井筒装备安装提升系统可靠性分析

摘要 本文对立井井筒装备安装施工中采用的提升系统进行了吊盘受力分析和工作可靠性分析，并给出了提高可靠度的方法。

关键词 井筒装备 提升系统吊盘可靠性

中图分类号：TD262文献标识码： A

1、概况

新疆准东二矿副井井筒直径为9.5m，井深为545 m，提升高度为515m。副井井塔设计为多层钢筋砼结构，总高度为50.2m。副井提升为宽、交通罐笼双提升系统。井筒装备安装中提升系统需要现场制作工作平台，即吊盘。工作平台为六层，一至三层为圆盘，四、五层为方盘，六层盘为软盘。采取从下往上进行施工的施工步骤，包括井筒底部操车装备及套架安装，井筒装备标准段安装，井塔内套架及设备安装。

提升平台的设备选型如下：

提升机型号：JKZ-2.5×2.2E1台，编号C1提升吊桶

凿井稳车：JZ-25/1300 4台，编号C2-1～4悬吊吊盘

JZ－10/800 2台，编号C3-1～2稳吊桶

JZ-16/1000 1台，编号C4吊装大型构件

2、提升系统吊盘平台受力计算

在提升系统吊盘工作期间，用JKZ-2.5*2.2E提升机提升人员、物料，提升容器为1.5m3吊桶，并布置2台JZ-10/800凿井绞车悬吊2根稳绳。提升吊盘选用4台JZ-25/1300稳车,大平衡锤和小罐笼、小平衡锤罐道、管路下放选用1台JZ-16/1000型凿井绞车。吊盘凿井绞车采用集中控制方式及就地控制两种方式。

2.1系统提升钢丝绳选择计算

悬吊钢丝绳终端载荷Q0

Q0=W2/N= 30/4=7.5t

其中W2: 悬吊设备载荷，W2=吊盘重量+人员设备＋材料=30t；

N:悬吊同一设备的钢丝绳数,N=4。

钢丝绳单位长度最小允许重量Ps（kg/m），

Ps=Q0/（-H0）=7500/（-589.5）=3.034kg/m

其中H0：由井内设备悬吊点与天轮相切点之间的垂高,H0=589.5m；

σB：钢丝绳钢丝的抗拉极限强度/MPa, σB =1670 MPa；

ma:钢丝绳的安全系数,悬吊吊盘时ma ≥6。

选择钢丝绳18*7S+FC-1670-Ф42 PSB=6.54kg/m

PSBPS

PSB:每米钢丝绳标准重量kg/m

按钢丝绳安全系数校核悬吊钢丝绳

m==≈8.68＞６

QP:选定钢丝绳的所有钢丝破断力总和，取972.14KN。

2.2天轮直径校核

天轮直径D1为Φ1000mm,导向轮直径D2为Φ1000mm，滚筒绕绳部分最小直径D3为Φ1300mm，钢丝绳直径d为42mm。

D1/d=23.8>20

D2/d=23.8>20

D3/d=30.9>20

《煤矿安全规程》要求立井提升系统D/d>20，符合规定。

2.3吊盘轴强度校核

吊盘轴直径为80㎜，材料为Q235钢，两支点中心间距100㎜。其许用应力[σ]= 40 Mpa、许应剪应力[τ]= 24.7 MPa

最大弯矩为：Mmax = Sf(L/2-b/4)/2 N·m

其中 钢丝绳受力 Sf = 300000/4=75000 N

L = a+b

a=40mm

b=60mm

Mmax＝75000×(50-15)/2=1312. 5 N·m

弯曲应力σ=Mmax/Wz=106·1312.5/50.27=26.1MPa＜[σ]

剪应力τ = Sf /2A

= 75000/(2*3.14*0.08*0.08/4)

= 18. 8 MPa＜ [τ]

故吊盘轴安全。

2.4吊盘立柱截面抗拉应力验算

工字钢Q235钢屈服极限σs=235N/mm2，立柱为I25b，立柱截面：A=53.51 cm2，立柱截面最大受力:Nz=75000N截面削弱系数:C=0.9,不平衡系数k1=1.1，k2=1.2。

立柱截面受拉承载力：σ1= N1/CA，

σz=Nz/CA=75000/（0.9×53.51）=1557.3N/cm2=15.573 MPa

安全系数：σs/kσz=235/(1.1×1.2×15.573)=11.42>10 满足要求。（《煤矿安全规程》2011版提升人时安全系数大于10）

2.5吊盘立柱连接螺栓截面许用应力验算

立柱连接螺栓为8.8级高强螺栓M2410条, 不平衡系数k1=1.1，k2=1.2。

每条螺栓最大受力：

N0 = Nz/n = 7.5T/10 =0.75T=7500N,

n——螺栓个数，10个

每条螺栓最大设计受拉承载力Nmax为 124 KN（查《钢结构设计与计算》）

安全系数＝Nmax/KN0=124000/(1.1×1.2×7500)=12.52>10,满足要求。

2.6工作吊盘的供电、照明、通讯及信号系统

①供电系统：在井口布置一台配电盘，随吊盘入井电缆采用阻燃电缆。下井电缆每隔6米用棕绳绳纰固定在吊盘钢丝绳上。利用吊盘绳下到第一层盘，并在一层盘设配电点，下井电缆总开关为带检漏继电器的KBD-350G防爆开关。一层吊盘上配置一台真空馈电开关KBD-350G 作为总电源开关，真空开关QBZ-80G共2台，供电焊机使用，ZBZ-4.0M矿用隔爆型综合保护装置一台，提供吊盘照明电源。

