淺談內(nèi)裝式提升機(jī)絞車(chē)滾筒開(kāi)裂修復(fù)工藝

馬啟雙，陳步強(qiáng)，李思佳

（1.中煤第一建設(shè)有限公司機(jī)電安裝工程處，河北 邯鄲 056000；2.中煤新集劉莊礦業(yè)有限公司，安徽 阜陽(yáng) 236200）

1 滾筒現(xiàn)狀

劉莊煤礦主井提升機(jī)合肥設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，在高達(dá)90.8米的井塔內(nèi)，分東西方向共設(shè)置兩臺(tái)提升機(jī)，兩臺(tái)提升機(jī)于2006年9月相繼調(diào)試完畢并成功投入使用。兩臺(tái)提升機(jī)均采用德國(guó)西瑪格公司生產(chǎn)的六繩內(nèi)裝電機(jī)式提升機(jī)，提升機(jī)滾筒直徑4.65米，最大速度可達(dá)到12m/s。每臺(tái)提升機(jī)配有雙40噸箕斗。主井提升機(jī)為德國(guó)西瑪格公司生產(chǎn)，主井滾筒為兩半圓對(duì)接，兩半圓對(duì)接處連接板與滾筒為軸向鑄造整體，連接板采用高強(qiáng)度螺栓緊固縫合；滾筒與主軸旋轉(zhuǎn)軸承座外端用螺栓緊固連接。閘盤(pán)亦為兩半圓對(duì)接，閘盤(pán)與滾筒采用獨(dú)立連接夾板雙面夾持滾筒側(cè)板，并采用高強(qiáng)度螺栓緊固縫合；同時(shí)，與滾筒側(cè)板以全周向單排螺栓緊固。主井兩臺(tái)西瑪格提升機(jī)滾筒在日常檢修中發(fā)現(xiàn)開(kāi)裂，經(jīng)全面排查發(fā)現(xiàn)，東側(cè)提升機(jī)滾筒3處開(kāi)裂，開(kāi)裂位置均為滾筒靠近兩半閘盤(pán)連接處。裂紋從滾筒靠近閘盤(pán)連接處向內(nèi)部擴(kuò)張。另外，閘盤(pán)連接板處有1處開(kāi)裂。西側(cè)提升機(jī)滾筒2處裂紋，開(kāi)裂位置均為滾筒靠近兩半閘盤(pán)連接處，斜對(duì)角分布。裂紋從滾筒靠近閘盤(pán)連接處向內(nèi)部擴(kuò)張。另外，閘盤(pán)連接板處有1處開(kāi)裂。共計(jì)7處裂紋，滾筒5處，夾板2處，裂紋長(zhǎng)度在300～480mm。

2 開(kāi)裂原因

經(jīng)專(zhuān)家組分析開(kāi)裂原因認(rèn)為該提升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，具體體現(xiàn)在：

（1）提升機(jī)制動(dòng)盤(pán)連接夾板設(shè)計(jì)不合理，位置偏靠主軸一側(cè)，導(dǎo)致滾筒在兩半制動(dòng)盤(pán)結(jié)合處應(yīng)力過(guò)大。

圖1 滾筒裂紋位置

（2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量制動(dòng)盤(pán)和滾筒的相關(guān)尺寸（見(jiàn)附圖1），制動(dòng)盤(pán)與滾筒之間的定位止口實(shí)測(cè)值10mm，而制動(dòng)盤(pán)單側(cè)止口承受約120t靜載荷，止口尺寸過(guò)小。

