1.本發(fā)明涉及一種超深礦井提升機層間過渡裝置可纏5層的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

背景技術(shù)：

2.礦山行業(yè)內(nèi)以深度超過1500m的礦井屬于超深礦井。在超深礦井提升中大多都是通過卷筒的轉(zhuǎn)動來帶動鋼絲繩纏繞實現(xiàn)提升，多層纏繞提升鋼絲繩在纏繞靠近卷筒兩邊的擋繩板時需要借助層間過渡裝置實現(xiàn)鋼絲繩的爬升和換向。如果在卷筒兩側(cè)靠近法蘭盤的位置不安裝結(jié)構(gòu)合理的層間過渡裝置引導(dǎo)過渡，鋼絲繩在過渡時會受到由高速、重載帶來的嚴重沖擊、振動從而引起鋼絲繩的磨損和卡繩，在此過程中還會影響鋼絲繩排繩的平穩(wěn)性，甚至?xí)绊懻麄€提升系統(tǒng)的壽命，因此，設(shè)計研究結(jié)構(gòu)合理的層間過渡裝置是很有必要的。

3.過去國內(nèi)外對超深礦井層間過渡裝置做了大量的探索和研究，但到目前為止，還未看到從理論到實踐較為理想的層間過渡裝置的詳細資料。wieschel申請了專利“帶階梯法蘭盤的纏繞卷筒”，并提出了低速輕載運行狀態(tài)下鋼絲繩層間過渡裝置的布置形式甚至稱鋼絲繩在卷筒上可以纏繞6層以上甚至更多，但并未給出具體的設(shè)計計算過程。н.н.фидровская介紹了在平行折線繩槽卷筒兩側(cè)添加過渡塊來輔助鋼絲繩過渡，但并未給出過渡塊的具體尺寸和詳細的計算過程。lebus繩槽是1種適合鋼絲繩多層卷繞的繩槽型式,該公司提出采用這種平行折線繩槽可以纏繞到50層,但并未見其詳細繩槽及過渡裝置的數(shù)據(jù)資料。

4.國內(nèi)也對層間過渡裝置做了較多的研究，彭霞在lebus繩槽基礎(chǔ)上改進、設(shè)計出新的適合超深井提升的層間過渡裝置，分析鋼絲繩層間導(dǎo)向爬升時在平行段和折線段以及在卷筒兩側(cè)不同層的層間過渡位置的幾何關(guān)系,并給出理論計算公式。龔憲生分別對螺旋繩槽和單、雙過渡平行折線繩槽三種不同的繩槽和層間過渡裝置的截面幾何形狀進行研究，并得到了截面的計算公式。牛巖軍設(shè)計了1種基于高階貝塞爾曲線的1～2層層間過渡裝置,并分析計算了該層間過渡裝置確保鋼絲繩平穩(wěn)層間過渡的有效性。胡水根、利歌等對2層和3層過渡裝置進行了較為詳細的幾何推導(dǎo)，但是其數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程未考慮繩槽深度，而且2～3層爬升結(jié)束后仍然會在擋繩板與第2層最后1圈鋼絲繩的間隙中爬行，極易形成卡繩。但是其認為圈間過渡時的運動曲線與層間過渡相同，且并未詳細分析鋼絲繩在層間過渡時的運動狀態(tài)。

5.綜上可以看出，盡管超深礦井多層纏繞層間過渡裝置國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，但存在層間過渡裝置纏繞層數(shù)不多且層間過渡裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)不足等問題。本文將在此基礎(chǔ)上設(shè)計出一種可纏繞5層的超深礦井提升層間過渡裝置，并分析提升鋼絲繩在層間過渡裝置上纏繞時各個階段的運動過程，并給出確定其理論計算公式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

6.為了解決上述在超深礦井提升過程中鋼絲繩纏繞層數(shù)不足及結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)不足

