提升機滾輪罐耳膠胎的磨損分析與優(yōu)化探討

張琦,李侃（.山東科技大學,山東泰安700;.泰安得力凱特機械有限公司,山東泰安7000）

提升機滾輪罐耳膠胎的磨損分析與優(yōu)化探討

張琦1,李侃2
（1.山東科技大學,山東泰安270012;2.泰安得力凱特機械有限公司,山東泰安271000）

摘要：針對提升機用滾輪罐耳在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的磨損快、壽命短等主要問題，通過實踐分析排除了滾輪罐耳膠胎質(zhì)量問題、滾輪罐耳結(jié)構(gòu)、軸承設(shè)計、罐道等因素，確定磨損產(chǎn)生的主要原因是提升容器的重力與提升力之差和滾輪慣性力的關(guān)系是否合理，滾輪與罐道之間是否有相對滑動。并提出了提高膠胎壽命的措施，如加大膠胎內(nèi)徑，改變材質(zhì)，合理設(shè)計提升機加減速時間等。使膠胎厚度變薄、轉(zhuǎn)動慣量減小，這樣即減輕重量、節(jié)省材料又改善滾輪罐耳的散熱條件。

關(guān)鍵詞：滾輪罐耳；膠胎；慣性矩；相對滑動；磨損

隨著我國礦山開采業(yè)的發(fā)展，各大礦山都在向大型化、高效化發(fā)展，立井的井深在不斷增加，提升速度不斷提高，提升容量也在不斷加大，因此對提升系統(tǒng)的各個設(shè)備及其關(guān)鍵零部件的質(zhì)量要求也相應(yīng)提高。

滾輪罐耳是在提升容器與罐道之間起著關(guān)鍵媒介做用的重要部件之一。它不僅起著支撐緩沖作用，還起到提升容器沿井筒軸線方向的導(dǎo)向作用，其工作質(zhì)量的好壞直接影響到礦山生產(chǎn)效率和提升容器正常運行率。許多礦山都還在延用老式罐耳結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)存在以下幾方面的問題：

（1）使用壽命短；

（2）故障率高；

（3）可靠性差；

（4）維修成本高；

（5）重量較重；

（6）提升容器的提升速度和效率都受到限制；

（7）散熱條件不好等。

近些年，滾輪罐耳膠胎損壞的問題反映普遍，損壞的滾輪膠胎如果檢修更換不及時，常常會使提升系統(tǒng)出現(xiàn)緊急停車事故，不僅影響了正常的安全生產(chǎn)，還增加設(shè)備成本消耗，對礦井造成很大的損失。因此，查找膠胎磨損的原因并對滾輪罐耳進行優(yōu)化設(shè)計顯得更加迫切。

1膠胎磨損原因分析

通過作者多年來走訪用戶調(diào)研發(fā)現(xiàn)，幾乎所有滾輪罐耳膠胎的損壞，都是由于它與罐道之間的相互摩擦造成的，為延長膠胎的使用壽命，減少檢修時間，作者曾經(jīng)用過將膠胎加厚的方法，但實驗過程中出現(xiàn)加厚的滾輪罐耳的使用壽命更短的非常規(guī)現(xiàn)象，一個礦一年要更換60多個滾輪罐耳。如此嚴重的損壞，便從以下幾個方面進一步分析主要原因：

1.1滾輪罐耳膠胎質(zhì)量問題

將更改前后的膠胎和原膠胎取樣后進行了各種理化實驗分析，結(jié)果是其質(zhì)量前后一致，沒有什么區(qū)別。因此排除質(zhì)量因素造成的磨損加劇影響使用壽命。