（3）制動(dòng)盤(pán)連接剛度不足，導(dǎo)致部分連接板撕裂。

（4）上述原因造成應(yīng)力集中，加之滾筒強(qiáng)度不足，導(dǎo)致滾筒出現(xiàn)裂紋。

3 國(guó)內(nèi)國(guó)外目前處理方式方法

（1）傳統(tǒng)的處理方法在開(kāi)裂縫盡頭位置打止裂孔，將開(kāi)裂縫全部打坡口焊接，并在連接板斷裂處焊接加強(qiáng)板。

（2）裂紋較長(zhǎng)、較深時(shí)分段逐層焊接，滾筒體外面沿接合面打坡口，同時(shí)用空壓機(jī)專(zhuān)用夾鉗吹去灰渣。用錘震動(dòng)消除應(yīng)力，用砂輪機(jī)打磨拋光露出金屬光澤。進(jìn)行焊接選用與絞車(chē)滾筒材質(zhì)相近材料，我們以20M鋼材為例：焊前焊接部位局部預(yù)熱防止出現(xiàn)冷裂。焊條烘干,防止使用產(chǎn)生氣泡，底層用與506焊條兩遍，事先要對(duì)焊條進(jìn)行250℃恒溫烘烤，上層用502焊條焊接。焊縫要高出母材2～3mm、每焊一層，要進(jìn)行捶擊及打磨工作，以消除焊熱應(yīng)力，去除氧化層、夾渣及未溶合物等。每層厚約10mm，經(jīng)三次循環(huán)焊接，待焊縫高出結(jié)合面2mm，再用砂輪拋光使接合處平整光滑。最后，用棉被對(duì)施焊部位進(jìn)行保溫。目的是再次消除焊熱應(yīng)力。割除此焊縫處卷筒內(nèi)側(cè)連接板對(duì)內(nèi)側(cè)沿接合面打坡口。用502焊條焊接焊縫要高出母材2～3mm，再用砂拋光，使接合處平整光滑。

（3）將滾筒拆除返廠檢修，或者直接更換新滾筒。

4 現(xiàn)狀分析

因西瑪格滾筒使用材質(zhì)為特殊鋼材，目前，國(guó)內(nèi)還不能生產(chǎn)，焊接需要將開(kāi)裂滾筒拆除返廠，意味著全面停產(chǎn)，修復(fù)時(shí)間不確定。且滾筒使用鋼材焊接后，不能保證滾筒不再開(kāi)裂，為嘗試性焊接。

（1）更換新滾筒原西瑪格滾筒單個(gè)價(jià)格在2000萬(wàn)左右，且生產(chǎn)周期需要2個(gè)月，在經(jīng)過(guò)運(yùn)輸報(bào)關(guān)等手續(xù)等待周期較長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)滾筒不能滿足礦井生產(chǎn)要求。滾筒生產(chǎn)期間礦井也不能正常生產(chǎn)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)焊接又因該提升機(jī)為內(nèi)置式提升機(jī)，滾筒內(nèi)數(shù)字傳感器以及編碼器較多，電焊機(jī)在工作時(shí)輸出電壓30V，超過(guò)傳感器以及編碼器工作電壓，不能在滾筒上直接作業(yè)。

（3）專(zhuān)家一致認(rèn)為目前國(guó)內(nèi)無(wú)法解決，即使處理也是嘗試性的，劉莊煤礦作為生產(chǎn)礦井時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益損失嚴(yán)重。

5 處置方法

2018年2月9日，劉莊礦業(yè)有限公司與天津西馬格特寶機(jī)械有限公司簽訂了“劉莊主井2套6繩電機(jī)內(nèi)裝式摩擦提升機(jī)摩擦滾筒加固”的技術(shù)協(xié)議，由天津西馬格特寶對(duì)兩臺(tái)提升機(jī)進(jìn)行加固處理：

（1）此次加固采取加固板夾持加固方案。其中，東車(chē)提升機(jī)配備4套加固板，3套用于加固裂紋，第四套用于平衡配重。西車(chē)提升機(jī)配備2套加固板，南北側(cè)裂紋對(duì)角加固。

（2）根據(jù)裂紋位置及裂紋參數(shù)采用內(nèi)外夾板夾持，內(nèi)夾板才采用加長(zhǎng)板（690mm）,延伸至第一個(gè)繩槽。外夾板為兩塊，長(zhǎng)夾板為380mm，放置在制動(dòng)盤(pán)和第一個(gè)繩槽之間。短夾板為60mm，放置在第一個(gè)繩槽和第二繩槽之間。夾板之間通過(guò)三排共計(jì)24顆高強(qiáng)度螺栓連接，螺栓預(yù)緊力1225Nm。連接的鉆孔工作在現(xiàn)場(chǎng)完成，為減少鉆孔數(shù)量，現(xiàn)場(chǎng)使用現(xiàn)有的部分吊具安裝孔。

