Расчет главной подъемной установки

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 — 520 000 тонн;

— глубина вертикального ствола, Н_ст, 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

1. 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;

t_сут — число часов работы в сутки, ч.

Принимая высоту загрузки скипа у подъёмного бункера h_заг = 20 м и высоту приёмного бункера h_пп = 23 м получим высоту подъёма.

Н = Н_ст + h_заг + h_пп = 300+20+23 = 343 м (1.2)

Наиболее выгоднейшая масса груза скипа

Q_п = 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 m_ск = 5,8 т; высота скипа в положении разгрузки h_ск = 7,10 м; путь разгрузки h_р = 23,17 м; размеры в плане 1,54×1,85; расстояние между центрами скипов d_о = 2,1 м.

Продолжительность цикла:

Т = 3600 Q/ А_ч = 3600 4 /173 = 83 с (1.4)

Продолжительность подъёма Т = Т- = 83 — 8 = 75 с (1.5)

где: — продолжительность паузы, = 8 с ОНТП5−86.

Принимаем шестипериодный график скорости. Ориентировочное значение максимальной скорости подъёма при этом определяется по формуле:

V_max(ф) = =

=5,7 м/с (1.6)

2. Расчёт каната

скип приводной двигатель подъемный Принимаем канаты типа ЛК-РО с расчётными пределами прочности проволоки при растяжении = 1666 МПа, фиктивная плотность, которых составляет _о = 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:

m_к = 4,26 кг/м (1.7)

где: m_о — масса концевого груза;

m_o = m_ск + Q = 5800 +4000 = 9800 кг (1.8)

Н_о — длина отвеса каната (с учётом высоты переподъёма h_пер = 3 м) Н_о = Н + h_пер = 343 + 3 = 346 м (1.9)

По ГОСТ 7668–80 выбираем канат типа ЛК-РО; конструкция 6×36 (1+7+7/7 +14)+10С; масса 1 м смазанного каната m_к = 4,55 кг/м; диаметр каната d_к = 34,5 мм; при =1666 МПа, разрывное усилие веса проволок в канате Q_разр= 768 000 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

= 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

D 80 d_к = 80 34,5 = 2760 мм (1.12)

Выбираем подъёмную машину со следующей характеристикой: тип ТЦ-3×2,2; 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 GD_бар² = 1500 кН. м²; масса машины с редуктором без электрооборудования 75 тонн.

Проверка барабана по ширине.

Необходимую ширину навивочной части барабана вычисляем по формуле:

В_о = 2132 мм (1.13)

где: h = 35 м — резервная длина каната для испытаний;

n_х — постоянное число витков трения каната (для барабанов с металлической футеровкой по ПБ, n_х = 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: К_тр — коэффициент шахтных сопротивлений для груженной ветви каната (для скипового подъёма К_тр = 1,09).

Максимальную разность между статическими натяжениями канатов можно ожидать в начале подъёма нормального груза или в момент навески новых канатов.

В первом случае Т_max =(KQ_n + m_кH) q = (1,15 4000+4,55 343) 9,81 = 60 436 140 000Н_т(2.53)

Во втором случае

(1.15)

где: К_пор — 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 D_шк2760 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 ВD²_мк = 96 кН. м².

Высоту копра рассчитываем по формуле:

h_к = h_пп + h_о + h_л + 0,75 R_ш, м (1.16)

h_к = 23 + 7,10 +3 + 0,75 1,5 = 34,22 м Выбираем копер, грузоподъёмность скипа 4 т; высота бункера h_пп = 23 м; высота копра h_к = 35 м.

Действительное значение высоты переподъёма составит:

h_пер = h_к — (h_пп + h_о + h_л + 0,75 R_ш) = 35 — (23+7,10+0,751,5) = 3,772,5 (1.17)

Элементы расположения подъёмной машины относительно ствола шахты показаны на схеме 2.1. В расчете приняты: расстояние между осями подъёмных канатов d_о = 2100 мм, расстояние между осями подъёмного каната и барабана Е= 45 м.

Длина струны

L = 54,96 м (1.18)

где: С_о — превышение оси барабана над нулевой отметкой, м.

Угол наклона нижней струны к горизонту.

= arctgarctg 37^o17

Линейные отклонения каната на барабане от плоскости шкива показаны на схеме 2.2.

а_н = - 137,5 мм (1.19)

где: а_тр — ширина витков трения, мм.