等缺點，本發(fā)明涉及一種超深礦井提升機層間過渡裝置可纏5層的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。本發(fā)明首先設(shè)計新的可纏繞5層的凹面的層間過渡裝置，在過渡過程中與其鋼絲繩的接觸都為面接觸，減小過渡過程中局部壓力，從而減小了鋼絲繩的磨損延長鋼絲繩壽命。其次，層間過渡裝置中在3～4層和4～5層層間過渡裝置同處于一個圓周的另一部分其它區(qū)域新增平衡塊如圖1所示，這樣使得整個層間過渡裝置質(zhì)量分布均勻即使在高速、重載的情況下旋轉(zhuǎn)也不會產(chǎn)生較大的振動。并且將以圖的形式詳細給出層間過渡過程的各個階段。最后，以卷筒轉(zhuǎn)動對應(yīng)圓心角θ的變化為變量來計算3～4層和4～5層層間過渡裝置隨卷筒轉(zhuǎn)動時鋼絲繩在層間過渡段、支撐段和圈間過渡段的橫向位移、徑向位移及縱向位移的變化，來進一步描述鋼絲繩在層間過渡塊上的動態(tài)過程。

7.本發(fā)明介紹的超深礦井提升設(shè)備適用于井深超過1500m的超深礦井提升領(lǐng)域，由1圖可知，新的多層纏繞層間過渡裝置主要由層間過渡塊、出繩口、平衡塊、法蘭盤組成，采用雙過渡平行折線繩槽，包含兩個折線區(qū)和兩個直線區(qū)，如圖2所示，a～b、d～e、f～g、k～l為折線區(qū)，b～d、e～a、g～k、l～f為直線區(qū)，出繩口位于法蘭盤左側(cè)，1～2層和3～4層層間過渡裝置位于法蘭盤右側(cè)，2～3層和4～5層層間過渡裝置位于法蘭盤左側(cè)，整體呈倒梯形。1～2層和3～4層層間過渡裝置的徑向半徑之差與3～4層和4～5層層間過渡裝置的徑向半徑之差相同，都為兩層鋼絲繩繩圈的厚度。其中a～b段為1～2層層間過渡裝置的層間過渡段，b～d段為1～2層層間過渡裝置的支撐段，d～e段為1～2層層間過渡裝置的圈間過渡段，f～g段為2～3層層間過渡裝置的層間過渡段，k～f段為2～3層層間過渡裝置的支撐段，g～k段為2～3層層間過渡裝置的圈間過渡段，同時a～b段也是3～4層層間過渡裝置的層間過渡段，b～c段為3～4層層間過渡裝置的支撐段，c～e段為為3～4層層間過渡裝置的圈間過渡段，同時f～g段也是4～5層層間過渡裝置的層間過渡段，g～i段為4～5層層間過渡裝置的支撐段，i～k段為4～5層層間過渡裝置的圈間過渡段。

8.1～2層和3～4層層間過渡過程描述

9.為了更清楚的描述提升鋼絲繩在層間過渡裝置上的動態(tài)過程，用數(shù)字代表各個截面，如下圖3所示，當鋼絲繩隨著卷筒運動到圖3截面1位置時，第1層最后一圈鋼絲繩在卷筒繩槽中將繼續(xù)隨著卷筒的轉(zhuǎn)動沿著繩槽運動，在此位置第3層最后一圈鋼絲繩也沒有開始3～4層層間過渡。當鋼絲繩隨著卷筒運動到截面2位置時，第1層最后一圈鋼絲繩在引導(dǎo)裝置的作用下上升到繩槽的頂部為后面1～2層層間過渡做準備，此位置第3層最后一圈鋼絲繩與截面1位置時狀態(tài)相同。當鋼絲繩隨著卷筒運動到截面3位置時，第1層最后一圈鋼絲繩在1～2層層間過渡塊的支撐下隨著卷筒運動逐漸上升且層間過渡塊的寬度減小為上升高度為鋼絲繩的總高度為對應(yīng)圓心角弧度為在此位置第3層最后一圈鋼絲繩在3～4層層間過渡塊的支撐下隨著卷筒運動也逐漸上升且層間過渡塊寬度增加上升高度為鋼絲繩的總高度為對應(yīng)圓心角弧度為當鋼絲繩隨著卷筒運動到截面4位置時，第1層最后一圈鋼絲繩在1～2層層間過渡塊的支撐下隨著卷筒運動繼續(xù)上升，直到鋼絲繩上升到與第2層鋼絲繩同一高度，此時過渡塊的寬度減小為上升高度為鋼絲繩的

