CN106946122B - 一种三绳缠绕式矿山提升机钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置 - Google Patents

一种三绳缠绕式矿山提升机钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于矿山提升机技术领域，具体涉及一种三绳缠绕式矿山提升机钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置，包括壳体，壳体内固定有支撑架，支撑架包括空心轮毂，空心轮毂外表面沿径向均布有圆柱体，在每个圆柱体上分别装一个复合平衡锥齿轮，每个复合平衡锥齿轮由一个大平衡锥齿轮和一个小平衡锥齿轮组成，其大平衡锥齿轮和小平衡锥齿轮具有相同的齿数，并可绕圆柱体同步自由转动，大平衡锥齿轮与带有连接法兰的大输出锥齿轮啮合，小平衡锥齿轮与带有连接法兰的小输出锥齿轮啮合。本钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置的特点是装于主轴上，结构简单，维护方便，对三根钢丝绳的长度补偿不受任何限制，能够精确平衡三根钢丝绳的张力。

Description

一种三绳缠绕式矿山提升机钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置
技术领域
本发明属于矿山提升机技术领域，具体涉及一种三绳缠绕式矿山提升机钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置。
背景技术
当前，矿井提升机主要分为两大类：单绳缠绕式提升机与多绳摩擦式提升机。对于单绳缠绕式提升机，在深井、大终端载荷工况下使用过程中，由于大载荷及钢丝绳自重的影响，往往需要选择过大的钢丝绳直径，滚筒直径也相应很大，而过大的钢丝绳及滚筒直径会带来制造和使用的诸多不便，一定程度上限制了单绳缠绕式提升机在深井的进一步使用；对于多绳摩擦式提升机，由于采用了多绳，虽在一定程度上解决了深井提升问题，但由于该类型提升机使用过程中必须添加平衡尾绳，当在超深井(大于1400米)使用时，会造成提升钢丝绳与提升容器连接处的应力波动过大，即钢丝绳的应力波动值大于钢丝绳破断力的11.5％，从而影响了钢丝绳使用寿命。因此，该类型提升机不适合用于超深井使用。
针对超深井提升问题，国外钢丝绳张力平衡装置多采用直接装设在联接装置上的平衡轮或采用在天轮下方安装液压缸来实现。前者平衡轮重量大，增加了提升容器的重量，且当平衡轮直径较小时，钢丝绳较小的挠曲半径将直接影响其实际使用寿命。后者占用井架空间大，钢丝绳补偿长度具有一定的局限性，目前国外多采用这种方式平衡钢丝绳间的张力。
发明内容
