礦井多繩摩擦提升機防滑卡繩技術(shù)研究

霍鵬新

（昔陽縣煤礦安全監(jiān)管巡查隊， 山西 昔陽 045300）

引言

礦井提升機主要用以運送人員、材料、設(shè)備等，在礦井運輸系統(tǒng)中起著重要作用[1]。隨著礦井生產(chǎn)能力的不斷提升，提升機故障率有所增加[2-3]。為了降低提升機故障發(fā)生率，眾多學(xué)者展開了廣泛研究。孫富寶[4]對提升機鋼絲繩換繩工藝進行改進，降低了鋼絲繩換繩時間、提高了作業(yè)安全性；徐龍增[5]設(shè)計了一種提升機鋼絲繩制動機構(gòu)，降低了提升機拆裝工作強度。因此，在前人研究基礎(chǔ)上，對提升機鋼絲繩制動結(jié)構(gòu)、襯墊結(jié)構(gòu)以及鍥盒結(jié)構(gòu)進行分析，以期能解決鋼絲繩在使用過程中出現(xiàn)滑動問題，提高提升機運行可靠性。

1 礦井多繩摩擦提升機結(jié)構(gòu)分析

礦井多繩摩擦提升機主要分為井塔式、落地式兩種類型，其中井塔式具有抗震性能好、造價低、井架結(jié)構(gòu)簡單、施工周期短等優(yōu)點，落地式具有鋼絲繩不裸露、結(jié)構(gòu)緊湊、占據(jù)空間小、載荷垂直向下等優(yōu)點。具體井塔式、落地式多繩摩擦提升機結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 多繩摩擦提升機結(jié)構(gòu)

在提升機設(shè)計階段就對提升機鋼絲繩防滑性能進行驗算，但是在具體使用過程中提升機仍會出現(xiàn)滑動事故，具體原因主要為：提升機啟動或者制動力矩有過大調(diào)整；提升機配重不足或者提升超載；提升機摩擦襯墊提供的摩擦系數(shù)過低。

2 提升機防滑卡繩設(shè)計

在多繩摩擦提升機上安裝的防滑卡繩應(yīng)具備以下功能：可以監(jiān)控提升機提升位置、運行速度及運行方向等參數(shù)；能夠?qū)崿F(xiàn)卡繩、防滑等功能切換，同時不會給正常的維修、換繩等工作帶來影響；根據(jù)提升機運行工況差異，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)；當(dāng)鋼絲繩有滑動時，能夠及時制動滑動鋼絲繩，同時發(fā)出聲光報警信號。

2.1 鋼絲繩摩擦襯墊結(jié)構(gòu)形式

只有在多繩摩擦提升機出現(xiàn)危險時防滑卡繩機構(gòu)才會動作，即鋼絲繩出現(xiàn)意外快速下落或者滑而不止時，防滑卡繩機構(gòu)才會與鋼絲繩直接接觸從而增加鋼絲繩摩擦力，使得鋼絲繩停止運行，為了降低襯墊對鋼絲繩損傷并增加制動時的摩擦力。在制動過程中若摩擦襯墊選用平面布置方式（見圖2），摩擦襯墊出現(xiàn)損傷后鋼絲繩容易嵌入到摩擦襯墊內(nèi)，從而導(dǎo)致無法進一步增加摩擦力。為此，提出將摩擦襯墊設(shè)計為鋸齒形（見下頁圖3），摩擦襯墊磨損后仍可以給鋼絲繩提供足夠摩擦力，從而實現(xiàn)高效制動目的。

2.2 鋼絲繩制動機構(gòu)設(shè)計

圖2 平面防滑襯墊結(jié)構(gòu)

圖3 鋸齒形防滑襯墊結(jié)構(gòu)

具體設(shè)計的鋼絲繩制動機構(gòu)結(jié)構(gòu)見下頁圖4，在鋼絲繩制動機構(gòu)動作時，可以實現(xiàn)對鋼絲繩預(yù)緊；當(dāng)對鋼絲繩進行更換或者調(diào)繩時，制動結(jié)構(gòu)仍可應(yīng)可以夾緊鋼絲繩，前者是動態(tài)對鋼絲繩制動，后者則靜態(tài)對鋼絲繩制動。因而設(shè)計的鋼絲繩制動機構(gòu)可以通過更換防滑鍥塊、卡繩來實現(xiàn)上述功能。鋼絲繩防滑、卡繩過程切換時僅需更換較輕零部件即可，整個過程簡單，可顯著降低作業(yè)人員勞動強度及作業(yè)時間。

