摩擦式提升機主繩換繩工藝應用與研究

首鋼灤南馬城礦業(yè)有限責任公司 河北唐山 063501

我國地域遼闊、礦產(chǎn)資源儲備豐富，礦山企業(yè)眾多，每年需要更換的主、尾繩數(shù)量龐大。許多礦山企業(yè)成立了專業(yè)的換繩隊伍，換繩工藝、工具也在逐步改進?，F(xiàn)在人工換繩時間為 2～3 d，所用換繩人員 30～40 人。但由于沒有從工裝上改變，所以人工換繩效率低，安全風險高。

杏山鐵礦是首鋼礦業(yè)公司第一家地下開采礦山，年產(chǎn)鐵礦石 320 萬 t，成為我國僅次于梅山鐵礦 (年產(chǎn) 400 萬 t)的大型地下礦山。該礦有一條主井、一條副井。主副井均為井塔 6 繩摩擦式提升機，主井主繩更換采用舊繩帶新繩的人工換繩工藝，副井采用以換繩車為核心，配合使用收放繩絞車、主繩起重裝置等機械換繩專用設備的換繩工藝。筆者提出一種改進的換繩法，先收舊繩后放新繩，新舊主繩在井口自動對換，提高了換繩效率。

1 主井換繩工藝

1.1 主井提升系統(tǒng)概況

杏山鐵礦主井井口標高為 +132 m，井底標高為-481.8 m，井塔總高為 77.5 m，導向輪平臺高 52.7 m，提升機平臺高 62.9 m，卸載標高為 +22 m，裝載標高為 -438 m；提升機最大靜張力為 1 030 kN，最大靜張力差為 270 kN；提升容器采用 10 m3雙箕斗提升，總質(zhì)量為 25 t (含主、尾繩懸掛裝置)，有效載質(zhì)量為 21.6 t；主繩型號 6V×37+FC-φ36-1770，理論長度為 680 m，單位質(zhì)量為 5.45 kg/m；尾繩型號35×7+FC-φ48-1570，單位質(zhì)量為 10.44 kg/m。

1.2 靜張力計算

2 號箕斗下放新繩，其最大靜張力

式中：L1為 2 號箕斗側(cè)主繩長度，m；L2為 2 號箕斗側(cè)尾繩長度，m；G1為主繩單位質(zhì)量，kg/m；G2為尾繩單位質(zhì)量，kg/m；G3為箕斗總質(zhì)量，kg；n為 2 號箕斗側(cè)復合板卡數(shù)量，16 副；g為復合板卡質(zhì)量，30 kg/副。

1 號箕斗側(cè)最大靜張力

式中：L3為 1 號箕斗側(cè)主繩長度，m；L4為 1 號箕斗側(cè)尾繩長度，m。

提升機最大靜張力為 1 030 kN，1、2 號箕斗的最大靜張力均小于此值，滿足要求。

1 號、2 號箕斗的最大靜張力差

F=F1-F2=584.18 -434.54=149.64 kN，149.64 ＜ 270 kN，滿足要求。

1.3 換繩流程

(1)利用 8 層小絞車依次將 6 根新繩提升至 4 層，繩頭每隔 300 mm 用麻繩和細鐵絲綁扎 (200 mm 一段)，共 4 道，并在 3 層用鋼絲繩卡將 1 號箕斗側(cè)新舊繩連接；

(2)2 號箕斗慢下，在繩卡到達導向輪前停車，在 3 層打 1 副鋼絲繩卡并拆除上 1 道繩卡，待繩頭繞過主滾筒后，在 2 號箕斗側(cè)新繩頭處重新打 1 副繩卡，依次交替打卡，直至新繩頭到達 6 層罐道梁，固定新繩頭；