为弥补上述张力平衡装置使用过程中的缺陷，本发明提出了一种三绳缠绕式矿山提升机钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种三绳缠绕式矿山提升机钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置，包括壳体，壳体内固定有支撑架，支撑架包括空心轮毂，空心轮毂外表面沿径向均布有圆柱体，在每个圆柱体上分别装一个复合平衡锥齿轮，每个复合平衡锥齿轮由一个大平衡锥齿轮和一个小平衡锥齿轮组成，其大平衡锥齿轮和小平衡锥齿轮具有相同的齿数，并可绕圆柱体同步自由转动，大平衡锥齿轮与带有连接法兰的大输出锥齿轮啮合，小平衡锥齿轮与带有连接法兰的小输出锥齿轮啮合，且复合平衡锥齿轮与大输出锥齿轮以及小输出锥齿轮的各分度圆直径满足如下关系：式中Dp、dp——分别为大平衡锥齿轮和小平衡锥齿轮的分度圆直径；Dd、dx——分别为大输出锥齿轮和小输出锥齿轮的分度圆直径。
采用2个复合锥齿轮平衡装置实现三钢丝绳间的张力平衡，本钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置的特点是装于主轴上，结构简单，维护方便，对三根钢丝绳的长度补偿不受任何限制，能够精确平衡三根钢丝绳的张力，仅当三钢丝绳在提升机滚筒上的缠绕半径不相等时，三钢丝绳间存在一定的张力差(见公式(4))。但由于大多数情况下三滚筒的缠绕半径差远远小于滚筒的缠绕半径，因此，由此引起的三钢丝绳间的张力差是可以忽略的，不会影响提升机的正常运行。
附图说明
图1为复合锥齿轮平衡装置结构原理图。
图2为支撑架的结构示意图。
图3为复合锥齿轮平衡装置的工作原理图。
图中：1-大输出锥齿轮，2-壳体，3-复合平衡锥齿轮，4-支撑架，5-小输出锥齿轮，6-左边提升钢绳，7-中间提升钢绳，8-右边提升钢绳，9-连接螺栓，10-主轴，11-提升容器，Ⅰ-第一滚筒，Ⅱ-第二滚筒，Ⅲ-第三滚筒。
具体实施方式
一种三绳缠绕式矿山提升机钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置，包括壳体2，壳体2内固定有支撑架4，支撑架4包括空心轮毂，空心轮毂外表面沿径向均布有圆柱体，在每个圆柱体上分别装一个复合平衡锥齿轮3，每个复合平衡锥齿轮3由一个大平衡锥齿轮和一个小平衡锥齿轮组成，其大平衡锥齿轮和小平衡锥齿轮具有相同的齿数，并可绕圆柱体同步自由转动，大平衡锥齿轮与带有连接法兰的大输出锥齿轮1啮合，小平衡锥齿轮与带有连接法兰的小输出锥齿轮5啮合，且复合平衡锥齿轮与大输出锥齿轮以及小输出锥齿轮的各分度圆直径满足如下关系：式中Dp、dp分别为大平衡锥齿轮和小平衡锥齿轮的分度圆直径；Dd、dx分别为大输出锥齿轮1和小输出锥齿轮5的分度圆直径。
使用时，如图3所示，为了实现三根提升钢丝绳的张力平衡，将本复合锥齿轮平衡装置通过支撑架4与提升机主轴固定连接，其中复合锥齿轮平衡装置A位于第一滚筒Ⅰ和第二滚筒Ⅱ之间，并通过大输出锥齿轮1的连接法兰与第一滚筒Ⅰ用连接螺栓9将二者固定连接，通过小输出锥齿轮5的连接法兰与第二滚筒Ⅱ用连接螺栓9将二者固定连接；复合锥齿轮平衡装置B位于第二滚筒Ⅱ与第三滚筒Ⅲ中间，并通过大输出锥齿轮1的连接法兰与第三滚筒Ⅲ用连接螺栓9将二者固定连接，通过小输出锥齿轮5的连接法兰与第二滚筒Ⅱ用连接螺栓9将二者固定连接。
1)提升机正常工作时