總高度為對應(yīng)的圓心角弧度為此位置第3層最后一圈鋼絲繩在3～4層層間過渡塊的支撐下隨著卷筒的運動也逐漸上升，直到上升到與第4層鋼絲繩同一高度并且此時層間過渡塊的寬度增加到上升高度為鋼絲繩的總高度為對應(yīng)圓心角弧度為

10.2～3層和4～5層層間過渡過程的描述

11.當鋼絲繩隨卷筒運動到截面1’位置時，第2層最后一圈鋼絲繩到達與第2層鋼絲繩高度相同的支撐塊處，在此位置第4層最后一圈鋼絲繩還未開始進行4～5層層間過渡。當鋼絲繩隨卷筒運動到截面2’、3’、4’位置時，其第2層最后一圈鋼絲繩的高度始終和保持不變，但支撐塊的寬度由原來的0變?yōu)樵谏鲜?個位置處第4層最后一圈鋼絲繩和位置1’時相同，都未開始進行4～5層層間過渡。當鋼絲繩隨卷筒運動到截面5’位置時，第2層最后一圈鋼絲繩在2～3層層間過渡塊的支撐下隨著卷筒旋轉(zhuǎn)逐漸上升，上升高度為此時鋼絲繩總的高度為對應(yīng)圓心角弧度為在此位置第4層最后一圈鋼絲繩在4～5層層間過渡塊的支撐下隨著卷筒運動也逐漸上升且鋼絲繩向2～3層層間過渡裝置方向偏轉(zhuǎn)上升高度為此時鋼絲繩總的高度為對應(yīng)圓心角弧度為當鋼絲繩隨卷筒運動到截面6’位置時，第2層最后一圈鋼絲繩在2～3層層間過渡塊的支撐下繼續(xù)上升到與第3層鋼絲繩高度相同，上升高度為此時鋼絲繩總高度為對應(yīng)圓心角弧度為在此位置第4層最后一圈鋼絲繩在4～5層層間過渡塊的支撐下逐漸上升到與第5層鋼絲繩高度相同且鋼絲繩向2～3層層間過渡裝置方向偏轉(zhuǎn)上升高度為此時鋼絲繩總高度為對應(yīng)圓心角弧度為當鋼絲繩隨卷筒運動到截面7’位置時，第2層最后一圈鋼絲繩在2～3層層間過渡塊的支撐下緩慢上升，上升高度為此時鋼絲繩的總高度為對應(yīng)圓心角弧度為在此位置第4層最后一層鋼絲繩隨著卷筒旋轉(zhuǎn)進入到直線區(qū)，在直線區(qū)域內(nèi)鋼絲繩高度和第5層鋼絲繩高度相同，其高度為對應(yīng)圓心角弧度為當鋼絲繩隨卷筒運動到截面8’位置時，第2層最后一圈鋼絲繩在2～3層圈間過渡塊的支撐下開始緩慢上升，上升高度為此時鋼絲繩的總高度為對應(yīng)圓心角弧度為在此位置第4層最后一圈鋼絲繩在4～5層圈間過渡塊的支撐下開始緩慢上升，上升高度為此時鋼絲繩的總高度為對應(yīng)圓心角弧度為當鋼絲繩隨著卷筒運動到截面9’位置時，第2層最后一圈鋼絲繩在2～3層圈間過渡塊的支撐下緩慢爬升到第2層倒數(shù)第2圈鋼絲繩頂部，上升高度為此時鋼絲繩的總高度為

對應(yīng)圓心角弧度為在此位置第4層最后一圈鋼絲繩在4～5層圈間過渡塊的支撐下緩慢上升到第4層倒數(shù)第2圈鋼絲繩頂部，上升高度為此時鋼絲繩的總高度為對應(yīng)圓心角弧度為當鋼絲繩隨卷筒運動再次到截面1’位置時，第2～3層和4～5層層間過渡都已完成，鋼絲繩將按一定的運動規(guī)律向1～2層和3～4層層間過渡裝置一側(cè)按一定規(guī)律纏繞。