а_тр = n_тр (d_к + S) = 5 (34,5 + 3) = 187,5 мм (1.20)

а_в = 1680 мм (1.21)

где: В_з — ширина навивочной поверхности барабана, соответствующая одной ветви каната, при однобарабанных подъёмных машинах, мм.

В_з = 1730 мм (1.22)

Значение углов отклонения струны канатов соответственно будут:

а_н = 0^о08 1^о30 (1.23)

а_в = 1^о30 = 1^о30 (1.24)

3. Приводной двигатель и редуктор

Для удовлетворения ориентировочной максимальной скорости подъёма необходима частота вращения барабана.

n_б = 36,3 об/мин (1.25)

Принимаем редуктор с передаточным отношением i = 11,5.

Требуемая частота вращения приходного двигателя

n_дв = n_бi = 36,3 11,5 = 417,5 об/мин (1.26)

Выбираем стандартную частоту вращения синхронного двигателяn_с = 300 об/мин, номинальная частота с учётом скольжения составит n_н = 290 об/мин.

Действительное значение максимальной скорости подъёма

V_max = 3,96 м/с 11,0 м/с (1.27)

Ориентировочная мощность приводного двигателя согласно формуле:

Р_ср = 231 кВт (1.28)

где: — КПД редуктора (для редукторов современных подъёмных машин) (= 0,950,98); - коэффициент эффективного усиления подъёма, при ориентировочных расчётах принимается 1,151,35.

Выбираем двигатель со следующей технической характеристикой: типа АКН2−17−31−20; мощность Р_н = 315 кВт, частота вращения n_н = 290 об/мин; ток статора 48 А; ЭДС ротора Е_н = 535 В, ток ротора I_н = 335 А, перегрузочная способность 2,3, КПД двигателя 0,91; маховый момент ротора GD²_рот = 14,8 кН. м².

Расчётное значение момента вращения на тихоходном валу редуктора рассчитываем по формуле:

М=182 478 Н. м

где: R_б — 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 GD²_ред = 220 кН. м², масса редуктора 13,24 т.

Приведенная к окружности барабана масса подъёмной установки:

где: L_к — длина одной ветви подъёмного каната, м.

L_к = Н + h_пер + L + m_трD = 343+3,77+54,96+53,143 = 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.

F_пус = (КQ + m_кH) qmа₁ = (1,154 000+1,55 343) 9,81+62 963а₁ (1.35)

Номинальное усилие двигателя на ободе барабана составит:

F_н = Н (1.36)

Принимаем среднее значение коэффициента перегрузки за период пуска.

_пуск = 0,6 = 0,6 2,3 = 1,38.

максимальное усилие на ободе барабана составит:

F_max = _пускF_н = 1,38 74 812 = 103 240 Н (1.37)

Приравнивая, F_пуск = F_max определяем:

а₁ = 0,68 м/с² (1.38)

Принимаем а₁ = 0,7 м/с².

Допуская скорость выхода скипа из разгрузочных кривых V_о = 1,2 м/с определяем величину ускорения за этот период:

Q_o= 0,33 0,3 м/с² (1.39)

где: h_o — 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:

F_тор = - 13 080 Н (1.40)

Допуская, что скорость дотягивания (V_п = 0,5 м/с) достигается до входа скипа в разгрузочные кривые на расстоянии 1,5 м усилие на ободе барабана определится:

F =

= 32 824 — 62 963а₃ (1.41)

Приравнивая последнее, в F_тор определяем величину основного замедления.

а₃ =0,1 м/с²

Принимаем а₃ = 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

4. Расчёт графика скорости

Скорость выхода скипа из кривых

V_o = 1,14 м/с (1.42)

Продолжительность периода ускорения при перемещениях скипа в кривых:

t_о = 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 (t_с = 0,5 м/с) до полной остановки.

t_c = V_n /Q_c = 0,5/1,0 = 0,5 с (1.46)

Путь стопорения

Х_с = V_nt_c / 2 = 0,5 0,5 / 2 = 0,125 м (1.47)

Путь, пройденный за период дотягивания

Х_п = h_p + 1,5 — Х_с = 2,17+1,5−0,125 = 3,55 м (1.48)

Продолжительность периода дотягивания

t_n = X_n / V_n = 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

t_з = 35с (1.51)

Путь основного замедления

Х_з = 78,75 м (1.52)

Путь движения скипа с максимальной скоростью

Х₂ = Н — (2h_o + 1,5 +Х₁ +Х₃) = 283 — (22,17+1,5+10,5+78,75) = 187,91 м (1.53)