圖4 鋼絲繩制動機構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.3 鍥盒設(shè)計

鍥盒的主要功能是固定鍥塊及圓形滾子，當(dāng)需要對鋼絲繩進行制動時通過圓形滾子作用將鋼絲繩與鍥塊作用力傳輸給鍥盒。在設(shè)計鍥盒時，結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，從而提升鍥盒可用性，具體設(shè)計的鍥盒結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 鍥盒結(jié)構(gòu)示意圖

3 鋼絲繩制動機構(gòu)卡繩結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 卡繩鍥塊受力校核

采用ANSYS 對設(shè)計的鋼絲繩制動機構(gòu)卡繩鍥塊受力狀態(tài)進行分析，從模擬得出，卡繩鍥塊在制動時，鍥塊受到的最大應(yīng)力為80 MPa，位于鍥塊斜面底部位置；鋼絲繩與鍥塊接觸面積較大，接觸區(qū)域內(nèi)應(yīng)力均值為36 MPa，在接觸區(qū)兩側(cè)的應(yīng)力值較中間位置高；從卡繩鍥塊變形模擬分析發(fā)現(xiàn)，鍥塊最大變形量為0.010 5 mm，變形量最大位置出現(xiàn)在鋼絲繩與鍥塊接觸區(qū)域的下端，在垂直面由內(nèi)向外鍥塊變形趨勢逐漸增加。卡繩鍥塊總體受力、變形均在合理范圍內(nèi)。

3.2 鍥盒受力校核

鍥盒是鋼絲繩制動的關(guān)鍵零部件，采用ANSYS對制動時鍥盒受力進行分析，當(dāng)圓形滾子組件預(yù)先設(shè)定的摩擦力為11.9 kN 時，鍥盒受到的來至于圓形滾子壓力設(shè)定為396.7 kN，在鍥盒底部施加約束。

從模擬得出，鍥盒受力最大位置出現(xiàn)在鍥盒連接孔側(cè)，最大受力達到110.6 MPa，應(yīng)變量最大點位于鍥盒斜面上段，最大值為0.026 9 mm。通過模擬得出，設(shè)計的鍥盒受力、應(yīng)變量均在允許范圍內(nèi)，可以確保鍥盒正常運行。

4 防滑卡繩電控系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)礦井多摩擦提升機鋼絲繩制動機構(gòu)功能需要，采用的防滑卡繩應(yīng)可以自動對鋼絲繩進行制動，具體設(shè)計的防滑卡繩電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 防滑卡繩電控系統(tǒng)運行原理

多繩摩擦提升機通過摩擦輪與鋼絲繩間的摩擦力進行動力傳到，導(dǎo)向輪、鋼絲繩間不存在摩擦力傳遞，因此可以通過監(jiān)測導(dǎo)向輪、摩擦輪運行速度來判定鋼絲繩是否出現(xiàn)滑動問題；通過監(jiān)控加載液壓缸壓力可以得到制動機構(gòu)實時制動壓力值，從而實現(xiàn)制動力閉環(huán)反饋控制；通過檢測加載油缸伸縮狀態(tài)可以掌握摩擦襯墊磨耗以及液壓油缸加裝狀態(tài)。電控系統(tǒng)控制中心為PLC300 控制器，并采集來至于導(dǎo)向輪、摩擦輪、液壓油壓力、伸縮量等信號，通過控制電液比例閥、液壓油缸及液壓站電機從而綜合實現(xiàn)多繩摩擦提升機防滑制動，同時系統(tǒng)的運行信息可以在屏上顯示。

5 結(jié)論

1）依據(jù)礦井采用的多繩摩擦提升機結(jié)構(gòu)，對防滑襯墊、鋼絲繩制動機構(gòu)以及鍥盒進行設(shè)計。設(shè)計的提升機防滑結(jié)構(gòu)可以增加提升機運行可靠性及穩(wěn)定性。

2）采用ANSYS 軟件對設(shè)計的卡繩鍥塊、鍥盒受力、變形情況進行校核，結(jié)果顯示，卡繩鍥塊受力、變形均在合理的范圍內(nèi)，性能可以滿足后續(xù)使用需要。

3）對防滑卡繩電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，該系統(tǒng)控制中心為PLC300，通過監(jiān)控摩擦輪、導(dǎo)向輪速度差來判定鋼絲繩是否出現(xiàn)滑動。通過監(jiān)測液壓油缸伸縮狀態(tài)以及壓力，判定制動機構(gòu)運行情況，通過控制電液比例閥、液壓油缸及液壓站電機實現(xiàn)鋼絲繩制動的自動控制。