煤炭井下架空乘人装置的设计

翟政凯

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001）

引言

随着国内煤矿生产设备的发展，煤矿架空乘人装置开始逐渐被应用于井下生产作业，是结合生产环境、巷道特点所设计的一种绳索式人员运输系统，可供作业人员于井下、地面之间往返。相对于其他运输方式，井下架空乘人装置承担着全矿井下井员工的运输任务，是一种安全又经济的煤矿人员运送装置。该装置投资低、效率高、能耗低、无污染，是矿井生产的关键安全设备。

下面就以金家庄矿井为例，从架空乘人装置的设备与布置选型设计方面，探讨一下井下架空乘人装置的设计。

1 金家庄矿概况

山西柳林金家庄煤业有限公司位于柳林县县城东南方向距县城约10 km的金家庄乡—双枣圪塔一带，行政区划隶属于金家庄乡管辖。矿井下组煤水平延深后设计生产能力为175 万t/年。

根据《煤矿安全规程》（2016）第三百八十二条的规定要求，长度超过1.5 km的主要运输平巷或者高差超过50 m的人员上下的主要倾斜巷，应当采用机械方式运送人员，故金家庄煤业有限公司矿井在北胶带大巷安装了一台架空乘人装置来运送人员，以缩短工人上下班行走距离，减轻工人体力消耗，提高工作效率。该架空乘人装置的驱动装置、尾部及拉紧装置均设在北胶带大巷内。

2 北胶带大巷架空乘人装置布置及选型设计

2.1 架空乘人装置设计要点

机头机尾设压绳装置，单侧压绳（靠近带式输送机一侧钢丝绳回压为0.3 m），钢丝绳间距为0.9 m，吊椅中心距离巷道壁的最小距离为0.7 m，距带式输送机的距离为1 m，乘人吊椅距底板高度为0.3 m，吊座间距为8 m。该设计满足《煤矿安全规程》（2016）第三百八十三条第2 项“吊椅中心至巷道一侧突出部分的距离不得小于0.7 m，可摘挂抱索器（双向同时运送人员）的钢丝绳间距不得小于0.8 m，乘人吊椅距底板的高度不得小于0.2 m，乘坐间距不应小于牵引钢丝绳5 s的运行距离，且不得小于6 m”，以及《煤矿井下煤炭运输设计规范》（GB 51179—2016）中“带式输送机与巷道侧帮的支护、管线、设施之间的距离，不应小于500 mm，各乘人站设上下人平台，乘人平台处钢丝绳距巷道壁不小于1 m”的规定。钢丝绳安全系数≥6，由于巷道同时安装了架空乘人装置和带式输送机，所以架空乘人装置与带式输送机之间全程加装防护栏板（网），且防护栏板（网）应足够坚固。架空乘人装置还要设置打滑、超速、全线急停、变坡点防掉绳、越位、张紧力下降等保护装置。

2.2 矿井基本情况

金家庄北胶带大巷为矿方已有巷道，巷道采用矩形断面，巷道斜长约为950 m，倾角为-0.53°～8.46°，宽度为4.8 m，高度为3.2 m。巷道一侧布置有宽度为1 200 mm的带式输送机，将架空乘人装置布置在巷道另一侧，综合考虑到巷道和带式输送机宽度设计，选用了双向可摘挂抱索器架空乘人装置，井筒断面布置如图1 所示。

图1 井筒断面布置（单位：mm）

水平输送距离Lh=855.422 m，平均角度4.597°，提升高度H=68.791m，输送距离（斜长）L=858.18 m，吊座质量G1=15 kg，吊座间距L1=8 m，每米吊座质量q1=G1/8=1.875 kg/m，人员质量G2=95 kg，每米人员质量q=G2/8=11.875 kg/m，托绳轮质量G3=15 kg，托绳轮间距L2=6 m，每米托绳轮质量q2=G3/L2=2.5 kg/m，重力加速度g=9.81 m/s2。初选钢丝绳规格20NAT6x36WS+FC1670-ZZ（无油），钢丝绳直径d=20 mm，每米钢丝绳质量q0=1.52 kg/m，钢丝绳最小破断力F0=220 kN，换算系数k=1.226，钢丝绳和托绳轮间摩擦系数f=0.035，头部驱动轮直径D=1 200 mm，绳速v=1.08 m/s，驱动轮围包角α=180°，钢丝绳与驱动轮轮衬间摩擦系数μ=0.25。