Продолжительность периода движения с максимальной скоростью

t_м = 47 с (1.54)

Продолжительность подъёма общая Т = t_о + t₁ + t₂ + t₃ + t_п + t_с = 3,8+4,08+47+35+7,1+0,5 = 97,5 с (1.55)

Продолжительность цикла Т = Т + = 97,5 + 8 = 105,5 с 106с (1.56)

Годовая производительность подъёма А_ф = 611 321 т/год (1.57)

Коэффициент резерва подъёма С_ф = А_ф / А = 611 321 / 520 000 = 1,18 < 1,5 (1.58)

5. Расчёт движущих усилий

Уравнение подъёма с учётом численных значений параметров принимает следующий вид:

F=[(K — B_cR — m_KH — 2X)] qma = [(1,15 — В_с) 4000+4,55 (343−2Х)] 9,8 162 963а= 60 436 -89,3Х62 963а (1.59)

Определим значения движущих усилий на ободе барабана в разные периоды подъёма в начале подъёма (Х=0; а = 0,3 м/с²)

F₁ = 60 436+62963 0,3 = 79 325 Н (1.60

в конце периода ускорения в разгрузочных кривых (Х=h_p= 2,17; а = 0,3 м/с²)

F₂ = 60 436 — 89,3 2,17+62 963 0,3 = 79 131 Н (1.61)

в начале периода нормального ускорения (Х= 2,17; а = 0,7 м/с²)

F₃ = 60 436 — 89,3 2,17+62 963 0,7 =104 316 Н (1.62)

в конце периода нормального ускорения (Х= 2,17+10,5=12,67; а = 0,7 м/с²)

F₄ = 60 436 — 89,3 12,67+62 963 0,7 =103 379 Н (1.63)

в начале периода движения с максимальной скоростью (Х= 12,67; а = 0 м/с²)

F₅ = 60 436 — 89,3 12,67 = 59 305 Н (1.64)

в конце периода движения с максимальной скоростью (Х=12,67+187,91=201; а=0)

F₆ = 60 436 — 89,3 201 = 42 486 Н (1.65)

_max = 1,38 (1.66)

где: F_max — наибольшее усилие на окружность барабана, Н, принимается по графику усилий (рис. 3.1), а также по расчёту;

F_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:

_max 0,85_н= 0,85 2,3=1,95

1,38 1,95 условие выполняется.

6. Расход электроэнергии и КПД подъёмной установки

Требуемая энергия за один подъём в идеальных условиях

W_ид = 3,74кВт.ч (1.67)

Фактический расход электроэнергии за один подъём

W_ф = 4,96кВт.ч (1.68)

КПД подъёмной установки

_уст = U_пд /W_ф = 3,74 / 4,96 = 0,75 (1.69)

Удельное значение фактического расхода электроэнергии на подъём одной тонны поднимаемого груза

W_ф1т = W_ф /Q = 4,96 / 4 = 1,24 кВт. ч/т (1.70)

Годовой расход электроэнергии

W_год = W_ф1т А = 1,24 520 000 = 644 800 кВт. ч (1.71)

В комплект аппаратуры управления шахтной подъёмной установки входят: реверсор РВМ-150 для управления статорной обмоткой подъёмного двигателя; тахогенератор П41, выполняющий роль датчика скорости; три преобразовательных двухмашинных агрегата, один из которых служит источником питания при динамическом торможении, два других для питания цепей управления постоянного тока напряжением 220 В; ящики резисторов, применяемые как реостат в цепи ротора (КФ-22М); потенциометрический резистор в цепи тахогенератора (ЯС-3) и установочный резистор в цепи возбуждения генератора динамического торможения (ЯС-3); пульт управления подъёмной машиной ПШП, панель управления ПГВ 6701 для управления в цепи ротора подъёмного двигателя; панель управления ПГВ 6901−43АЗ для управления динамическим торможением; блок управления БУ514 для управления электродвигателем агрегата динамического торможения; станция ПГХ 5015−53МЗ для управления вспомогательными приводами; сельсиндатчики БД 501НА, работающие как датчики указателя глубины; регулятора ограничения скорости ДОС-5914; регулятора давления для управления тормозным приводом и автоматизации компрессора; магнитные включатели для защиты от износа колодок; магнитные выключатели для защиты от переподъёма; блокировки механизма перестановки (ВК-300^оС), для контроля давления воздуха и другое малогабаритное электрооборудование.