一种超深矿井提升样机层间过渡装置的结构设计方法与流程

本发明涉及一种层间过渡装置的结构设计方法。

背景技术：

矿山行业内深度超过1000m的矿井属于超深矿井，超深矿井提升多通过钢丝绳多层缠绕实现，钢丝绳不可避免地要进行层间过渡和圈间过渡，如图1和图2所示。因此，多层缠绕卷筒表面均需安装平行折线绳槽衬垫，其由两段折线区和两段直线区组成，另外，多层缠绕钢丝绳需在两个挡绳板位置借助层间过渡装置实现钢丝绳向更高层的爬升、换向。

超深井提升中，多层缠绕钢丝绳在层间过渡时会受到高速、重载带来的严重冲击，因此层间过渡装置的结构形式直接影响到钢丝绳的运行是否平稳和排绳是否整齐。不恰当的层间过渡装置容易引起钢丝绳骑绳、咬绳等乱绳现象，增大钢丝绳的摩擦磨损，引起钢丝绳的动张力产生突变，严重减小钢丝绳的使用寿命，提升系统安全性大大降低。所以层间过渡装置的结构、形状是影响钢丝绳整齐排绳和使用寿命的关键因素。

但是到目前为止，还未见到从理论到实践都较为理想的层间过渡装置的详细资料。wieschel在1978年申请了“带阶梯法兰盘的缠绕卷筒”，据称可以让钢丝绳在卷筒上缠绕6层甚至更多。但其对过渡装置及绳槽的形状尺寸、缠绕机理等并未交代清楚。lebus绳槽是一种适合钢丝绳多层卷绕的绳槽型式，lebus公司声称采用平行折线绳槽的多层缠绕层数可以到50层，但并未见其详细绳槽及过渡装置的数据资料。н.н.фидровская介绍了在安装了平行折线绳槽的卷筒两侧添加台阶式过渡块来实现钢丝绳多层缠绕，但也未给出详细的数学推导过程。

国内的学者也做了较多研究，牛岩军设计了一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。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。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二层最后一圈钢丝绳的间隙中爬行，极易形成卡绳。龚宪生等推导了单过渡平行绳槽和对称双过渡平行绳槽，绳槽数目和绳圈间隙的公式，螺旋绳槽、单过渡平行绳槽和对称双过渡平行绳槽1～2层的层间过渡块的计算公式。

现在较为广泛应用的lebus绳槽过渡装置如图3～4所示，但是第三层钢丝绳在爬升结束后，第三层的第一圈钢丝绳(浅灰色圆柱)将在挡绳板和第二层钢丝绳(深色圆柱)所形成的缝隙中爬行，如图5～6所示。在超深矿井高速、重载的情况下，这种型式的层间过渡装置极容易造成卡绳，继而造成多点提升时缠绕不同步，钢丝绳磨损严重等问题，使得钢丝绳多层缠绕不能顺利进行并且加大了安全隐患。

技术实现要素：

为了解决上述lebus绳槽层间过渡装置的缺点，本发明提供了一种超深矿井提升样机层间过渡装置的结构设计方法。本发明首先将层间过渡装置与钢丝绳接触面均改为凹状面，即使钢丝绳在层间过渡时与其均是面接触，进而减小层间过渡装置的局部压力，减少钢丝绳磨损；其次，2～3层过渡时避免第二层最后一圈钢丝绳在缝隙中缠绕，将此缝隙填满，使钢丝绳始终有层间过渡装置支撑，进而减少或消除卡绳的可能，得到一套层间过渡装置各部分的参数计算公式。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种超深矿井提升样机层间过渡装置的结构设计方法，包括如下步骤：

一、设计1～2层层间过渡装置

(1)将1～2层层间过渡装置依次分为层间过渡块、平过渡块和圈间过渡块三部分，其中层间过渡块对应a～e位置，平过渡块对应e～f位置，圈间过渡块对应f～h位置；

(2)在0～a位置设计一个引导平台，0～a位置对应的圆心角为：

其中，γ为圈间过渡区对应圆心角弧度，hs为绳槽深度，d为钢丝绳直径；

(3)第1层最后一圈钢丝绳在层间过渡段a～e位置过渡时，1～2层层间过渡装置任意位置的宽度和总高度计算公式如下：

其中，(d+ε)/2≤b≤d+ε，0≤θ≤γh1，b为任意位置过渡块的宽度，ε为绳槽间隙，θ为圈间过渡区任意位置对应圆心角弧度，h为任意位置过渡块的总高度，v为1,2层钢丝绳轴心连线与水平轴线夹角，h1代表垫块高度；

