超深矿井提升机层间过渡装置可缠5层的结构设计方法

954 编辑：中冶有色技术网来源：石河子大学

2023-10-20 13:38:10

1.本发明涉及一种超深矿井提升机层间过渡装置可缠5层的结构设计方法

背景技术：

2.矿山行业内以深度超过1500m的矿井属于超深矿井。在超深矿井提升中大多都是通过卷筒的转动来带动钢丝绳缠绕实现提升，多层缠绕提升钢丝绳在缠绕靠近卷筒两边的挡绳板时需要借助层间过渡装置实现钢丝绳的爬升和换向。如果在卷筒两侧靠近法兰盘的位置不安装结构合理的层间过渡装置引导过渡，钢丝绳在过渡时会受到由高速、重载带来的严重冲击、振动从而引起钢丝绳的磨损和卡绳，在此过程中还会影响钢丝绳排绳的平稳性，甚至会影响整个提升系统的寿命，因此，设计研究结构合理的层间过渡装置是很有必要的。

3.过去国内外对超深矿井层间过渡装置做了大量的探索和研究，但到目前为止，还未看到从理论到实践较为理想的层间过渡装置的详细资料。wieschel申请了专利“带阶梯法兰盘的缠绕卷筒”，并提出了低速轻载运行状态下钢丝绳层间过渡装置的布置形式甚至称钢丝绳在卷筒上可以缠绕6层以上甚至更多，但并未给出具体的设计计算过程。н.н.фидровская介绍了在平行折线绳槽卷筒两侧添加过渡块来辅助钢丝绳过渡，但并未给出过渡块的具体尺寸和详细的计算过程。lebus绳槽是1种适合钢丝绳多层卷绕的绳槽型式,该公司提出采用这种平行折线绳槽可以缠绕到50层,但并未见其详细绳槽及过渡装置的数据资料。

4.国内也对层间过渡装置做了较多的研究，彭霞在lebus绳槽基础上改进、设计出新的适合超深井提升的层间过渡装置，分析钢丝绳层间导向爬升时在平行段和折线段以及在卷筒两侧不同层的层间过渡位置的几何关系,并给出理论计算公式。龚宪生分别对螺旋绳槽和单、双过渡平行折线绳槽三种不同的绳槽和层间过渡装置的截面几何形状进行研究，并得到了截面的计算公式。牛岩军设计了1种基于高阶贝塞尔曲线的1～2层层间过渡装置,并分析计算了该层间过渡装置确保钢丝绳平稳层间过渡的有效性。胡水根、利歌等对2层和3层过渡装置进行了较为详细的几何推导，但是其数学推导过程未考虑绳槽深度，而且2～3层爬升结束后仍然会在挡绳板与第2层最后1圈钢丝绳的间隙中爬行，极易形成卡绳。但是其认为圈间过渡时的运动曲线与层间过渡相同，且并未详细分析钢丝绳在层间过渡时的运动状态。

5.综上可以看出，尽管超深矿井多层缠绕层间过渡装置国内外学者做了大量的研究，但存在层间过渡装置缠绕层数不多且层间过渡装置结构设计参数不足等问题。本文将在此基础上设计出一种可缠绕5层的超深矿井提升层间过渡装置，并分析提升钢丝绳在层间过渡装置上缠绕时各个阶段的运动过程，并给出确定其理论计算公式。

技术实现要素：

6.为了解决上述在超深矿井提升过程中钢丝绳缠绕层数不足及结构设计参数不足

等缺点，本发明涉及一种超深矿井提升机层间过渡装置可缠5层的结构设计方法。本发明首先设计新的可缠绕5层的凹面的层间过渡装置，在过渡过程中与其钢丝绳的接触都为面接触，减小过渡过程中局部压力，从而减小了钢丝绳的磨损延长钢丝绳寿命。其次，层间过渡装置中在3～4层和4～5层层间过渡装置同处于一个圆周的另一部分其它区域新增平衡块如图1所示，这样使得整个层间过渡装置质量分布均匀即使在高速、重载的情况下旋转也不会产生较大的振动。并且将以图的形式详细给出层间过渡过程的各个阶段。最后，以卷筒转动对应圆心角θ的变化为变量来计算3～4层和4～5层层间过渡装置随卷筒转动时钢丝绳在层间过渡段、支撑段和圈间过渡段的横向位移、径向位移及纵向位移的变化，来进一步描述钢丝绳在层间过渡块上的动态过程。