提升机动力通过传动系统带动主轴10转动，主轴10带动位于滚筒Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ间的2套复合锥齿轮平衡装置A、B的支撑架4同时转动，并通过复合平衡锥齿轮3，大输出锥齿轮1带动第一滚筒Ⅰ、第三滚筒Ⅲ转动；而上述的复合平衡锥齿轮3同时可通过小输出锥齿轮5带动第二滚筒Ⅱ进行转动，由于本复合锥齿轮平衡装置的结构尺寸满足公式(1)的关系，使得大输出锥齿轮1和小输出锥齿轮5传递相同的扭矩，从而使与之相固连的滚筒Ⅰ、Ⅱ及Ⅲ也只能传递相同的扭矩。因此，当连接于提升容器11的3根提升钢绳在滚筒上的缠绕半径相同、3根提升钢绳的弹性系数相等以及3根提升钢绳的长度相等时，即可保证提升机在3根提升钢绳张力平衡状态下实现对提升容器11的提升(或下放)。此时，复合锥齿轮平衡装置中的复合平衡锥齿轮3处于绕主轴10公转但不自转状态。在此种状态下，3个滚筒在三根提升钢绳张力平衡状态下与主轴10以相同的转速转动。
2)当由于在钢丝绳安装中的误差使连接容器11的3根钢丝绳长度不等时，在提升机为提升工作状态时：
a.当中间提升钢绳7比左边提升钢绳6和右边提升钢绳8较长时，且假设左边提升钢绳6长度大于右边提升钢绳8长度。该种情况下，由于右边提升钢绳8最短，因此，在提升开始时，右边提升钢绳8首先处于紧绳状态，使得右边的复合锥齿轮平衡装置B两侧的力矩失去平衡，右边的复合平衡锥齿轮3发生自转，其中，上侧的复合平衡锥齿轮顺时针(以俯视的角度看)转动，下侧的复合平衡锥齿轮逆时针转动，同时，二者在支撑架4的带动下随着主轴10公转，从而带动与上侧的大平衡锥齿轮及下侧的大平衡锥齿轮相啮合的大输出锥齿轮1以及与其固连的第三滚筒Ⅲ相对于主轴10作逆向转动(或静止不动)，与小平衡锥齿轮相啮合的小输出锥齿轮5以及与其固连的第二滚筒Ⅱ快于主轴10转动，第一滚筒Ⅰ相对慢于主轴10转动(或静止不动)。随着主轴的转动，首先消除了提升钢绳Ⅲ与Ⅱ间的长度差，两提升钢绳的张力处于暂时的平衡状态，使得右边的复合锥齿轮平衡装置B两侧的力矩处于暂时平衡状态。随着主轴的继续转动，由于此时左边提升钢绳6仍处于松绳状态，使得左边的复合锥齿轮平衡装置A两侧的力矩处于不平衡状态，即该复合锥齿轮平衡装置A所受左侧的阻力矩小于右侧的阻力矩，从而使得上侧的复合平衡锥齿轮顺时针转动，下侧的复合平衡锥齿轮逆时针转动，进而带动大输出锥齿轮1以及与其固连的第一滚筒Ⅰ快于主轴10转动，从而缩小了左边提升钢绳6与中间提升钢绳7和右边提升钢绳8的长度差。但由于此时左边提升钢绳6仍处于松绳状态，从而使得复合锥齿轮平衡装置A中上侧的复合平衡锥齿轮继续顺时针转动，下侧的复合平衡锥齿轮继续逆时针转动，进而带动大输出锥齿轮1以及与其固连的第一滚筒Ⅰ继续快于主轴10转动。此时，由于中间提升钢绳7的张力大于左边提升钢绳6的张力，从而使得复合锥齿轮平衡装置A中小输出锥齿轮5以及与其固连的第二滚筒Ⅱ以及与第二滚筒Ⅱ固连的复合锥齿轮平衡装置B中小输出锥齿轮5慢于主轴转动(或静止不动)，结果使得处于暂时平衡状态的右边的复合锥齿轮平衡装置B两侧的力矩不再平衡，由于此时右边提升钢绳8的张力大于中间提升钢绳7的张力，使得复合锥齿轮平衡装置B中上侧的复合平衡锥齿轮顺时针转动，下侧的复合平衡锥齿轮逆时针转动，结果使得第三滚筒Ⅲ慢于主轴转动(或静止不动)。随着主轴的继续转动，首先右边的复合锥齿轮平衡装置B两侧的力矩又重新处于暂时平衡状态。此后，随着主轴的继续转动，上述各运动构件重复前述运动，直至消除左边提升钢绳6与中间提升钢绳7和右边提升钢绳8的长度差后，三根提升钢绳的长度达到相等，三提升钢绳的张力达到平衡状态，左右两复合锥齿轮平衡装置两侧的力矩恢复到平衡状态，复合平衡锥齿轮停止自转，三个滚筒在三根提升钢绳张力平衡状态下与主轴同步转动。