(4)第1层最后一圈钢丝绳在平过渡块e～f位置过渡时，对应弧度为一个直线区对应圆心角，各部分的结构不变，1～2层层间过渡装置任意位置的宽度和总高度计算公式如下：

其中，b＝d/2+ε，θ＝γ；

(5)第1层最后一圈钢丝绳在圈间过渡段f～h位置过渡时，第1层最后一圈钢丝绳被继续抬高，下层过渡块宽度变窄，由(d+ε)/2逐渐变为(d+ε)/4，上层过渡块变宽，由0逐渐变为(d+ε)/4；1～2层层间过渡装置任意位置的宽度和总高度计算公式如下：

其中：bs为上层任意位置过渡块的宽度；

二、设计2～3层层间过渡装置

(1)将2～3层层间过渡装置依次分为支撑段过渡块、平过渡块、抬起段过渡块和圈间过渡块四部分，且将出绳口放置在2～3层层间过渡装置一侧(支撑段过渡块)，其中：抬起段过渡块分为抬起段过渡块a和抬起段过渡块b，圈间过渡块分为圈间过渡1段和圈间过渡2段，支撑段过渡块对应1～3段，平过渡块对应3～4段，抬起段过渡块a对应4～5段，抬起段过渡块b对应5～7段，圈间过渡1段对应7～9段，圈间过渡2段对应9～11段；

(2)第2层最后一圈钢丝绳在支撑段过渡块过渡时，支撑段过渡块的结构与f～h段的结构相同，则有：

其中，(d+ε)/4≤b≤(d+ε)/2，0≤θ≤γ/2；

(3)第2层最后一圈钢丝绳在平过渡块过渡时，平过渡块各部分的结构不变，任意位置的宽度和高度为：

其中，b＝(d+ε)/2，θ＝γ，v＝π/3；

(4)第2层最后一圈钢丝绳在抬起段过渡块a过渡时，抬起段a任意位置的高度为：

其中，(d+ε)/2≤b≤3(d+ε)/4，γ≤θ≤γ/2，χ为2,3层钢丝绳轴心连线与水平轴线夹角；

(5)第2层最后一圈钢丝绳在抬起段过渡块b过渡时，则有：

其中，3(d+ε)/4≤b≤d+ε，γ/2≤θ≤0；h2、h1分别代表第二层垫块高度、第一层垫块高度；

(6)第2层最后一圈钢丝绳在圈间过渡段过渡时，则有：

b＝d+ε；

bs＝(d+ε)/2；

其中，0≤θ≤η，η为直线区对应圆心角弧度。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明在研究分析提升钢丝绳沿卷筒绳槽进行层间过渡运动状态和特征的基础上，设计了一种新的与钢丝绳接触面均为凹状面层间过渡装置，使钢丝绳在层间过渡时与其均是面接触，进而减小层间过渡装置的局部压力，减少钢丝绳磨损；新的层间过渡装置使钢丝绳在层间过渡时始终有支撑，进而消除卡绳的可能。本发明设计的层间过渡装置可以在超深、重载、高速的运行工况下，保证缠绕式矿井提升装备的钢丝绳能顺利的缠三层。