7.本发明介绍的超深矿井提升设备适用于井深超过1500m的超深矿井提升领域，由1图可知，新的多层缠绕层间过渡装置主要由层间过渡块、出绳口、平衡块、法兰盘组成，采用双过渡平行折线绳槽，包含两个折线区和两个直线区，如图2所示，a～b、d～e、f～g、k～l为折线区，b～d、e～a、g～k、l～f为直线区，出绳口位于法兰盘左侧，1～2层和3～4层层间过渡装置位于法兰盘右侧，2～3层和4～5层层间过渡装置位于法兰盘左侧，整体呈倒梯形。1～2层和3～4层层间过渡装置的径向半径之差与3～4层和4～5层层间过渡装置的径向半径之差相同，都为两层钢丝绳绳圈的厚度。其中a～b段为1～2层层间过渡装置的层间过渡段，b～d段为1～2层层间过渡装置的支撑段，d～e段为1～2层层间过渡装置的圈间过渡段，f～g段为2～3层层间过渡装置的层间过渡段，k～f段为2～3层层间过渡装置的支撑段，g～k段为2～3层层间过渡装置的圈间过渡段，同时a～b段也是3～4层层间过渡装置的层间过渡段，b～c段为3～4层层间过渡装置的支撑段，c～e段为为3～4层层间过渡装置的圈间过渡段，同时f～g段也是4～5层层间过渡装置的层间过渡段，g～i段为4～5层层间过渡装置的支撑段，i～k段为4～5层层间过渡装置的圈间过渡段。

8.1～2层和3～4层层间过渡过程描述

9.为了更清楚的描述提升钢丝绳在层间过渡装置上的动态过程，用数字代表各个截面，如下图3所示，当钢丝绳随着卷筒运动到图3截面1位置时，第1层最后一圈钢丝绳在卷筒绳槽中将继续随着卷筒的转动沿着绳槽运动，在此位置第3层最后一圈钢丝绳也没有开始3～4层层间过渡。当钢丝绳随着卷筒运动到截面2位置时，第1层最后一圈钢丝绳在引导装置的作用下上升到绳槽的顶部为后面1～2层层间过渡做准备，此位置第3层最后一圈钢丝绳与截面1位置时状态相同。当钢丝绳随着卷筒运动到截面3位置时，第1层最后一圈钢丝绳在1～2层层间过渡块的支撑下随着卷筒运动逐渐上升且层间过渡块的宽度减小为上升高度为钢丝绳的总高度为对应圆心角弧度为在此位置第3层最后一圈钢丝绳在3～4层层间过渡块的支撑下随着卷筒运动也逐渐上升且层间过渡块宽度增加上升高度为钢丝绳的总高度为对应圆心角弧度为当钢丝绳随着卷筒运动到截面4位置时，第1层最后一圈钢丝绳在1～2层层间过渡块的支撑下随着卷筒运动继续上升，直到钢丝绳上升到与第2层钢丝绳同一高度，此时过渡块的宽度减小为上升高度为钢丝绳的

总高度为对应的圆心角弧度为此位置第3层最后一圈钢丝绳在3～4层层间过渡块的支撑下随着卷筒的运动也逐渐上升，直到上升到与第4层钢丝绳同一高度并且此时层间过渡块的宽度增加到上升高度为钢丝绳的总高度为对应圆心角弧度为