2.3 架空乘人装置选型计算

本井下架空乘人装置有满载、空载、上运部分满载且下运部分空载和下运部分满载且上运部分空载四种运行工况。其中上运部分满载且下运部分空载是最不利的工况，架空乘人装置运行功率最大，因此本文按上运部分满载且下运部分空载运行工况设计计算。

2.3.1 阻力计算

1）钢丝绳上行满载（满员）时的阻力Fs=（q+q1+q2+q0）×f×Lh×g+（q+q0+q1）×H×g=（11.875+1.875+2.5+1.52）×0.035×855.422×9.81+（11.875+1.52+1.875）×68.791×9.81=15 524 N。

2）钢丝绳下行空载（无人乘坐）时的阻力Fx=（q0+q2）×f×Lh×g－q0×H×g=（1.52+2.5）×0.035×855.422×9.81-1.52×68.791×9.81=154.9 N。

2.3.2 张力计算

尾轮进绳侧钢丝绳张力S3=Smin=1 000×q0×g+2 000=1 000×1.52×9.81+2 000=16 911.2 N。

尾轮出绳侧钢丝绳张力S4=1.01S3=1.01×16 911.2=17 080.3 N。

驱动轮进绳侧钢丝绳张力S1=S4+Fs=17 080.3+15 524=32 604.3 N。

驱动轮出绳侧钢丝绳张力S2=S3-Fx=16 911.2-154.9=16 756.3 N。

2.3.3 防滑验算和钢丝绳安全系数的校核

防滑验算：S1/S2=1.946≤eμα=2.193，满足要求。

钢丝绳安全系数验算：n=k×F0/S1=1.226×220×1 000/32 604.3=8.272＞6，满足要求。

驱动轮直径和钢丝绳直径之比值：1 200/20=60，满足要求。

驱动轮直径和钢丝绳中最粗钢丝直径之比值：1 200/1.14=1 052.6＞900，满足要求。

2.3.4 拉紧行程和尾轮拉紧力计算

1）拉紧行程S=0.01L=0.01×858.18=8.58 m，取S=10.5 m＞8.58 m，满足要求。

2）尾轮拉紧力F拉=S3+S4=16 911.2+17 080.3=33 991.5 N。

要求尾部拉紧装置对尾部改向轮拉紧力不小于本计算值。

2.3.5 电机功率计算

驱动轮圆周力P=S1-S2=15 848 N，驱动轮轴功率N0=PV/1 000=17.1 kW。

电机功率N=1.2N0/η=25.7 kW。式中：1.2 为电机功率备用系数；η 为传动效率，η=0.8。

2.3.6 减速器计算

该架空乘人装置的最大负载扭矩Mf=（S1-S2）×D/2=9 509 N·m。

2.3.7 驱动轮安全制动器制动力计算

驱动轮所需制动力Fz=2（S1-S2）=31 696 N。

2.3.8 高速端制动器制动力矩计算

减速器高速端所需的制动力矩Mz=2×45×9 550/980=877 N·m。

2.4 架空乘人装置驱动装置选型

该架空乘人装置的驱动部型式为架空式单轮结构，驱动部主要包括防爆电机、防爆电力液压块式制动器、联轴器、减速机、驱动轮、低速端驱动轮安全制动器、机架及联接装置等。主要设备选型如下：电动机YB3-280S-6，N=45 kW，n=980 r/min，一台；减速机MC3RVH08-56，速比56，额定输出扭矩为48 100 N·m，一台；驱动轮安全制动器YQPCJ50-C112，制动力50 000 N；减速器高速端制动器BYWZ4B-400/121，制动力矩M=2 000 N·m。

2.5 架空乘人装置速度验算

钢丝绳运行速度计算：

式中：K 为钢丝绳运行时蠕动系数，取K=0.98；N 为电动机转速，980 r/min；i 为减速机速比，i=56。计算得v=1.08 m/s≤1.2 m/s，满足要求。

3 结论

以金家庄矿井胶带大巷为例给出的架空乘人装置的选型及计算方法，同样适用于其他矿井架空乘人装置的选型计算，以供同行参考。