附圖說明

12.圖1為本文發(fā)明設(shè)計的層間過渡裝置總體布局平面展開圖；

13.圖2為本文發(fā)明設(shè)計的繩槽平面展開圖；

14.圖3為本文發(fā)明設(shè)計的1～2層和3～4層層間過渡過程截面圖；

15.圖4為本文發(fā)明設(shè)計的3～4層層間過渡截面圖；

16.圖5為本文發(fā)明設(shè)計的2～3層和4～5層層間過渡過程截面圖；

17.圖6為本文發(fā)明設(shè)計的4～5層層間過渡截面圖；

18.圖7為本文發(fā)明設(shè)計的1～2層和3～4層層間過渡裝置層間過渡塊和部分支撐塊立體圖；

19.圖8為本文發(fā)明設(shè)計的1～2層和3～4層層間過渡裝置部分支撐塊和圈間過渡塊立體圖；

20.圖9為本文發(fā)明設(shè)計的2～3層層間過渡裝置層間過渡塊和部分支撐塊及4～5層整個層間過渡裝置立體圖；

21.圖10為本文發(fā)明設(shè)計的2～3層層間過渡裝置部分支撐塊和圈間過渡塊及4～5層平衡塊立體圖。技術(shù)特征：

1.一種超深礦井提升機層間過渡裝置可纏5層的結(jié)構(gòu)包括層間過渡塊、出繩口、平衡塊、法蘭盤組成，采用雙過渡平行折線繩槽，包含兩個折線區(qū)和兩個直線區(qū)，a～b、d～e、f～g、k～l為折線區(qū)，b～d、e～a、g～k、l～f為直線區(qū)，出繩口位于法蘭盤左側(cè)，1～2層和3～4層層間過渡裝置位于法蘭盤右側(cè)，2～3層和4～5層層間過渡裝置位于法蘭盤左側(cè)，整體呈倒梯形。1～2層和3～4層層間過渡裝置的徑向半徑之差與3～4層和4～5層層間過渡裝置的徑向半徑之差相同，都為兩層鋼絲繩繩圈的厚度。其中a～b段為1～2層層間過渡裝置的層間過渡段，b～d段為1～2層層間過渡裝置的支撐段，d～e段為1～2層層間過渡裝置的圈間過渡段，f～g段為2～3層層間過渡裝置的層間過渡段，k～f段為2～3層層間過渡裝置的支撐段，g～k段為2～3層層間過渡裝置的圈間過渡段，同時a～b段也是3～4層層間過渡裝置的層間過渡段，b～c段為3～4層層間過渡裝置的支撐段，c～e段為為3～4層層間過渡裝置的圈間過渡段，同時f～g段也是4～5層層間過渡裝置的層間過渡段，g～i段為4～5層層間過渡裝置的支撐段，i～k段為4～5層層間過渡裝置的圈間過渡段。2.根據(jù)權(quán)利1要求所述的超深礦井提升機層間過渡裝置可纏5層的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于所述3～4層層間過渡裝置和4～5層層間過渡裝置均為新增層間過渡裝置且鋼絲繩與過渡塊的接觸都為面接觸。3.根據(jù)權(quán)利2要求所述的超深礦井提升機層間過渡裝置可纏5層的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于與3～4層和4～5層層間過渡裝置同處于一個圓周的其它區(qū)域新增平衡塊。4.根據(jù)權(quán)利3要求所述一種超深礦井提升機層間過渡裝置可纏5層的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于所述方法包括如下步驟：為了便于理解，現(xiàn)將本文計算所用參量符號列表如表1所示。表1本文公式符號表1本文公式符號一、3～4層層間過渡裝置的設(shè)計(1)將3～4層層間過渡裝置分為層間過渡塊、支撐塊和圈間過渡塊，其中：層間過渡塊對應(yīng)a～b位置,支撐塊對應(yīng)b～c位置,圈間過渡塊對應(yīng)c～e位置。(2)第3層最后一圈鋼絲繩在a～b段沿著層間過渡塊上升完成層間過渡，上升過程中卷