10.2～3层和4～5层层间过渡过程的描述

11.当钢丝绳随卷筒运动到截面1’位置时，第2层最后一圈钢丝绳到达与第2层钢丝绳高度相同的支撑块处，在此位置第4层最后一圈钢丝绳还未开始进行4～5层层间过渡。当钢丝绳随卷筒运动到截面2’、3’、4’位置时，其第2层最后一圈钢丝绳的高度始终和保持不变，但支撑块的宽度由原来的0变为在上述3个位置处第4层最后一圈钢丝绳和位置1’时相同，都未开始进行4～5层层间过渡。当钢丝绳随卷筒运动到截面5’位置时，第2层最后一圈钢丝绳在2～3层层间过渡块的支撑下随着卷筒旋转逐渐上升，上升高度为此时钢丝绳总的高度为对应圆心角弧度为在此位置第4层最后一圈钢丝绳在4～5层层间过渡块的支撑下随着卷筒运动也逐渐上升且钢丝绳向2～3层层间过渡装置方向偏转上升高度为此时钢丝绳总的高度为对应圆心角弧度为当钢丝绳随卷筒运动到截面6’位置时，第2层最后一圈钢丝绳在2～3层层间过渡块的支撑下继续上升到与第3层钢丝绳高度相同，上升高度为此时钢丝绳总高度为对应圆心角弧度为在此位置第4层最后一圈钢丝绳在4～5层层间过渡块的支撑下逐渐上升到与第5层钢丝绳高度相同且钢丝绳向2～3层层间过渡装置方向偏转上升高度为此时钢丝绳总高度为对应圆心角弧度为当钢丝绳随卷筒运动到截面7’位置时，第2层最后一圈钢丝绳在2～3层层间过渡块的支撑下缓慢上升，上升高度为此时钢丝绳的总高度为对应圆心角弧度为在此位置第4层最后一层钢丝绳随着卷筒旋转进入到直线区，在直线区域内钢丝绳高度和第5层钢丝绳高度相同，其高度为对应圆心角弧度为当钢丝绳随卷筒运动到截面8’位置时，第2层最后一圈钢丝绳在2～3层圈间过渡块的支撑下开始缓慢上升，上升高度为此时钢丝绳的总高度为对应圆心角弧度为在此位置第4层最后一圈钢丝绳在4～5层圈间过渡块的支撑下开始缓慢上升，上升高度为此时钢丝绳的总高度为对应圆心角弧度为当钢丝绳随着卷筒运动到截面9’位置时，第2层最后一圈钢丝绳在2～3层圈间过渡块的支撑下缓慢爬升到第2层倒数第2圈钢丝绳顶部，上升高度为此时钢丝绳的总高度为

对应圆心角弧度为在此位置第4层最后一圈钢丝绳在4～5层圈间过渡块的支撑下缓慢上升到第4层倒数第2圈钢丝绳顶部，上升高度为此时钢丝绳的总高度为对应圆心角弧度为当钢丝绳随卷筒运动再次到截面1’位置时，第2～3层和4～5层层间过渡都已完成，钢丝绳将按一定的运动规律向1～2层和3～4层层间过渡装置一侧按一定规律缠绕。

附图说明

12.图1为本文发明设计的层间过渡装置总体布局平面展开图；

13.图2为本文发明设计的绳槽平面展开图；

14.图3为本文发明设计的1～2层和3～4层层间过渡过程截面图；

15.图4为本文发明设计的3～4层层间过渡截面图；

16.图5为本文发明设计的2～3层和4～5层层间过渡过程截面图；

17.图6为本文发明设计的4～5层层间过渡截面图；

18.图7为本文发明设计的1～2层和3～4层层间过渡装置层间过渡块和部分支撑块立体图；

19.图8为本文发明设计的1～2层和3～4层层间过渡装置部分支撑块和圈间过渡块立体图；

20.图9为本文发明设计的2～3层层间过渡装置层间过渡块和部分支撑块及4～5层整个层间过渡装置立体图；

21.图10为本文发明设计的2～3层层间过渡装置部分支撑块和圈间过渡块及4～5层平衡块立体图。技术特征：

1.一种超深矿井提升机层间过渡装置可缠5层的结构包括层间过渡块、出绳口、平衡块、法兰盘组成，采用双过渡平行折线绳槽，包含两个折线区和两个直线区，a～b、d～e、f～g、k～l为折线区，b～d、e～a、g～k、l～f为直线区，出绳口位于法兰盘左侧，1～2层和3～4层层间过渡装置位于法兰盘右侧，2～3层和4～5层层间过渡装置位于法兰盘左侧，整体呈倒梯形。1～2层和3～4层层间过渡装置的径向半径之差与3～4层和4～5层层间过渡装置的径向半径之差相同，都为两层钢丝绳绳圈的厚度。其中a～b段为1～2层层间过渡装置的层间过渡段，b～d段为1～2层层间过渡装置的支撑段，d～e段为1～2层层间过渡装置的圈间过渡段，f～g段为2～3层层间过渡装置的层间过渡段，k～f段为2～3层层间过渡装置的支撑段，g～k段为2～3层层间过渡装置的圈间过渡段，同时a～b段也是3～4层层间过渡装置的层间过渡段，b～c段为3～4层层间过渡装置的支撑段，c～e段为为3～4层层间过渡装置的圈间过渡段，同时f～g段也是4～5层层间过渡装置的层间过渡段，g～i段为4～5层层间过渡装置的支撑段，i～k段为4～5层层间过渡装置的圈间过渡段。2.根据权利1要求所述的超深矿井提升机层间过渡装置可缠5层的结构设计方法，其特征在于所述3～4层层间过渡装置和4～5层层间过渡装置均为新增层间过渡装置且钢丝绳与过渡块的接触都为面接触。3.根据权利2要求所述的超深矿井提升机层间过渡装置可缠5层的结构设计方法，其特征在于与3～4层和4～5层层间过渡装置同处于一个圆周的其它区域新增平衡块。4.根据权利3要求所述一种超深矿井提升机层间过渡装置可缠5层的结构设计方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：为了便于理解，现将本文计算所用参量符号列表如表1所示。表1本文公式符号表1本文公式符号一、3～4层层间过渡装置的设计(1)将3～4层层间过渡装置分为层间过渡块、支撑块和圈间过渡块，其中：层间过渡块对应a～b位置,支撑块对应b～c位置,圈间过渡块对应c～e位置。(2)第3层最后一圈钢丝绳在a～b段沿着层间过渡块上升完成层间过渡，上升过程中卷