b.假如中间提升钢绳7比两侧钢丝绳较短，且左边提升钢绳6和右边提升钢绳8长度也不相等，此时，假设L6＞L8＞L7。此种情况下，由于中间提升钢绳7最短，因此，在提升开始时，中间提升钢绳7首先处于紧绳状态，使得左、右两边的复合锥齿轮平衡装置两侧的力矩失去平衡。对于右边复合锥齿轮平衡装置B而言，上侧的复合平衡锥齿轮产生逆时针转动、下侧的复合平衡锥齿轮产生顺时针转动，对于左边复合锥齿轮平衡装置A而言，上侧的复合平衡锥齿轮顺时针转动、下侧的复合平衡锥齿轮逆时针转动，从而使得第三滚筒Ⅲ快于主轴10转动，第一滚筒Ⅰ快于主轴转动，第二滚筒Ⅱ相对于主轴10作逆向转动(或静止不动)，随着主轴的转动，首先消除了中间提升钢绳7和右边提升钢绳8的长度差，两提升钢绳的张力处于暂时的平衡状态，使得右边的复合锥齿轮平衡装置B两侧的力矩处于暂时平衡状态。随着主轴的继续转动，由于此时左边提升钢绳6仍处于松绳状态，使得左边的复合锥齿轮平衡装置A两侧的力矩处于不平衡状态，即该复合锥齿轮平衡装置A所受左侧的阻力矩小于右侧的阻力矩，从而使得上侧的复合平衡锥齿轮顺时针转动，下侧的复合平衡锥齿轮逆时针转动，进而带动大输出锥齿轮1以及与其固连的第一滚筒Ⅰ快于主轴10转动，从而缩小了左边提升钢绳6与中间提升钢绳7和右边提升钢绳8的长度差。但由于此时左边提升钢绳6仍处于松绳状态，从而使得上侧的复合平衡锥齿轮继续顺时针转动，下侧的复合平衡锥齿轮继续逆时针转动，进而带动大输出锥齿轮1以及与其固连的第一滚筒Ⅰ继续快于主轴10转动。此时，由于中间提升钢绳7的张力大于左边提升钢绳6的张力，从而使得复合锥齿轮平衡装置A中小输出锥齿轮5以及与其固连的第二滚筒Ⅱ以及与第二滚筒Ⅱ固连的复合锥齿轮平衡装置B中小输出锥齿轮5慢于主轴转动(或静止不动)，结果使得处于暂时平衡状态的右边的复合锥齿轮平衡装置B两侧的力矩不再平衡，由于此时右边提升钢绳8的张力大于中间提升钢绳7的张力，使得上侧的复合平衡锥齿轮顺时针转动，下侧的复合平衡锥齿轮逆时针转动，结果使得第三滚筒Ⅲ慢于主轴转动(或静止不动)。随着主轴的继续转动，首先右边的复合锥齿轮平衡装置B两侧的力矩又重新处于暂时平衡状态。此后，随着主轴的继续转动，上述各运动构件重复前述运动，直至消除左边提升钢绳6与中间提升钢绳7和右边提升钢绳8的长度差后，三根提升钢绳的长度达到相等，三提升钢绳的张力达到平衡状态，左右两复合锥齿轮平衡装置两侧的力矩恢复到平衡状态，复合平衡锥齿轮停止自转，三个滚筒在三根提升钢绳张力平衡状态下与主轴同步转动。