1.2滾輪罐耳的結(jié)構(gòu)問題

對于滾輪罐耳的結(jié)構(gòu)，在改進前后并沒有改變，只是在保證膠胎安裝尺寸和外徑尺寸不變的情況下將膠胎加厚。

從以上的分析來看，幾種情況都不可能出現(xiàn)多個膠胎同時快速磨損的狀態(tài)，那么問題出在什么地方呢？

作者經(jīng)過多次到使用現(xiàn)場進行深入細致的了解觀察和理論上的認真分析研究，終于發(fā)現(xiàn)了問題的所在。

從理論上講，膠胎出現(xiàn)周向均勻的磨損，它只有在膠胎與罐道之間出現(xiàn)相對運動是才能發(fā)生，而這一相對運動的產(chǎn)生，要從提升容器的整個使用過程來分析：

首先提升容器由靜止啟動時，滾輪也是由靜止開始做加速轉(zhuǎn)動，但是滾輪有一個靜止的慣性，當提升的速度相對合理緩慢時，提升力與容器重力的差小于這個慣性力時，滾輪開始平穩(wěn)的做勻加速轉(zhuǎn)動，這時不會出現(xiàn)相對運動，滾輪膠胎也不會磨損；當提升速度突然增大，提升力大于慣性力時，滾輪由于慣性的作用還處在較慢的啟動狀態(tài)，這時滾輪就會被拖動，滾輪膠胎與罐道之間就有一個相對滑動，從而產(chǎn)生了磨損，但這個磨損只是在滾輪膠胎的一個平面上產(chǎn)生。

當提升容器完成啟動，由加速運動轉(zhuǎn)為正常的勻速運動時，滾輪的轉(zhuǎn)速也變成了勻速轉(zhuǎn)動，這時膠胎與罐道之間便沒有了相對滑動，只是在罐道上進行純滾動，所以在這一過程中磨損非常小。

當提升容器即將到達預(yù)定位置時，提升容器便開始做減速運動。在提升容器由勻速運動轉(zhuǎn)為減速的時刻時，滾輪還處在勻速轉(zhuǎn)動狀態(tài)，它還保持著一個維持它轉(zhuǎn)動的慣性力，當這個提升速度的減小相對合理緩慢時，容器重力與提升力的差小于滾輪轉(zhuǎn)動的慣性力，滾輪膠胎與罐道之間也不會有相對滑動，也就不會產(chǎn)生磨損。當容器減速過快，其重力與提升力的差大于滾輪轉(zhuǎn)動的慣性力時，滾輪與罐道之間就會產(chǎn)生相對滑動，從而產(chǎn)生磨損，這時的磨損將是在整個圓周上的均勻磨損。這也就是滾輪膠胎產(chǎn)生均勻圓周磨損的根本原因。

2減少磨損機理分析

通過上面的分析，可以清楚的知道這個磨損的產(chǎn)生主要是提升容器的重力與提升力之差和滾輪慣性力的關(guān)系是否合理。而這一關(guān)系產(chǎn)生的關(guān)鍵位置又是在提升容器的啟動的加速和停止的減速過程中。又因為在啟動過程中的摩擦是一個滾輪被拖拉的過程，這一過程中的磨損只是一個平面的磨損，所以在這里不考慮。因此只研究滾輪在停止減速過程中的磨損情況。如圖1所示：

圖1滾輪罐耳減速時的受力圖

可以看出，在提升容器減速的過程中，滾輪受到輪軸給它的一個向上的力F；它自身的重力G；罐道給它的支撐力N；罐道對它的摩擦力f。

以輪軸O為旋轉(zhuǎn)軸，當滾輪膠胎與罐道處于靜摩擦與滑動摩擦的臨界點時，罐道對膠胎摩擦力產(chǎn)生的力矩與滾輪膠胎的慣性矩是相等的即

Tf＝TO①

Tf——摩擦力對輪軸的力矩，N

TO——膠胎對輪軸的慣性矩，N

摩擦力對輪軸的力矩見下式：

Tf＝kNR②

k——膠胎對罐道的摩擦系數(shù)