筒转过的圆心角为γ，卷筒转过的角度范围为：0≤θ≤γ；相应的在层间过渡过程中卷筒转过的角度δθ为：δθ＝γ；第3层最后一圈钢丝绳完成层间过渡，其在卷筒轴向发生了位移，则横向位移为：其中，d—过渡块上钢丝绳直径在层间过渡块上第3层最后一圈钢丝绳不仅在卷筒轴向发生位移而且在卷筒径向也发生位移，所以钢丝绳也存在径向位移，由于此处设计的是3～4层层间过渡，因此钢丝绳总的径向位移为：s

r

＝3h1；由几何关系得：即则在层间过渡段也存在纵向位移s

f

(θ)，卷筒的等效缠绕半径为：(θ)，卷筒的等效缠绕半径为：其中，r—卷筒直径在a～b层间过渡段第3层最后一圈钢丝绳在过渡块上缠绕的长度δs1(θ)为：在3～4层层间过渡过程中第3层最后一圈钢丝绳缠绕的总长度s(θ)为：(3)当第3层最后一圈钢丝绳在a～b段完成层间过渡的上升阶段后进入到支撑段b～c完成直线过渡，在此过程中卷筒上钢丝绳在卷筒轴向、径向及钢丝绳轴向方向上都没有发生位移，因此，直线过渡区过渡块上钢丝绳的横向、径向及纵向位移都为0，直线过渡区卷筒角度行程区间为：在此过程中卷筒转过的角度δθ为：蔫＝θ

?

？；在直线过渡区过渡块上第3层最后一圈钢丝绳缠绕长度δs2为：则第3层最后一圈钢丝绳在过渡块上的总行程s(θ)为：

(4)当第3层最后一圈钢丝绳在b～c段完成直线过渡后进入到圈间过渡段c～e完成圈间过渡，在圈间过渡段过渡块上第3层最后一圈钢丝绳由原来直线过渡区与第4层高度相同逐渐上升到第3层倒数第2圈钢丝绳最顶部，其上升高度为h2，在圈间过渡段卷筒的角度行程区间为：在圈间过渡过程中卷筒转过的角度δθ为：由于圈间过渡过程中过渡块上第3层最后一圈钢丝绳又反向沿着卷筒轴向运动了因此，在此过程中钢丝绳的横向位移为：但在3～4层层间过渡的过程中整体来看过渡块上第3层最后一圈钢丝绳没有发生横向位移。第3层最后一圈钢丝绳由位置c运动到位置e的过程中由于在卷筒径向发生了位移，则过渡块上钢丝绳的径向位移s

r

(θ)为：其中，由几何关系得：在此过程中过渡块上第3层最后一圈钢丝绳沿着钢丝绳轴向方向也发生了位移，钢丝绳的纵向位移s

f

(θ)为：在圈间过渡的过程中过渡块上第3层最后一圈钢丝绳缠绕长度δs3(θ)为：因此，在3～4层层间过渡过程中整个过渡块上第3层最后一圈钢丝绳缠绕的总长度s(θ)为：