（3）現(xiàn)場(chǎng)加固步驟：釋放滾筒上的所有載荷（箕斗和鋼絲繩）；停機(jī)、抱閘，電機(jī)斷電，滾筒筒殼接地；打開(kāi)滾筒上的檢修孔，在滾筒內(nèi)部放置保護(hù)膜，以保護(hù)電機(jī)；清理夾板安裝區(qū)域的灰塵和油脂，內(nèi)部和外部；打磨夾板安裝區(qū)域，內(nèi)部和外部；在滾筒外殼上放置外加板，用電焊固定；在滾筒內(nèi)殼上放置內(nèi)加板，用電焊固定；在滾筒內(nèi)部用一個(gè)袋子包住鉆孔周?chē)占橄?；在滾筒外殼上固定磁力鉆；在筒殼和內(nèi)夾板上打孔；放置螺栓、螺帽及墊片，預(yù)緊固螺栓；重新放置磁力鉆，打另一孔；緊固所以螺栓；機(jī)械慢速轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒到下一個(gè)位置；同樣的步驟，安裝下一個(gè)夾板。

6 有限元分析

劉莊礦兩臺(tái)主井提升機(jī)滾筒裂紋出現(xiàn)缺陷后，西馬格進(jìn)行了加固，加固后滾筒的質(zhì)量重新進(jìn)行了分布，結(jié)構(gòu)的板厚也不一樣了，為了搞清楚目前的受力分布情況，應(yīng)進(jìn)行有限元計(jì)算，通過(guò)計(jì)算機(jī)三維實(shí)體造型、劃分單元網(wǎng)格、加載外力和載荷，計(jì)算各單元的受力狀況，為應(yīng)力實(shí)測(cè)選點(diǎn)提供幫助。提升機(jī)載荷情況：提升機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)自重載荷；螺栓預(yù)緊力載荷1400N·m；提升鋼絲繩對(duì)滾筒圓周上的徑向壓力；提升機(jī)轉(zhuǎn)子與定子作用面施加電磁力矩克服鋼絲繩與襯墊摩擦產(chǎn)生的扭矩，該值可有額定轉(zhuǎn)矩求得，為1065.5kN·m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，給出環(huán)形電機(jī)最大磁拉力為80KN。徑向壓力沿圓周的分布由歐拉公式求得：

式中，F(xiàn)X為下降側(cè)鋼繩動(dòng)張力，u為傳遞動(dòng)張力所需要的摩擦系數(shù)，n為鋼絲繩根數(shù)，D為滾筒直徑，t為摩擦襯墊底寬度，θ為變圍包角，下降側(cè)鋼絲繩的切出點(diǎn)θ＝0°，上升側(cè)鋼絲繩的切入點(diǎn)θ＝193°23′57″。

7 結(jié)語(yǔ)

加工完成后，絞車(chē)一直按原負(fù)荷運(yùn)行，不存在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，通過(guò)有限元分析確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)。近兩年來(lái)，經(jīng)國(guó)家礦山機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，每間隔兩個(gè)月時(shí)間的持續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)提升機(jī)滾筒開(kāi)裂部位加固后固定螺栓附近的應(yīng)力檢測(cè)分析，在空載、半載及滿載工況下從啟動(dòng)——平穩(wěn)運(yùn)行——停止各階段的動(dòng)載荷普曲線及應(yīng)力數(shù)據(jù)。從應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的報(bào)告上來(lái)看，整體上東車(chē)提升機(jī)應(yīng)力、制動(dòng)盤(pán)接縫變化都比較穩(wěn)定。西車(chē)提升機(jī)7個(gè)測(cè)點(diǎn)中有五個(gè)測(cè)點(diǎn)不穩(wěn)定，2019年6月～8月應(yīng)力有所增大，之后相對(duì)穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)兩年的數(shù)據(jù)對(duì)比，兩車(chē)基本安全穩(wěn)定。

本次絞車(chē)滾筒出現(xiàn)裂紋后，沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可循，經(jīng)過(guò)科學(xué)冷靜的分析，不僅避免了礦方的停產(chǎn)，也縮短了停產(chǎn)時(shí)間。修復(fù)后的絞車(chē)滾筒達(dá)到了強(qiáng)度要求，避免了經(jīng)濟(jì)損失，還創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)和時(shí)間效益。通常本次絞車(chē)滾筒開(kāi)裂的分析處理與探討，提供了解決此類(lèi)問(wèn)題的正確方法，具有一定的借鑒價(jià)值。