立井箕斗气动闸门结构型式及卸载时间的探讨.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流立井箕斗气动闸门结构型式及卸载时间的探讨.精品文档.立井箕斗气动闸门结构型式及卸载时间的探讨济南煤炭设计研究院 李永斌 李保轩摘要：根据常用立井箕斗气动闸门的结构型式，结合济宁三号矿井22t箕斗气动闸门的结构特点，从理论与实践的结合上对箕斗卸载时间作分析探讨，为设计中选取合理的气动闸门提供条件。关键词：立井箕斗、气动闸门、结构、卸载时间目前，国内外许多立井箕斗都广泛采用外动力气动闸门的卸载方式，这种外动力的气动闸门卸载方式克服了老式箕斗在井筒中自动开门的弊端，保证了立井提升的安全，另外，提高井筒断面的利用率和方便老矿井的改造上也有独到之处，根据这些年来技术的发展和本人掌握的一些情况，就立井箕斗气动闸门的结构型式和卸载时间作以下探讨。一、立井箕斗气动闸门的结构型式目前，我国煤矿中广泛使用的气动闸门箕斗，按闸门开闭的结构型式不同，主要有以下三种：1、气动垂直平板闸门：兖州矿区的兴隆庄、鲍店矿井和南屯煤矿改扩建的新井，济北矿区许厂矿井以及山西轩岗矿务局刘家梁矿井等主井改造都采用了这种型式的闸门，更值得一提的是这种结构型式的闸门使用在轻型箕斗设计上，广泛用于老井改造，如徐州矿务局的张集煤矿、枣庄矿务局的柴里煤矿等都用了气动垂直平板闸门的轻型箕斗，采用轻型箕斗增加了立井提升能力和安全性能，减轻了对井架的冲击。该型式的气动闸门结构简图如图1所示。闸门由4个滚轮与闸板联在一起，可以沿固定在箕斗上的导轨上下移动；闸门开闭装置则由中间或尾部摆动的大气缸带动捕爪器沿设在井架上的曲轨上下运动，从而开启箕斗闸门，闸门关闭靠器自重；舌板承接装置则是为了弥补箕斗卸载口与箕斗受煤仓之间的间隙，防止撒煤。这种型式闸门的特点是：斗箱内的煤对平板闸门的侧压力小，结构简单，重量轻。由于平板闸门上的滚轮无须进入曲轨，横向尺寸小，因而一般情况下箕斗卸载口的宽度与箕斗的正常断面宽度一致，不收口，大大改善了卸载性能，并适合于扁长型箕斗断面，满足于一个井筒布置两台提升设备的特殊情况，提高了井筒断面的利用率。缺点是打开闸门的行程长，若箕斗底板倾角50度，卸载口有效高度为1时，则闸门全部打开的高度约为卸载口有效高度的1.56倍，因而开闭闸门的气缸行程也长，在一定程度上加大了卸载休止时间。2、气动上开回转扇形闸门：其结构简图如图二所示，与气动垂直平板闸门所不同的式，将垂直移动的平板换成绕固定轴回转的扇形结构，在大气缸上提捕爪打开闸门的过程中，闸门上的滚轮在捕爪的提升面上有水平移动；另外闸门受煤的压力比垂直平板闸门要大，打开闸门需要的动力也加大。由于在斗箱上设有回转中心，因而靠近闸门部分的斗箱两侧需要少量收口，对卸载性能略有影响。但这种闸门结构也比较简单，且开闭闸门的行程与垂直平板闸门相比要短，有利于减少卸载休止时间。肥城矿务局的白庄矿、潞安矿务局王庄矿及枣庄市留庄矿等的箕斗都采用了此种结构的闸门。特别是目前正在试运行中的我国立井设计年产量最大的济宁三号煤矿22t箕斗也采用了该型式的闸门，经过24小时的满负荷运行，达到了日提升21687吨的好成绩。3、气动下开水平推移回转扇形闸门：其结构简图如图三（a）（b）所示，这种结构型式的闸门，在箕斗两侧有凸出箕斗断面的卸载滚轮，当箕斗到达卸载位置，两侧的卸载滚轮进入开闭装置的曲轨中，由大气缸带动曲轨滚轮使闸门向后打开，一般一个箕斗由两个气缸带动，同步推移，两个箕斗设三个气缸，其中一个共用。