二、4～5层层间过渡装置的设计(1)将4～5层层间过渡装置分为层间过渡块、支撑块和圈间过渡块，其中：层间过渡块对应f～g位置,支撑块对应g～i位置,圈间过渡块对应i～k位置。(2)第4层最后一圈钢丝绳在f～g段沿着层间过渡块上升完成层间过渡，上升过程中卷筒转过的圆心角为γ，卷筒转过的角度范围为：0≤θ≤γ；相应的在层间过渡过程中卷筒转过的角度δθ为：δθ＝θ；第4层最后一圈钢丝绳完成层间过渡，其在卷筒轴向发生了位移，则横向位移为：在层间过渡段过渡块上第4层最后一圈钢丝绳不仅在卷筒轴向发生位移而且在卷筒径向也发生位移，所以钢丝绳也存在径向位移，由于此处设计的是4～5层层间过渡，因此钢丝绳总的径向位移为：s

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＝4h1；由几何关系得：即在层间过渡段也存在纵向位移s

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(θ)，卷筒的等效缠绕半径为(θ)，卷筒的等效缠绕半径为在f～g层间过渡段第4层最后一圈钢丝绳在过渡块上缠绕的长度δs1(θ)为:在4～5层层间过渡过程中第4层最后一圈钢丝绳缠绕的总长度s(θ)为：(3)当第4层最后一圈钢丝绳在f～g段完成层间过渡的上升阶段后进入到支撑段g～i完成直线过渡，在此过程中卷筒上钢丝绳在卷筒轴向、径向及钢丝绳轴向方向上都没有发生位移，因此，直线过渡区过渡块上钢丝绳的横向、径向及纵向位移都为0，直线过渡区卷筒角度行程区间为：

在此过程中卷筒转过的角度δθ为：δθ＝θ

?

γ；在直线过渡区过渡块上第4层最后一圈钢丝绳缠绕长度δs2为：则第4层最后一圈钢丝绳在过渡块上的总行程s(θ)为：(4)当第4层最后一圈钢丝绳在g～i段完成直线过渡后进入到圈间过渡段i～k完成圈间过渡，在圈间过渡段过渡块上第4层最后一圈钢丝绳由原来直线过渡区与第5层高度相同逐渐上升到第4层倒数第2圈钢丝绳最顶部，其上升高度为h2，在圈间过渡段卷筒的角度行程区间为：在圈间过渡过程中卷筒转过的角度δθ为：由于圈间过渡过程中过渡块上第4层最后一圈钢丝绳又反向沿着卷筒轴向运动了因此，在此过程中钢丝绳的横向位移为：但在4～5层层间过渡的过程中整体来看过渡块上第4层最后一圈钢丝绳没有发生横向位移。第4层最后一圈钢丝绳由位置i运动到位置k的过程中在卷筒径向发生了位移，则过渡块上钢丝绳的径向位移s

r

(θ)为：其中，由几何关系得：在此过程中过渡块上第4层最后一圈钢丝绳沿着钢丝绳轴向方向也发生了位移，钢丝绳的纵向位移s

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(θ)为：

在圈间过渡的过程中过渡块上第4层最后一圈钢丝绳缠绕长度δs3(θ)为：因此，在4～5层层间过渡过程中整个过渡块上第4层最后一圈钢丝绳缠绕的总长度s(θ)为：。

技术总结

本发明公开了一种超深矿井提升机层间过渡装置可缠5层的结构设计方法，所述方法首先将原来最多能缠绕3层的层间过渡装置改为能缠绕5层的凹状面层间过渡装置，进而增加缠绕层数增大提升深度。其次，与3～4层和4～5层层间过渡装置同处于一个圆周的其它区域新增平衡块，这样可以避免超深矿井提升机因质量分布不均匀在惯性的作用下使得整个提升系统产生振动，得到一套钢丝绳在层间过渡装置上各个阶段的横向、径向及纵向位移公式。本发明设计的层间过渡装置可以使缠绕式超深矿井提升机在高速、重载和超深的运行条件下，保证提升系统能顺利缠绕到5层，钢丝绳磨损小且过渡平稳。钢丝绳磨损小且过渡平稳。钢丝绳磨损小且过渡平稳。

技术研发人员：彭霞冯迎洲张立新

受保护的技术使用者：石河子大学

技术研发日：2021.10.12

技术公布日：2021/12/7

声明：

“超深矿井提升机层间过渡装置可缠5层的结构设计方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。

我是此专利(论文)的发明人(作者)