c.当3根提升钢绳长度不相等时，假如左边提升钢绳6的长度大于中间提升钢绳7的长度，中间提升钢绳7的长度大于右边提升钢绳8的长度时。此种情况下，由于右边提升钢绳8最短，因此，在提升开始时，右边提升钢绳8首先处于紧绳状态，使得右边的复合锥齿轮平衡装置B两侧的力矩失去平衡，上侧的复合平衡锥齿轮产生顺时针转动、下侧的复合平衡锥齿轮产生逆时针转动，从而使得第三滚筒Ⅲ相对于主轴逆向转动(或静止不动)，第二滚筒Ⅱ快于主轴转动，第一滚筒Ⅰ慢于主轴转动，随着主轴的转动，首先消除了中间提升钢绳7和右边提升钢绳8的长度差，二者处于暂时的张力平衡状态，使得右边的复合锥齿轮平衡B装置两侧的力矩处于暂时平衡状态。随着主轴的继续转动，由于此时左边提升钢绳6仍处于松绳状态，使得左边的复合锥齿轮平衡装置A两侧的力矩处于不平衡状态，即该复合锥齿轮平衡装置A所受左侧的阻力矩小于右侧的阻力矩，从而使得上侧的复合平衡锥齿轮顺时针转动，下侧的复合平衡锥齿轮逆时针转动，进而带动大输出锥齿轮1以及与其固连的第一滚筒Ⅰ快于主轴10转动，从而缩小了左边提升钢绳6与中间提升钢绳7和右边提升钢绳8的长度差。但由于此时左边提升钢绳6仍处于松绳状态，从而使得复合锥齿轮平衡装置A中上侧的复合平衡锥齿轮继续顺时针转动，下侧的复合平衡锥齿轮继续逆时针转动，进而带动大输出锥齿轮1以及与其固连的第一滚筒Ⅰ继续快于主轴10转动。此时，由于中间提升钢绳7的张力大于左边提升钢绳6的张力，从而使得复合锥齿轮平衡装置A中小输出锥齿轮5以及与其固连的第二滚筒Ⅱ以及与第二滚筒Ⅱ固连的复合锥齿轮平衡装置B小输出锥齿轮5慢于主轴转动(或静止不动)，结果使得处于暂时平衡状态的右边的复合锥齿轮平衡装置B两侧的力矩不再平衡，由于此时右边提升钢绳8的张力大于中间提升钢绳7的张力，使得上侧的复合平衡锥齿轮顺时针转动，下侧的复合平衡锥齿轮逆时针转动，结果使得第三滚筒Ⅲ慢于主轴转动(或静止不动)。随着主轴的继续转动，首先右边的复合锥齿轮平衡装置B两侧的力矩又重新处于暂时平衡状态。此后，随着主轴的继续转动，上述各运动构件重复前述运动，直至消除左边提升钢绳6与中间提升钢绳7和右边提升钢绳8的长度差后，三根提升钢绳的长度达到相等，三提升钢绳的张力达到平衡状态，左右两复合锥齿轮平衡装置两侧的力矩恢复到平衡状态，复合平衡锥齿轮停止自转，三个滚筒在三根提升钢绳张力平衡状态下与主轴同步转动。
3)当连接提升容器11的3根钢丝绳刚度系数不等时，在提升机为提升工作状态时：
a.假如两侧提升钢绳刚度系数大于中间提升钢绳7的刚度系数，且右边提升钢绳8的刚度系数大于左边提升钢绳6的刚度系数。此时，三根提升钢绳在相等的终端载荷下，右边提升钢绳8的张力最大，左边提升钢绳6次之，中间提升钢绳7最小。该种情况的张力平衡过程中，左、右复合锥齿轮平衡装置的运动情况与上述2a所述情形相同。
b.假如中间提升钢绳7的刚度系数大于右边提升钢绳8的刚度系数，右边提升钢绳8的刚度系数大于左边提升钢绳6的刚度系数。此时，三根提升钢绳在相等的终端载荷下，中间提升钢绳7的张力最大，右边提升钢绳8的张力次之，左边提升钢绳6的张力最小。该种情况的张力平衡过程中，左、右复合锥齿轮平衡装置的运动情况与上述2b所述情形相同。
c.假如左边提升钢绳6的刚度系数小于中间提升钢绳7的刚度系数，中间提升钢绳7的刚度系数小于右边提升钢绳8的刚度系数时。此时，三根提升钢丝绳在相等的终端载荷下，右边提升钢绳8的张力最大，中间提升钢绳7的张力次之，左边提升钢绳6的张力最小。该种情况的张力平衡过程中，左、右复合锥齿轮平衡装置的运动情况与上述2c所述情形相同。