这种结构的闸门其最大优点是，闸门开闭的行程最短，基本与卸载口有效高度相同，有利于减少卸载休止时间，增加提升能力；缺点则是闸门承受煤压最大，因而要大直径双气缸才能将闸门打开；另外，闸门上必须设置凸出于箕斗断面的卸载滚轮，对井筒断面的有效利用产生不利影响。目前潞安矿务局的常村煤矿和兖州矿业集团的济宁二号矿井，已投入使用的34吨箕斗均采用这种结构型式。除以上三种主要的结构型式外，实际应用中，箕斗还采用了其它的一些结构型式，在此不再详述。二、箕斗卸载休止时间的探讨通常，箕斗卸载休息时间主要有以下三部分组成。1、闸门开启所占用的时间2、箕斗卸煤消耗的时间3、闸门关闭用去的时间对于以上各部分所消耗的时间，分别作如下分析：1、气动闸门开启所占用的时间这部分时间与闸门的结构型式、卸载方式以及卸载气路系统有很大的关系。根据上述三种结构形式的气动闸门及济宁三号矿井22t箕斗的具体情况，将开启闸门的全行程所消耗的时间作以简易计算。在气缸活塞移动开启闸门的全过程中，因负载的不同可按两段分别计算移动时间。（1）捕爪接触门体前上述前两种型式的闸门有此过程，而第三种型式的闸门没有此过程。捕爪接触门体前的移动时间可由下式求得t1=0.00492K·D2·Z÷S(秒) （1）式中 D气缸内径，cmZ气缸在捕爪接触门体前的行程，cmS供气侧回路的有效截面面积，mm2K与惯性系数J和与摩擦有关的系数G有关的时间系数，三者的相互关系可有资料（3）提供的图线查得K值。而J与G则可分别由下两式求得J=0.0129P·D6·Z/(WS2) (2)G=1.273W·(Fr/W±sin)/PD2 (3)式中： P供气绝对压力，/cm2，一般取P=56kg/cm2; W移动部分的质量，； Fr摩擦阻力，； 气缸活塞杆轴线与水平线之间的夹角，向上提重物时sin取“”号。因实际管道中有许多的管子和阀一个接一个的连接起来，因此，在知道了各个元件的有效截面积后，可由下式求出整体的有效截面积S: (4) 其中式中的一次项为气路管道的折合有效面积，可根据管道的长度L与管子内径d之比值由资料（3）提供的管路长度和有效截面积的关系图线查得SR/S0值，从而求得管道的折合有效面积SR。(S0钢管截面积)对于济宁三好矿井22t箕斗闸门，具体结果如下：L=15m d=40mm L/d=375 S0=d2/4=3.142×40/4=1257(mm2)查资料（3）提供的曲线图得SR/S0=0.42，则SR=0.42S0=528(mm2)；根据济宁三号矿井卸载气路系统的设计（见图四）则有：求得供气侧回路的有效截面积S=177.4mm2。因是双回路，则应有S=2×177.4=354.8mm2D=32 Z=86 W=540 Fr=805 取P=6/cm2依据公式（2）、（3）分别求得：J=0.0129×6×326×86/(540×354.82)=105.1G=1.273×540×(805/540+sin900)/(6×322)=0.28由J、G值和资料（3）提供的曲线查得K=1.6则捕爪接触门体前的移动时间：t1=0.00492×1.6×322×86/354.8=1.954(秒)（2）捕爪接触门体后捕爪接触门体后的移动时间计算仍可按前述的计算公式(1)(4)求解。但依据气路系统具体情况，此时的管路整体有效截面积S有可能发生改变，况且移动部分的重量W也增加了闸门自身的重量，摩擦阻力Fr也增加了煤对闸门形成的压力等。因此，此时的J、G均要发生改变，时间系数K也与前述不同。