附图说明

图1为平行折线绳槽卷筒展开图；

图2为圈间过渡平面图；

图3为lebus绳槽1～2层过渡装置；

图4为lebus绳槽2～3层过渡装置；

图5为lebus绳槽3层缠绕立体图；

图6为lebus绳槽3层缠绕截面图；

图7为本发明设计的绳槽平面展开图；

图8为本发明设计的绳槽层间过渡过程截面图；

图9为本发明设计的绳槽1～2层间过渡过程截面图；

图10为1～2层过渡块构成图；

图11为1～2层抬起段任意位置截面图；

图12为1～2层平过渡段任意位置截面图；

图13为圈间过渡任意位置截面图；

图14为1～2层抬起段加平过渡段(a～e～f段)层间过渡装置立体图；

图15为1～2层平过渡段加圈间过渡段(e～f～h段)层间过渡装置立体图；

图16为本发明设计的绳槽2～3层层间过渡过程截面图；

图17为2～3层支撑段任意位置截面图；

图18为2～3层平过渡段任意位置截面图；

图19为2～3层抬起段a任意位置截面图；

图20为2～3层抬起段a结束位置(5位置)截面图；

图21为2～3层抬起段b任意位置截面图；

图22为2～3层圈间过渡段任意位置截面图；

图23为2～3层支撑段加平过渡段(1～3～4段)层间过渡装置立体图；

图24为2～3层平过渡段(3～4段)层间过渡装置立体图；

图25为2～3层抬起段(4～7段)层间过渡装置立体图；

图26为2～3层圈间过渡段(9～11段)层间过渡装置立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种超深矿井提升样机层间过渡装置的结构设计方法，所述方法具体实施步骤如下：

一、层间过渡装置总体设计方案

本发明设计的层间过渡装置可以在超深、重载、高速的运行工况下，保证缠绕式矿井提升装备的钢丝绳能顺利的缠三层，不卡绳，钢丝绳磨损小且过渡平稳。本发明设计的层间过渡装置1～2层层间过渡装置在如图7所示展开图的左侧，其展开长度为两个折线区(圈间过渡区)加一个直线区；2～3层层间过渡装置在如图7所示展开图的右侧，与出绳口在同一侧，其展开长度为两个折线区加两个直线区。

(1)将层间过渡装置与钢丝绳接触面均改为凹状面，即：使钢丝绳在层间过渡时与其均是面接触，进而减小层间过渡装置的局部压力，减少钢丝绳磨损。

(2)2～3层过渡时避免第二层最后一圈钢丝绳在缝隙中缠绕(如图7所示)，将此缝隙填满，使钢丝绳始终由层间过渡装置支撑，进而减少或消除卡绳的可能。

(3)将2～3层的层间过渡装置总长增加为两个折线区加两个直线区，出绳口也改为图7所示位置的折线区。

图8中矩形(填充45°剖面线)为卷筒两侧法兰或层间过渡装置辅助板，实体填充截面(浅色)表示层间过渡装置的不同位置截面，s圆代表第一层最后一圈钢丝绳，m圆为第二层最后一圈钢丝绳，n圆为倒数第二圈钢丝绳，p代表钢丝绳节距。

第一层最后一圈钢丝绳缠绕至0位置时钢丝绳从绳槽底部沿着辅助斜坡爬升至绳槽顶部a位置。a～e位置是1～2层层间过渡装置的抬起段，过渡装置的宽度从1个节距减少至半个节距。e～f位置是平过渡段，此段是一段等宽等高的过渡装置。f～h位置是圈间过渡段，过渡装置的宽度从1/2个节距减少为1/4个节距，第一层最后一圈钢丝绳被推挤到下层钢丝绳的顶部，之后在绳偏角钢丝绳张力的共同作用下平稳缠绕至下层钢丝绳最后两圈形成的绳槽中。

现分析2～3层层间过渡过程，1～3位置是支撑段，第二层最后一圈钢丝绳从下层钢丝绳的顶端运动至第一层第一圈钢丝绳与过渡装置形成的支撑中，过渡装置的宽度从1/4节距增加至1/2节距；3～4位置是平过渡段，是一段等宽等高的过渡装置；4～7位置是抬起段，倒数第二圈钢丝绳从下层钢丝绳形成的绳槽被推挤到第一层第一圈钢丝绳与过渡装置形成的支撑中，第二层最后一圈钢丝绳从第二层的位置被不断抬高，过渡装置底座宽度从1/2节距增加至1个节距；7～11位置为圈间过渡段，仅有第二层最后一层钢丝绳被继续抬高推挤至第二层倒数第二圈钢丝绳的顶部，此过程中其余钢丝绳位置均没有发生改变。之后在绳偏角钢丝绳张力的共同作用下平稳缠绕到下层钢丝绳最后两圈形成的绳槽中，钢丝绳顺利进入第三层缠绕。