值得注意的是，提升机在提升钢绳的弹性刚度不相等的上述各种情况下运转时，由于复合锥齿轮平衡装置每时每刻都要通过复合锥齿轮的自转来消除因钢丝绳的弹性刚度不相等而引起的钢丝绳的变形差，从而达到三根钢丝绳的张力平衡。所以，在这种情况下，提升机在整个提升或下放过程中，三滚筒始终与主轴10之间以及各个滚筒之间存在相对转动。
与提升机提升容器一样，提升机在下放容器过程中，平衡机构同样可保证所有钢丝绳的张力在整个下放货物过程中始终处于平衡状态。
4)当由于连接提升容器11的3根提升钢绳的直径不相等，或装于主轴10的三个滚筒的直径不相等，或由于前两种原因以及钢丝绳在多层缠绕时其它各种原因造成三个滚筒的缠绕直径各不相等时，即：DⅠ≠DⅡ≠DⅢ
由于复合锥齿轮平衡装置A中大输出锥齿轮1、小输出锥齿轮5及复合锥齿轮平衡装置B中大输出锥齿轮1、小输出锥齿轮5传递扭矩相等，故提升机工作时，公式(2)总成立。
F6·DⅠ＝F7·DⅡ＝F8·DⅢ (2)
式中Fi(i＝6、7、8)——分别为各根提升钢绳的张力；
Di(i＝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)——各滚筒的缠绕直径；此时以中间滚筒的缠绕直径作为基准，则两边滚筒与其的缠绕直径差分别为△DⅠⅡ＝DⅠ-DⅡ，△DⅢⅡ＝DⅢ-DⅡ，式(2)又可表示为：
F6·(DⅡ+△DⅠⅡ)＝F7·DⅡ＝F8·(DⅡ+△DⅢⅡ) (3)
式中△DⅠⅡ——第一滚筒Ⅰ和第二滚筒Ⅱ的缠绕直径差，△DⅠⅡ可为正值，也可取负值。
△DⅢⅡ——第三滚筒Ⅲ和第二滚筒Ⅱ的缠绕直径差，△DⅢⅡ可为正值，也可取负值。
特殊情况下，△DⅠⅡ＝△DⅢⅡ，表示两边滚筒的缠绕直径相等。
由式(3)得，中间提升钢绳7与左边提升钢绳6以及中间提升钢绳7与右边提升钢绳8的张力差分别为
F7-F6＝F6·△DⅠⅡ/DⅡ，F7-F8＝F8·△DⅢⅡ/DⅡ (4)
式(4)表明，当三个滚筒的缠绕直径各不相等时，所述复合锥齿轮平衡装置将不能确保三根提升钢绳的张力总相等。然而，由于大多数情况下三个滚筒的缠绕直径差△DⅠⅡ、△DⅢⅡ远远小于各滚筒的缠绕直径Di。因此，由此引起的三根提升钢绳间的张力差是微不足道的，不会影响提升机的正常运行。

Claims (1)

1.一种三绳缠绕式矿山提升机钢丝绳张力复合锥齿轮平衡装置，其特征在于包括壳体（2），壳体（2）内固定有支撑架（4），支撑架（4）包括空心轮毂，空心轮毂周向外表面均布有圆柱体，在每个圆柱体上分别装一个复合平衡锥齿轮（3），每个复合平衡锥齿轮（3）由一个大平衡锥齿轮和一个小平衡锥齿轮组成，其大平衡锥齿轮和小平衡锥齿轮具有相同的齿数，并可绕圆柱体同步自由转动，大平衡锥齿轮与带有连接法兰的大输出锥齿轮（1）啮合，小平衡锥齿轮与带有连接法兰的小输出锥齿轮（5）啮合，且复合平衡锥齿轮与大输出锥齿轮以及小输出锥齿轮的各分度圆直径满足如下关系：，式中 Dp、dp分别为大平衡锥齿轮和小平衡锥齿轮的分度圆直径；Dd、dx分别为大输出锥齿轮（1）和小输出锥齿轮（5）的分度圆直径。
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