针对济宁三号矿井的22t箕斗，各参数求解结果如下：Z=134 W=1140kg Fr=2065kg则：J=0.0129×6×326×134/(1140×354.8)=77.6 G=1.273×1140×(2065/1140+sin900)/(6×322)=0.66查得K=2.5；捕爪接触门体后的移动时间为： t2=0.00492×2.5×322×134÷354.8=4.76(秒)故闸门开启所用的时间应为t=t1+t2=1.95+4.75=6.71(秒)工作行程时气缸活塞的平均速度V1=2.2/6.7=0.328m/s2、箕斗卸煤消耗的时间正常情况下箕斗的卸煤时间，可按照箕斗卸载口水力半径，依据侧面卸料形式求得放料速度，从而对卸载时间加以分析。计算简图如图五，已知卸载口有效高度为A米，有效宽度为B米，箕斗斗箱底板倾角，煤炭标准块尺寸按as米计，其余参数如图五，按倾斜式溜口即可算出卸载口断面AA上的放料速度为Va= (5)式中：g重力加速度，取9.81m/s2fj煤与箕斗底板的摩擦系数，一般fj=0.5fn煤的内摩擦系数，一般取fn=1R倾斜式溜口的水力半径，m；可由下式求得 R= (6)放料系数，一般取=0.5根据Va按下式即可求出单位时间内的卸载能力Ga=FVa=A·B·Va (7)其中，物料比重，煤炭一般取=0.9t/m3对于济宁三号矿井的22t箕斗，具体计算结果如下：A=1.23m,B=1.112m, =50°,取煤炭标准块as=0.2m，l=0.38m，则有：R=Va=Ga=1.23×1.112×1.867×0.9=2.3(t/s)按卸煤的平均速度均为Va=1.867m/s，能力为2.3t/s计时，则箕斗卸空的平均耗时为：t=22÷2.3=9.57(s)上述计算没有考虑捕爪接触门体前开启闸门的过程中的卸煤量，因此计算是偏于可靠的。3、对于前述的第一、二两种结构型式的闸门，闸门关闭是靠闸门本身的自重来实现的，而第三种结构的闸门则基本靠气缸活塞的移动来实现。对于靠闸门的自重实现闸门关闭时，气缸活塞也同时移动，在实际使用中得知，靠自重下落关闭的闸门其运动速度是大于气缸活塞的移动速度的，因而，闸门关闭时，门体始终接触捕爪，从而使得闸门关闭时的实际速度与活塞移动的速度一致。不考虑其它影响因素时，若按闸门开启所用的时间与闸门关闭所占用的时间一致来考虑一个工作循环，则活塞往复时间为闸门开启时所用时间的两倍。对于济宁三号矿井，即闸门开闭一个循环所用时间为2×6.7=13.4（秒），故整个卸载休止时间为13.4+9.57=22.97（秒）。当然，在实际应用中，一般都将闸门关闭时的排气节流阀的开度加大，以加速排气，同时由于此时气缸活塞上的负载及各种阻力也比闸门开启时要小，因此闸门关闭时的活塞速度要大于闸门开启时的活塞速度，从而相对闸门开启时而言，闸门关闭所用的时间也相应减少，提高了卸效率，增加提升能力。通过以上的分析计算可以看出，箕斗的全部卸载休止时间控制在22s时完全可行的，与箕斗的载重量是完全相同的，平均卸载能力达到了1t/s的要求。箕斗现场实测从箕斗停位气阀动作开始包括气动舌板搭上闸门开闭装置动作卸载和井下装载完成发出下一循环提升信号整个卸载休止时间都在30s以内，可见以上计算结果基本是符合实际的。将不同结构型式的箕斗气动闸门和其卸载休止时间加以分析探讨，对于选择合理的箕斗气动闸门结构，更有效地提高立井井筒断面的利用率，增加箕斗提升能力会有较大的帮助，也更有利于为煤矿生产创造最佳的生产效率和经济效益。从理论计算分析和实践证明，济宁三号矿井22t箕斗闸门结构型式及其气路开闭系统设计是成功的，达到了设计要求。主要参考资料（1）机械设计手册，第三版，第四卷；（2）气动元件及其应用回路，（日）久津见舜一著，王序农译；（3）气动机构箕回路设计，（日）中岛弘行著，王琦祥译；（4）煤矿专业设备设计计算，煤炭工业出版社；（5）金属矿山采矿设备设计，冶金工业出版社。