(3)利用天車將滾筒上的新舊繩分開；

(4)2 號箕斗慢上，將新繩臨時固定在 2 號箕斗側(cè)的楔形繩環(huán)上，每根繩用 9 副繩卡固定；

(5)2 號箕斗慢下，舊繩帶新繩，每 30 m 停車打1 副復合板卡，每隔 100 m 打 1 副鋼絲繩卡，防止新繩溜繩，直至井底；

(6)利用主繩起重裝置將 2 號箕斗側(cè)舊繩鎖住，1號箕斗側(cè)新繩與楔形繩環(huán)直接固定；

(7)將導向輪和主滾筒新舊繩交換入槽；

(8)2 號箕斗上提，邊收舊繩邊拆除復合板卡，30 名崗位人員配合牽引、盤繩；

(9)2 號箕斗側(cè)新繩入楔形環(huán)，用小絞車將剩余舊繩頭順至地面，調(diào)繩試車，換繩結(jié)束。

換繩整體用時 48 h 左右，需換繩人員 35 人 (不含盤繩崗位人員)。

1.4 換繩過程中的問題

(1)井塔樓內(nèi)立體交叉作業(yè)，存在高空墜物風險，安全隱患大；

(2)放新繩和回收舊繩時采用人工盤繩，盤繩速度無法與提升機速度同步，多次造成鋼絲繩托地，并隨著人員體力下降，出現(xiàn)必須停車等待人工收繩的現(xiàn)象；

(3)新舊繩受力與不受力時均會釋放應力，人工盤繩無法保證鋼絲繩有足夠的張力，導致鋼絲繩打結(jié)，給換繩工作帶來困難。

2 副井換繩工藝

2.1 副井提升系統(tǒng)概況

杏山鐵礦副井井塔總高 37.37 m，導向輪平臺高21 m，提升機平臺高 27.55 m，井口標高 +132 m，井下最低水平標高 -480 m；提升機最大靜張力為 490 kN，最大靜張力差 137.2 kN；提升容器采用罐籠+平衡錘，罐籠質(zhì)量為 14.5 t，平衡錘質(zhì)量為 22 t；主繩型號 6V×34+FC-φ28-1770，裝機長度為 690 m，單位質(zhì)量為 3.18 kg/m；尾繩型號 34×7+FC-φ40-1570，單位質(zhì)量為 6.24 kg/m。

2.2 換繩車工作原理

換繩車由導向輪、履帶和車架、直線絞車、液壓系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)等五大部分組成。以履帶式行走車體作為移動的載體，其行走動力來自液壓系統(tǒng)，行走速度大于 1 km/h，操作分為行走狀態(tài)和工作狀態(tài)。在行走狀態(tài)，使用遙控裝置實現(xiàn)換繩車地面位置調(diào)整。車輛就位后進入工作狀態(tài)。工作狀態(tài)是以液壓系統(tǒng)為動力源，對 2 臺直線絞車進行操作。直線絞車是換繩車對鋼絲繩產(chǎn)生收、放力的單元。每臺直線絞車有 2臺低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩電動機，通過電動機的旋轉(zhuǎn)帶動傳動鏈條前后運動。傳動鏈條上安裝有夾持體，在夾持力作用下夾緊鋼絲繩，滿足鋼絲繩對收繩和放繩力量的需求，從而實現(xiàn)鋼絲繩的前后運動。副井換繩如圖1 所示。從圖 1 (a)～(g)，依次為：①換繩車就位，導向輪就位，確定容器位置；② 卡托器卡主罐籠，舊繩進換繩車；③收回舊繩；④ 翻繩，舊繩帶新繩到A 側(cè)容器；⑤ 做 A 側(cè)懸掛；⑥ 放新繩；⑦ 做 B 側(cè)懸掛。

圖1 副井換繩示意Fig.1 Sketch of rope replacement in auxiliary shaft

2.3 換繩流程

首先更換 1、6 號鋼絲繩 (主繩編號從東往西依次為 1、2、3、4、5 和 6 號)。

(1)將罐籠停至標高 +125 m 位置，換繩車通電試車后，將換繩車開至井口西側(cè)合適位置，并提前將導向輪伸出。將引繩穿過換繩車，使其對應更換舊主繩，利用 6 副 U 形卡緊固連接。在井塔 3 層平衡錘側(cè)，用楔形卡繩器將 6 根舊繩鎖緊。給 2、3、4 和 5號主繩的懸掛液壓缸打壓，關閉對應球閥；給 1、6號繩液壓缸泄壓，使其松弛。在楔形繩環(huán)上方 0.5 m處，割斷 1、6 號鋼絲繩，用 2 t 倒鏈固定 1、6 號懸掛裝置。