二、层间过渡装置各参数的计算方法

(一)1～2层层间过渡装置的结构设计及层间过渡运动过程

现结合图9对1～2层层间过渡装置结构及参数做详尽研究。从出绳口开始，第一层钢丝绳沿绳槽缠绕并在每个折线区向对面挡绳板偏移半个节距(p代表钢丝绳节距)，直到第一层钢丝绳最后一圈运动到0位置(0位置具体指第一层最后一圈钢丝绳即将从绳槽底部抬升到绳槽顶部，再继续抬升到层间过渡块的一个起始位置，通常会在0-a位置的绳槽位置做一个斜坡)，钢丝绳被逐渐抬起，到a位置时被抬起至绳槽的上顶面，然后1～2层过渡装置把第1层最后一圈逐步支撑托起到一个绳径高后，并在层间过渡装置、钢丝绳张力、接触钢丝绳间摩擦力、钢丝绳偏角等的综合作用下，钢丝绳进入第1层钢丝绳形成的绳槽中，完成换层过渡。

为了便于理解，现将本发明计算所用参量符号列表，如表1所示：

表1公式符号表

为更好的使钢丝绳从绳槽底部爬升到绳槽顶部并顺利的开始1～2层的层间过渡，需先在0～a位置设计一个引导平台，其爬升高度为hs，0～a位置对应的圆心角为：

①层间过渡段a～e位置(即(d+ε)/2≤b≤d+ε；0≤θ≤γ)

如图10所示，1～2层层间过渡装置依次分为层间过渡块、平过渡块和圈间过渡块三部分，其展开图总长为：1个直线区加1.5个折线区。

现分析层间过渡块任意位置的结构计算式，图11为层间过渡块任意位置的截面图，由图11所示几何关系可得层间过渡时过渡装置任意位置的宽度计算公式(2)～(4)为层间过渡时过渡装置任意位置的宽度和总高度计算公式：

h1代表垫块高度。

②平过渡块e～f位置(即b＝d/2+ε；θ＝γ)

对应弧度为一个直线区对应圆心角，各部分的结构不变。图12为平过渡段任意位置的截面图，由图12所示几何关系可得平过渡时过渡装置任意位置的宽度计算公式(5)～(6)为层间过渡时平过渡装置任意位置的宽度和总高度计算公式：

③圈间过渡段f～h位置(即(d+ε)/4≤b≤(d+ε)/2，0≤θ≤γ/2)

第1层最后一圈钢丝绳被继续抬高，下层过渡块宽度变窄，由(d+ε)/2逐渐变为(d+ε)/4，上层过渡块变宽，由0逐渐变为(d+ε)/4。

钢丝绳在圈间过渡段f～h位置运行时，上下层钢丝绳的极角v从π/3变化为π/2，根据图13中右侧示意图可得：

公式(8)和(9)即圈间过渡任意位置宽度的理论计算公式，公式(10)和(11)即圈间过渡任意位置高度的理论计算公式。

按照公式(2)～(6)、(8)～(11)绘制出1～2层层间过渡装置的三维模型如图14和图15所示。

(二)2～3层层间过渡装置的结构设计及层间过渡运动过程

出绳口放置在2～3层层间过渡装置一侧，如图16所示，浅色圆和深色圆分别代表第二层最后一圈和倒数第二圈钢丝绳，浅色矩形代表辅助挡绳板，浅色截面代表层间过渡装置截面，p代表钢丝绳节距。当第二层最后一圈钢丝绳运动到1位置时，过渡装置的宽度为p/4，1～3位置对应圆心角的弧度为γ/2；4～5位置，对应圆心角的弧度为γ/4，第二层最后一圈钢丝绳被继续抬高，过渡块宽度从p/2增加至3p/4；5～7位置对应圆心角的弧度为γ/4，最后一圈钢丝绳不断被抬高，过渡装置逐渐被分为两层，下层宽度从4位置的p/2增加至7位置的p，上层从5位置的3p/4减少至7位置的p/2；7～11位置过渡装置对应圆心角弧度为一个直线段对应弧度η，分为上、中、下三部分，中层和下层的宽度均不会发生改变，上层宽度从0增加至p/2，第二层最后一圈钢丝绳被支撑引导至下层钢丝绳的正上方顶部，最终在绳偏角、钢丝绳张力等的作用下平稳缠绕至下层钢丝绳形成的绳槽中，完成换层过渡。