②照明系统：井筒吊盘上每层安装四盏防尘防水防爆白炽灯（60W），照明电压127V，由综保供电。井塔内装设防爆灯三盏，井口打点室和各稳车棚等其他工作场所应有足够的照明。

③通讯及信号系统：井口至绞车房的信号除有声光信号外，还要有一部直通电话、对讲机和电视监控。井口与吊盘的联络先用电话、对讲机联系后,再打点。井口到吊盘的通讯与信号采用KVV22-450/750 7×1.5 、ZR-KVV-450/750 4×1.5电缆。下井通讯及信号电缆管每隔6米用棕绳绳纰固定在吊盘钢丝绳上。

2.7供水、送风、视频监控系统

①用水：井筒风钻凿孔用水在吊盘第一层盘上安设水箱，通过水箱向风钻供水，水通过吊桶由地面运送到水箱内。

②利用布置在井口的压风机作为风源。井筒装备施工所用压风采用高压橡胶管在井筒中输送，下井压风管每隔6米用棕绳绳纰固定在吊盘钢丝绳上。压风通过井口风包经橡胶管引到吊盘风包上。

③在井口控制室、提升机房设置视频监控系统，吊盘、井口处设置视频头，监控井口下放材料、井筒升降人员下料、吊盘上施工人员工作状况，使井筒作业的全过程得以有效控制。视频监控电缆每隔6米用棕绳绳纰固定在吊盘钢丝绳上。

2.8安全防护

吊盘上孔洞必须封闭严密；各层吊盘之间的梯子口要相互错开位置，梯子口盖门用后及时关闭严密；吊盘立柱上要设计悬挂安全带的生根点；吊盘主梁与次梁的连接采用螺栓连接为主、焊接为辅的方式；吊盘上设置工器具箱、锚杆、药包、螺栓存放箱。临时锁口盘采用钢结构形式。副梁和主梁之间采用螺栓连接后再焊接的工艺。锁口盘根据井筒装备吊盘结构和悬吊设施设计。施工时，将组装好的吊盘下放到井筒内，安装井口锁口梁、井盖门，用花纹钢板把井口铺设严密。预留出测量准线、压风管、动力电缆、信号电缆通过口，各预留孔采用合页门结构，并封闭严密。锁口盘周围根据建设单位的要求预留出必要的通风口，并做好安全防护。

3、系统模型建立及数据分析

7台稳车、1台提升机、与工作平台共同组成井筒装备安装的提升工作系统。下面对此提升系统视为串联系统进行可靠性分析。

应用统计方法，从实验数据和现场实测数据中，获得单台设备的平均寿命、故障率λ、修复率µ等, 进而计算它们的可靠度R（t）、维修度M（t）、有效度A（t）以及稳态有效度A。

现场提供了提升系统1000h的监测情况记录(工作时间14h/d)

系统的可靠性是指从它开始运行（t=0)到某时刻t这段时间内能正常运行的概率，用R(t)表示．

各台设备每1000h的可靠度为

失效率是指单位时间内失效的元件数与元件总数的比例，以λ表示，当λ为常数时，可靠性与失效率的关系为：

Ｒ（λ）=e-λu(λu为次方）

失效率也称为故障率,各设备失效率为(/h)

本提升工作平台串联系统可靠度计算如下：

由n＝7个单元组成的串联系统表示当这7个单元都正常工作时，系统才正常工作，反之当系统任一单元失效时，就引起系统失效。串联系统任一单元失效时，就引起系统失效，其失效是和事件，串联单元每一个可靠时系统才能可靠，是积事件。串联系统可靠度是组成该系统的各独立单元可靠度的乘积。

=99.79%×99.93%×99.86%×99.93%×99.86%×99.93%×99.79%

=99.09%

吊盘系统的理论提升能力和理论日提升能力(日提升时间／min．d－1＝960)与吊盘系统各部安全系数有关，各部安全系数百分比为:1.44、1.31 、1.53、1.142、1.252。取最小值计算。

理论提升能力 Q0=1.142*30=34.26t

理论日提升能力 Q′=1.142*30/960=35.688×10－3t/min

实际提升能力Q：

Q＝R．T．Q′＝99.09%×960×35.688×10－3＝33.95t

式中R——提升系统的可靠度；

T——日提升时间960，min；

Q′—吊盘理论日提升能力，t/min。

4结论

由计算结果可知，理论提升能力Q0与实际提升能力Q是基本相同的，因此该提升系统是安全可靠的。

串联系统的可靠度低于该系统的每个单元的可靠度，且随着串联单元数量的增大而迅速降低；提高系统可靠性，必须减少系统中的单元数或提高系统中最低的单元可靠度，即提高系统中薄弱单元的可靠度。

参考文献

1、《钢结构设计与计算》宋曼华主编机械工业出版社

2、《矿井运输与提升》李福固主编中国矿业大学出版社

3、《简明建井工程手册》崔云龙主编煤炭工业出版社

4、《材料力学》陈智纯主编中国矿业大学出版社