(2)以 0.1 m/s 速度下放罐籠，將 1、6 號舊繩穿過換繩車。換繩車調(diào)整壓力至 13 MPa (拉力為 5 t)，夾緊壓力為 6.5 MPa，收緊舊繩。如果平衡錘側(cè)舊繩特別松弛，先把壓力調(diào)整至 16 MPa (拉力為 6.7 t)，把舊繩收緊，然后再下降至 13 MPa，直至舊繩收完。

(3)換繩車放松舊繩并反向留住，斷開換繩車前端 1、6 號繩，退出舊繩并穿入新繩。使用 2 副鋼絲繩卡將新繩與罐籠側(cè)舊繩連接，并斷開平衡錘側(cè) 1、6 號舊繩與收繩絞車上的鋼絲繩的連接。用倒鏈固定平衡錘側(cè) 1、6 號懸掛裝置，舊繩帶新繩過滾筒，收繩絞車同時收平衡錘側(cè)舊繩。

(4)解開新舊繩之間的連接，將新繩繩頭固定在井塔套架梁上，并打 1 副鋼絲繩卡。利用 5 層天車和吊帶將新繩與滾筒脫開。以 0.3 m/s 下放罐籠，直至平衡錘達到 2 層便于施工位置。在 5 層將新繩入繩槽，2 層將新繩與平衡錘側(cè)懸掛裝置連接。

(5)使用換繩車收緊新繩，壓力上調(diào)至 16 MPa，拉力為 6.7 t，直至平衡錘側(cè)的鋼絲繩張緊，然后下調(diào)至 8 MPa (隨動拉力為 5.3 t)。下調(diào)過程中，觀察鋼絲繩是否在絞車滾筒內(nèi)滑動，并以 0.3 m/s 速度下放新繩，直至罐籠到達井口停車。

(6)用主繩起重裝置卡住平衡錘側(cè)新繩，并向上抽拉，當拉力達到 15.8 t (繩起重調(diào)壓至 3.5 MPa)時停止，換繩車吐出新繩。在井口處斷開 1、6 號新繩，并與罐籠側(cè)楔形繩環(huán)連接。

(7)重復步驟，更換 2、5、3 和 4 號主繩。

(8)對罐調(diào)繩，換繩結(jié)束。

3 主副井換繩工藝對比

3.1 勞動強度

(1)主井換繩中，在牽引新繩頭過主滾筒、放新繩和回收舊繩過程中，需反復打復合板夾和拆除。每30 m 使用 1 副，每副復合板夾重約 30 kg，緊固和拆除過程中，至少需要 4 人共同配合才能完成。這也是導致?lián)Q繩時間長、作業(yè)人員多的主要因素。

(2)隨著鋼絲繩直徑增大、井深加深，使用夾具的數(shù)量也越多，夾具的體積和質(zhì)量也越大，導致?lián)Q繩的勞動強度加大。

(3)機械化換繩利用換繩車自身夾持輸送系統(tǒng)，先收舊繩，然后利用滾筒上剩余舊繩將新繩頭帶過滾筒即可，無需用復合板夾對新舊繩進行連接固定。操作人員僅在繩頭連接時進行繩卡緊固，其余工序均由機械設備完成，勞動強度較小。

3.2 新繩損傷情況

人工換繩對新繩的損傷主要有以下方面：

(1)新繩與物體相碰，新繩外層鋼絲易受到額外擠壓。

(2)舊繩帶新繩時，新繩在繩槽外側(cè)隨舊繩下放，與滾筒間存在滑動摩擦。

(3)用板卡固定時，鋼絲繩受到額外的徑向應力，股與股間相互摩擦。

換繩車夾持機構與鋼絲繩接觸位置采用摩擦襯墊相似材質(zhì)，并且在收放繩過程中，鋼絲繩是相對靜止，不會造成新繩損傷。

3.3 鋼絲繩纏繞情況

(1)舊繩帶新繩過程中，因 6 根舊繩與新繩一同運行，舊繩承重、新繩不承重，如有復合板卡緊固不牢，兩板卡間新繩未繃緊，鋼絲繩因自身扭力釋放旋轉(zhuǎn)，易造成新舊繩纏繞。