2～3层层间过渡装置依次分为支撑段过渡块、平过渡块、抬起段过渡块和圈间过渡块几个部分，其展开图总长为：2个直线区加2个折线区。1～3段为支撑段，3～4段为平过渡段，4～5段为抬起段a，5～7段为抬起段b，7～9段为圈间过渡1段，9～11段为圈间过渡2段，现分析层间过渡块任意位置的结构计算式，折线区(即：圈间过渡区)对应圆心角弧度用γ表示，直线区对应圆心角弧度用η表示，过渡块任意位置对应圆心角弧度用θ表示，其中0≤θ≤γ。

①支撑段(即1-3段，(d+ε)/4≤b≤(d+ε)/2，0≤θ≤γ/2)

第2层最后一圈钢丝绳在此阶段向挡绳板方向偏移1/4个节距p，此段层间过渡装置主要是把这部分钢丝绳支撑住，把钢丝绳顺利导向到平过渡段。此段对应圆心角弧度为γ/2。其过渡区域宽度与对应圆心角弧度关系图和任意位置截面图如图17所示。

钢丝绳在1～3段的结构与f～h段相同，可得：

②平过渡块各部分的结构不变(即3～4段，b＝(d+ε)/2，θ＝γ)

平过渡段任意位置截面图如图18所示。平过渡位置时极角为π/3，所以平过渡时任意位置的宽度和高度为：

③抬起段过渡块a(即4～5段，(d+ε)/2≤b≤3(d+ε)/4，γ≤θ≤γ/2)

平过渡块之后，第2层最后一圈钢丝绳将被继续抬高，过渡块宽度变宽由(d+ε)/2增加至3(d+ε)/4，任意位置截面图如图19和图20所示。

根据其几何位置关系及三角公式可得：

极角1χ将从平过渡时期的0o变为抬起段a结束位置对应角度，此时极角1χ为：

则任意位置极角1χ为：

同理极角v从π/3变到5位置的π/2，则任意位置的极角为：

则抬起段a任意位置的高度为：

④抬起段过渡块b(即5～7段3(d+ε)/4≤b≤d+ε，γ/2≤θ≤0)

2～3层层间过渡时逐渐把第2层最后一圈抬起到第3层高度，从5位置开始过渡块分上层过渡块和下层过渡块，下层过渡块b变宽由3(d+ε)/4逐渐变为d+ε，上层过渡块宽度bs变窄由3(d+ε)/4逐渐变为(d+ε)/2，其任意位置截面图如图21所示。

⑤圈间过渡段(即7～11段，b＝d+ε，0≤θ≤η)

第2～3层圈间过渡1～2段任意位置，此段位于直线段(1～2层钢丝绳极角v＝60o)现假设直线段对应圆心角为η，则直线段任意位置的圆心角用θ表示，最上层过渡块宽度bt，则：

b＝d+ε(32)；

bs＝(d+ε)/2(33)；

经过几何关系及三角函数关系式可得：

通过以上对1～2层和2～3层层间过渡装置各位置几何关系的推导分析可得，公式(2)～(11)为1～2层各位置的参数计算式，公式(12)～(36)为2～3层各位置的参数计算式，以上35)个公式形成一套完整的层间过渡装置的理论计算公式，这些公式只要知道钢丝绳直径d、绳槽深度hs、折线区对应圆心角弧度γ、直线区对应圆心角弧度η、任意截面位置对应圆心角弧度θ这几个参数中的一个或几个就可以计算出层间过渡装置任意截面的结构尺寸。按照公式(12)～(36)绘制出2～3层层间过渡装置的三维模型如图23～图26所示。