Н (1.36)
Принимаем среднее значение коэффициента перегрузки за период пуска.
lпуск = 0,6 ×l = 0,6 × 2,3 = 1,38.
максимальное усилие на ободе барабана составит:
Fmax = lпуск×Fн = 1,38× 74812 = 103240 Н (1.37)
Приравнивая, Fпуск = Fmax определяем:
а 1 = 
0,68 м/с2 (1.38)
Принимаем а 1 = 0,7 м/с2.
Допуская скорость выхода скипа из разгрузочных кривых Vо = 1,2 м/с
определяем величину ускорения за этот период:
Qo= 
0,33» 0,3 м/с2 (1.39)
где: ho - путь разгрузки скипа, м.
Осуществляем тормозное замедление, величину которого принимаем так, чтобы тормозное усилие в конце периода замедления составляло в среднем одну треть веса полезного груза:
Fтор = - 
13080 Н (1.40)
Допуская, что скорость дотягивания (Vп = 0,5 м/с) достигается до входа скипа в разгрузочные кривые на расстоянии 1,5 м усилие на ободе барабана определится:
F = 
= 32824 - 62963 а 3 (1.41)
Приравнивая последнее, в Fтор определяем величину основного замедления.
а 3 = 
0,1 м/с2
Принимаем а 3 = 0,7 м/с2
Замедление стопорения машины в конце подъёма берется равным а с= - 1,0 м/с2.
Окончательно устанавливаем следующие расчётные значения ускорений и замедлений.
Ускорение при перемещении скипа в кривых - 0,3
Нормальное ускорение скипа вне кривых - 0,7
Основное замедление - 0,1
Замедление стопорения - 1,0
Расчёт графика скорости
Скорость выхода скипа из кривых
Vo = 
1,14 м/с (1.42)
Продолжительность периода ускорения при перемещениях скипа в кривых:
tо = 
3,8 с (1.43)
Продолжительность периода нормального ускорения
t1 = 
4,08 с (1.44)
Путь, пройденный в период нормального ускорения
Х1 = 
10,5 м (1.45)
Время стопорения при скорости дотягивания (tс = 0,5 м/с) до полной остановки.
tc = Vn /Qc = 0,5/1,0 = 0,5 с (1.46)
Путь стопорения
Х с = Vntc / 2 = 0,5 ×0,5 / 2 = 0,125 м (1.47)
Путь, пройденный за период дотягивания
Х п = hp + 1,5 - Х с = 2,17+1,5-0,125 = 3,55 м (1.48)
Продолжительность периода дотягивания
tn = Xn / Vn = 3,55/0,5 = 7,1 с (1.49)
Прямолинейный участок разгрузочных кривых составляет около 1 м. Соответственно разгрузка скипа начнется после прохождения скипом расстояния 1,5+1,0= 2,5 м от начала периода дотягивания, на что уйдет время.
t¢¢п = 
5 с (1.50)
Продолжительность основного периода замедления
tз = 
35с (1.51)
Путь основного замедления
Х з = 
78,75 м (1.52)
Путь движения скипа с максимальной скоростью
Х2 = Н - (2ho + 1,5 + Х 1 +Х3) = 283 - (2×2,17+1,5+10,5+78,75) = 187,91 м (1.53)
Продолжительность периода движения с максимальной скоростью
tм = 
47 с (1.54)
Продолжительность подъёма общая
Т = tо + t1 + t2 + t3 + tп + tс = 3,8+4,08+47+35+7,1+0,5 = 97,5 с (1.55)
Продолжительность цикла
Т = Т + q = 97,5 + 8 = 105,5 с » 106с (1.56)
Годовая производительность подъёма
Аф = 
611321 т/год (1.57)
Коэффициент резерва подъёма
Сф = Аф / А = 611321 / 520000 = 1,18 < 1,5 (1.58)
Расчёт движущих усилий
Уравнение подъёма с учётом численных значений параметров принимает следующий вид:
F=[(K - BcR - mKH - 2 X)] q±åm a = [(1,15 - Вс) 4000+4,55 (343-2 Х)] 9,81±62963 а = 60436 -89,3 Х ±62963 а (1.59)
Определим значения движущих усилий на ободе барабана в разные периоды подъёма в начале подъёма (Х =0; а = 0,3 м/с2)
F1 = 60436+62963 × 0,3 = 79325 Н (1.60
в конце периода ускорения в разгрузочных кривых (Х =hp= 2,17; а = 0,3 м/с2)
F2 = 60436 - 89,3× 2,17+62963 × 0,3 = 79131 Н (1.61)
в начале периода нормального ускорения (Х = 2,17; а = 0,7 м/с2)
F3 = 60436 - 89,3× 2,17+62963 × 0,7 =104316 Н (1.62)
в конце периода нормального ускорения (Х = 2,17+10,5=12,67; а = 0,7 м/с2)
F4 = 60436 - 89,3× 12,67+62963 × 0,7 =103379 Н (1.63)
в начале периода движения с максимальной скоростью (Х = 12,67; а = 0 м/с2)
F5 = 60436 - 89,3× 12,67 = 59305 Н (1.64)
в конце периода движения с максимальной скоростью (Х =12,67+187,91=201; а =0)
F6 = 60436 - 89,3× 201 = 42486 Н (1.65)
lmax = 
1,38 (1.66)
где: Fmax - наибольшее усилие на окружность барабана, Н, принимается по графику усилий (рис. 3.1), а также по расчёту;н - номинальное усилие двигателя по окружности барабана, Н.
Для обеспечения достаточного момента вращения двигателя при падении напряжения в питающей сети коэффициент перегрузки должен удовлетворять условию:
lmax£ 0,85×lн= 0,85 ×2,3=1,95
,38 £ 1,95 условие выполняется.