(2)回收舊繩時，新繩承重、舊繩不承重，舊繩應力釋放，也易造成新舊繩纏繞。

(3)井深 800 m 以上的礦井換繩時，非抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩應力釋放將更加明顯，人工換繩難度加大。

(4)機械換繩工藝中，收舊繩和放新繩是分開單獨進行的，且收繩和放繩過程中鋼絲繩都是系統(tǒng)承重繩，因此，不會發(fā)生鋼絲繩纏繞現(xiàn)象。

3.4 收放繩的連續(xù)性

(1)人工換繩放新繩和收舊繩中，均無額外的牽引力，保證鋼絲繩的張緊力，只能利用提升系統(tǒng)中受力繩作為換繩牽引力，這就導致新舊繩需要頻繁停車打卡、固定連接，換繩不連續(xù)。

(2)換繩車直線絞車機構 (見圖 2)包含 2 臺直線絞車，連續(xù)使用上下兩組壓塊夾持鋼絲繩。鏈條上裝有提升機摩擦塊材料，摩擦因數(shù)大于 0.2，對鋼絲繩的正壓力小于 5 MPa。鋼絲繩位于上下鏈條摩擦塊的繩槽內(nèi)，上浮動夾頭固定不動，下浮動夾頭在夾緊液壓缸的作用下向上夾緊鏈條；鏈條的主動輪直連液壓缸，驅(qū)動鋼絲繩連續(xù)運動。同時，后側(cè)張緊液壓缸推動后側(cè)張緊鏈輪運動，保證松側(cè)的鏈條張緊，以及鏈條咬合正確。浮動夾頭各個夾持頭內(nèi)裝有滾動軸承，在重載狀態(tài)下發(fā)熱量很小，而且各夾持頭均使用鉸接，能保證鋼絲繩直徑不一致時，受擠壓力仍然相同，保護鋼絲繩。

3.5 換繩速度匹配情況

(1)人工換繩在放繩和收繩過程中，采用人工盤車，無法與提升機檢修速度一致，放新繩時易甩繩，收舊繩時易拖底和纏繞。

(2)換繩車收放繩速度為 0.1～0.4 m/s，能與提升機檢修速度同步，配合電動收放繩絞車，確保收放鋼絲繩連續(xù)、不拖地。

3.6 換繩時間及人員

(1)人工換繩需要 35 人左右 (盤繩人員除外)，作業(yè)時間 2～3 d。換繩車需要 15 人左右 (電動盤繩)，作業(yè)時間 12～24 h。采用換繩車換繩，北洺河鐵礦副井用時 14.5 h，羅河鐵礦主井用時 16 h，葫蘆素煤礦1 號主井用時 16 h，杏山鐵礦副井用時 20 h。

圖2 直線絞車結(jié)構示意Fig.2 Structural sketch of linear winch

(2)隨著井深、繩徑的增加，人工換繩工藝因勞動強度增大，換繩時間明顯加長。機械換繩工藝隨著井深、繩徑的增加，換繩工藝和勞動強度變化不大，換繩時間增幅較小。

3.7 換繩安全對比

(1)人員在井塔內(nèi)交叉作業(yè)，作業(yè)人員多，且多為手持工機具，易發(fā)生高空墜物；復合板卡為對半結(jié)構 (見圖 3)，須用高強螺栓連接。