R——膠胎外半徑，m

膠胎對輪軸的慣性矩見下式：

TO＝Iε



I——膠胎對輪軸的轉(zhuǎn)動慣量，kg?m2

ε——膠胎的角加速度,r/min

m——膠胎質(zhì)量,kg

r——膠胎內(nèi)半徑,m

ρ——膠胎密度,kg/m3

將②、③代入①得

3滾輪罐耳膠胎優(yōu)化設(shè)計

要想提高滾輪罐耳的膠胎壽命需盡量減小摩擦磨損，由公式④可以看出，影響膠胎壽命的主要因素有三個：一是膠胎的內(nèi)外徑，二是膠胎密度，三是膠胎的角加速度。為此可以從以下三方面尋找提高膠胎壽命的措施。

3.1加大膠胎內(nèi)徑，使膠胎厚度變薄

當K、N、R、ρ、ε已定的情況下，r越小，膠胎對輪軸的慣性矩TO越大。這也就是說，當在保證膠胎外徑及其它條件不變情況下，減小膠胎內(nèi)徑，增加膠胎厚度時，其慣性矩TO也在增大，當它超過摩擦力臨界點的慣性矩If時，膠胎就會與罐道之間出現(xiàn)相對滑動的現(xiàn)象，從而造成膠胎整個圓周都出現(xiàn)均勻磨損加快的現(xiàn)象。所以為了減小膠胎的磨損，延長膠胎的使用壽命就必須加大膠胎內(nèi)徑，使膠胎厚度變薄、轉(zhuǎn)動慣量減小，這樣即減輕了重量、節(jié)省了材料、改善了滾輪罐耳的散熱條件，又降低了生產(chǎn)制造成本，同時還改善了產(chǎn)品的性能，延長了滾輪罐耳的使用壽命，同時也為客戶提供了安全高效質(zhì)優(yōu)價廉的產(chǎn)品，使設(shè)備能夠安全高效的正常運行，從而也達到對滾輪罐耳優(yōu)化的目的。

3.2改善膠胎的材質(zhì)

選用密度低，重量輕的材質(zhì)制作膠胎，可以降低磨損。

3.3合理控制提升加減速度

縮短相對運動（滑動）的時間與行程，減少磨損。即控制提升循環(huán)中加速和減速階段所占用時間和最大提升速度，并非速度越快越好，要綜合考慮能耗和設(shè)備維護成本確定合理的參數(shù)。

以上三種措施中，方案3.1最易實現(xiàn)，是現(xiàn)有提升機滾輪罐耳經(jīng)濟實用的一種解決措施，現(xiàn)場使用效果很好。方案3.2有待進一步開發(fā)。方案3.3要結(jié)合礦井產(chǎn)能與提升系統(tǒng)全壽命周期設(shè)計綜合考慮優(yōu)化。

4結(jié)論

綜上所述，對于轉(zhuǎn)動件來說，當發(fā)現(xiàn)其圓周均勻磨損時，不能為了延長其使用壽命，以單一增加其磨損面的厚度來處理，在沒有找到引起問題根本原因時，簡單的如此處理往往會使其結(jié)果適得其反。

另外，目前有些個別客戶也往往會用單純的提高提升速度來提高生產(chǎn)能力，但實際上這樣的決定會帶來一定的負面影響。因為在高提升速度的同時，滾輪罐耳的動能也在加大，相同時間讓它停止轉(zhuǎn)動所需的加速度也在加大，即摩擦力也在加大，當它超過臨界摩擦力時，滾輪罐耳膠胎與罐道之間便會產(chǎn)生滑動，造成嚴重的磨損，降低了膠胎的使用壽命，增加了維修成本和維護工作量，影響了生產(chǎn)。這是處理此類事情必須注意的一點。因此需要從全壽命周期角度去綜合考慮提升機系統(tǒng)的運行。

參考文獻：

[1]成大先主編.機械設(shè)計手冊[S].化學工業(yè)出版社,2008.

[2]楊澎，宗良，華峰.新型滾輪罐耳在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].建井技術(shù)，1997(18):44-47.