筒轉(zhuǎn)過的圓心角為γ，卷筒轉(zhuǎn)過的角度范圍為：0≤θ≤γ；相應(yīng)的在層間過渡過程中卷筒轉(zhuǎn)過的角度δθ為：δθ＝γ；第3層最后一圈鋼絲繩完成層間過渡，其在卷筒軸向發(fā)生了位移，則橫向位移為：其中，d—過渡塊上鋼絲繩直徑在層間過渡塊上第3層最后一圈鋼絲繩不僅在卷筒軸向發(fā)生位移而且在卷筒徑向也發(fā)生位移，所以鋼絲繩也存在徑向位移，由于此處設(shè)計的是3～4層層間過渡，因此鋼絲繩總的徑向位移為：s

r

＝3h1；由幾何關(guān)系得：即則在層間過渡段也存在縱向位移s

f

(θ)，卷筒的等效纏繞半徑為：(θ)，卷筒的等效纏繞半徑為：其中，r—卷筒直徑在a～b層間過渡段第3層最后一圈鋼絲繩在過渡塊上纏繞的長度δs1(θ)為：在3～4層層間過渡過程中第3層最后一圈鋼絲繩纏繞的總長度s(θ)為：(3)當?shù)?層最后一圈鋼絲繩在a～b段完成層間過渡的上升階段后進入到支撐段b～c完成直線過渡，在此過程中卷筒上鋼絲繩在卷筒軸向、徑向及鋼絲繩軸向方向上都沒有發(fā)生位移，因此，直線過渡區(qū)過渡塊上鋼絲繩的橫向、徑向及縱向位移都為0，直線過渡區(qū)卷筒角度行程區(qū)間為：在此過程中卷筒轉(zhuǎn)過的角度δθ為：蔫＝θ

?

？；在直線過渡區(qū)過渡塊上第3層最后一圈鋼絲繩纏繞長度δs2為：則第3層最后一圈鋼絲繩在過渡塊上的總行程s(θ)為：

(4)當?shù)?層最后一圈鋼絲繩在b～c段完成直線過渡后進入到圈間過渡段c～e完成圈間過渡，在圈間過渡段過渡塊上第3層最后一圈鋼絲繩由原來直線過渡區(qū)與第4層高度相同逐漸上升到第3層倒數(shù)第2圈鋼絲繩最頂部，其上升高度為h2，在圈間過渡段卷筒的角度行程區(qū)間為：在圈間過渡過程中卷筒轉(zhuǎn)過的角度δθ為：由于圈間過渡過程中過渡塊上第3層最后一圈鋼絲繩又反向沿著卷筒軸向運動了因此，在此過程中鋼絲繩的橫向位移為：但在3～4層層間過渡的過程中整體來看過渡塊上第3層最后一圈鋼絲繩沒有發(fā)生橫向位移。第3層最后一圈鋼絲繩由位置c運動到位置e的過程中由于在卷筒徑向發(fā)生了位移，則過渡塊上鋼絲繩的徑向位移s

r

(θ)為：其中，由幾何關(guān)系得：在此過程中過渡塊上第3層最后一圈鋼絲繩沿著鋼絲繩軸向方向也發(fā)生了位移，鋼絲繩的縱向位移s

f

(θ)為：在圈間過渡的過程中過渡塊上第3層最后一圈鋼絲繩纏繞長度δs3(θ)為：因此，在3～4層層間過渡過程中整個過渡塊上第3層最后一圈鋼絲繩纏繞的總長度s(θ)為：

二、4～5層層間過渡裝置的設(shè)計(1)將4～5層層間過渡裝置分為層間過渡塊、支撐塊和圈間過渡塊，其中：層間過渡塊對應(yīng)f～g位置,支撐塊對應(yīng)g～i位置,圈間過渡塊對應(yīng)i～k位置。(2)第4層最后一圈鋼絲繩在f～g段沿著層間過渡塊上升完成層間過渡，上升過程中卷筒轉(zhuǎn)過的圓心角為γ，卷筒轉(zhuǎn)過的角度范圍為：0≤θ≤γ；相應(yīng)的在層間過渡過程中卷筒轉(zhuǎn)過的角度δθ為：δθ＝θ；第4層最后一圈鋼絲繩完成層間過渡，其在卷筒軸向發(fā)生了位移，則橫向位移為：在層間過渡段過渡塊上第4層最后一圈鋼絲繩不僅在卷筒軸向發(fā)生位移而且在卷筒徑向也發(fā)生位移，所以鋼絲繩也存在徑向位移，由于此處設(shè)計的是4～5層層間過渡，因此鋼絲繩總的徑向位移為：s