圖3 復合板卡Fig.3 Composite board clamp

(2)人工緊固時多以個人經(jīng)驗為主，無具體的施工扭力標準，緊固不牢或是兩板卡間主繩未完全拉緊，下放過程中易發(fā)生滑繩危險，安全風險高。

(3)換繩車直線絞車機構，通過直線鏈條液壓夾持系統(tǒng)給鋼絲繩提供夾持壓力和收放繩阻力，確保鋼絲繩恒張力，并與提升機同步運行，不會發(fā)生滑繩危險。人員只需在井口負責繩頭連接和臨時固定，關鍵點位的看護以及觀察設備運轉(zhuǎn)狀態(tài)，安全性較高。

3.8 換繩工藝對鋼絲繩結(jié)構要求

(1)三角股鋼絲繩捻制緊密、強度高、承壓面積大，鋼絲間互相束縛，相互間無法移動位置來適應彎曲，柔韌性較差。因此，人工換繩和機械換繩均能滿足此類結(jié)構鋼絲繩更換工藝要求。

(2)多層抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩與三角股鋼絲繩相比，股數(shù)較多、股徑較細，在切割、收放繩過程中，必須要保證鋼絲繩張力，否則易造成鋼絲繩松捻，影響鋼絲繩使用壽命。

(3)換繩車通過液壓夾持輸送機構，匹配提升機運行速度，能夠在整個換繩過程中保持鋼絲繩恒張力，確保鋼絲繩不松捻。

(4)人工換繩利用復合板卡進行新舊繩固定，且舊繩帶新繩時，新繩不承重，板卡固定不牢或兩板卡間新繩未拉緊，易發(fā)生松捻現(xiàn)象。

隨著瑞海金礦副井 (井深 1 326.5 m)、紗嶺金礦主井 (井深 1 598.5 m)、思山嶺鐵礦混合井 (井深 1 355 m)、馬城鐵礦 3 號主井 (井深 1 137.3 m)等在建礦山的建設，可以看出我國礦山行業(yè)向千米深井的發(fā)展趨勢，以及抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩的應用前景。相比機械換繩，人工換繩工藝不適合此類結(jié)構鋼絲繩的更換。

3.9 調(diào)繩次數(shù)對比

3.9.1 人工換繩

杏山鐵礦主井人工換繩后，需要調(diào)繩 2～3 次，才能滿足安全運行要求。分析其原因有以下方面：

(1)將新繩截繩與楔形環(huán)連接預留長度多。

(2)人工換繩工藝舊繩帶新繩過程中，新繩局部有松弛。

(3)下放過程中，舊繩承重且在繩槽內(nèi)，新繩附在主滾筒繩槽外與舊繩連接，不承重。隨著主滾筒運轉(zhuǎn)下放，新繩長度總要長于舊繩。

(4)新繩載重運行后自身的結(jié)構性延伸。

3.9.2 換繩車機械換繩

杏山鐵礦副井采用換繩車換繩后，只需調(diào)繩 1次，即可滿足安全運行要求。分析其原因有以下方面：

(1)換繩車通過直線絞車機構先收舊繩，利用剩余滾筒到井口之間的舊繩與新繩頭連接形成一體，直接將新繩入槽帶過滾筒與楔形環(huán)進行連接。

(2)下放過程中，新繩已連接在提升容器上，新繩開始承重，且換繩車對新繩施加放繩阻力，隨著新繩的下放起到初步拉伸的作用，減少后期調(diào)繩次數(shù)。

4 結(jié)語

提升鋼絲繩使用壽命因素除設計選型合理、后期及時維護外，安裝工藝的先進性對其的影響也十分重要。多數(shù)礦山企業(yè)十分重視鋼絲繩后期維護管理，反而忽視鋼絲繩安裝過程的把控。安裝過程中對鋼絲繩造成的損傷是不可逆的，尤其是復合板卡對新鋼絲繩內(nèi)部鋼絲擠壓損傷及抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩松捻等隱蔽不易查看部位。換繩車集機電液于一體，以液壓為動力，隨動性好，便于與提升機匹配，滿足換繩時的速度和力量要求，自動化程度高，施工安全，工作效率高，符合當今社會對安全性、高效性的要求和“機械化換人、自動化減人”的設計理念，值得更多礦山企業(yè)采納和推廣。