r

＝4h1；由幾何關(guān)系得：即在層間過渡段也存在縱向位移s

f

(θ)，卷筒的等效纏繞半徑為(θ)，卷筒的等效纏繞半徑為在f～g層間過渡段第4層最后一圈鋼絲繩在過渡塊上纏繞的長度δs1(θ)為:在4～5層層間過渡過程中第4層最后一圈鋼絲繩纏繞的總長度s(θ)為：(3)當?shù)?層最后一圈鋼絲繩在f～g段完成層間過渡的上升階段后進入到支撐段g～i完成直線過渡，在此過程中卷筒上鋼絲繩在卷筒軸向、徑向及鋼絲繩軸向方向上都沒有發(fā)生位移，因此，直線過渡區(qū)過渡塊上鋼絲繩的橫向、徑向及縱向位移都為0，直線過渡區(qū)卷筒角度行程區(qū)間為：

在此過程中卷筒轉(zhuǎn)過的角度δθ為：δθ＝θ

?

γ；在直線過渡區(qū)過渡塊上第4層最后一圈鋼絲繩纏繞長度δs2為：則第4層最后一圈鋼絲繩在過渡塊上的總行程s(θ)為：(4)當?shù)?層最后一圈鋼絲繩在g～i段完成直線過渡后進入到圈間過渡段i～k完成圈間過渡，在圈間過渡段過渡塊上第4層最后一圈鋼絲繩由原來直線過渡區(qū)與第5層高度相同逐漸上升到第4層倒數(shù)第2圈鋼絲繩最頂部，其上升高度為h2，在圈間過渡段卷筒的角度行程區(qū)間為：在圈間過渡過程中卷筒轉(zhuǎn)過的角度δθ為：由于圈間過渡過程中過渡塊上第4層最后一圈鋼絲繩又反向沿著卷筒軸向運動了因此，在此過程中鋼絲繩的橫向位移為：但在4～5層層間過渡的過程中整體來看過渡塊上第4層最后一圈鋼絲繩沒有發(fā)生橫向位移。第4層最后一圈鋼絲繩由位置i運動到位置k的過程中在卷筒徑向發(fā)生了位移，則過渡塊上鋼絲繩的徑向位移s

r

(θ)為：其中，由幾何關(guān)系得：在此過程中過渡塊上第4層最后一圈鋼絲繩沿著鋼絲繩軸向方向也發(fā)生了位移，鋼絲繩的縱向位移s

f

(θ)為：

在圈間過渡的過程中過渡塊上第4層最后一圈鋼絲繩纏繞長度δs3(θ)為：因此，在4～5層層間過渡過程中整個過渡塊上第4層最后一圈鋼絲繩纏繞的總長度s(θ)為：。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種超深礦井提升機層間過渡裝置可纏5層的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，所述方法首先將原來最多能纏繞3層的層間過渡裝置改為能纏繞5層的凹狀面層間過渡裝置，進而增加纏繞層數(shù)增大提升深度。其次，與3～4層和4～5層層間過渡裝置同處于一個圓周的其它區(qū)域新增平衡塊，這樣可以避免超深礦井提升機因質(zhì)量分布不均勻在慣性的作用下使得整個提升系統(tǒng)產(chǎn)生振動，得到一套鋼絲繩在層間過渡裝置上各個階段的橫向、徑向及縱向位移公式。本發(fā)明設(shè)計的層間過渡裝置可以使纏繞式超深礦井提升機在高速、重載和超深的運行條件下，保證提升系統(tǒng)能順利纏繞到5層，鋼絲繩磨損小且過渡平穩(wěn)。鋼絲繩磨損小且過渡平穩(wěn)。鋼絲繩磨損小且過渡平穩(wěn)。

技術(shù)研發(fā)人員：彭霞 馮迎洲 張立新

受保護的技術(shù)使用者：石河子大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2021.10.12

技術(shù)公布日：2021/12/7