豎井提升系統(tǒng)首繩斷絲分析

李 東 黃明杰 劉建東 盧坤俊 曹亞楠

（安徽馬鋼張莊礦業(yè)有限責(zé)任公司）

礦井提升鋼絲繩在使用到一定壽命期限時會出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，鋼絲繩的斷絲動態(tài)趨勢和準(zhǔn)確定位是判斷鋼絲繩能否繼續(xù)使用的關(guān)鍵性信息［1］。張莊礦業(yè)公司采用搭配導(dǎo)向輪的井塔式豎井提升系統(tǒng)，并配備直徑4.5 m 的提升機(jī)，設(shè)備型號為JKM4.5×6-PⅢ，搭配ABB 恒減速閘控制系統(tǒng)，提升首繩為6V×37S+FC-φ44-1770，左右捻各3 根。整個提升系統(tǒng)提升高度達(dá)到673 m，加速度0.75 m/s2，鋼絲繩總懸掛長度約750 m，導(dǎo)向輪平臺到提升機(jī)房大廳高度約為10 m。張莊礦業(yè)公司主井在運(yùn)行一段時間后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)首繩出現(xiàn)斷絲情況。

1 鋼絲繩斷絲種類

鋼絲繩的使用壽命是所有礦山企業(yè)所主要的關(guān)注問題，壽命的長短直接影響著成本支出，而鋼絲繩壽命的確定是根據(jù)鋼絲繩內(nèi)部斷絲數(shù)量進(jìn)行確定的。通常鋼絲繩斷絲有疲勞斷絲、磨損斷絲、銹蝕斷絲、拉斷斷絲和扭斷斷絲5大類型［2］。

（1）疲勞斷絲指鋼絲繩在長期使用中承受彎曲疲勞、拉伸疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、振動疲勞等，鋼絲繩中的局部最高應(yīng)力處的最弱及應(yīng)力最大鋼絲內(nèi)部晶粒上形成微裂紋，然后隨著裂紋逐步發(fā)展，最終導(dǎo)致疲勞斷絲。疲勞斷絲經(jīng)歷了裂紋形成、裂紋擴(kuò)展、斷絲3個階段。疲勞斷絲判斷方法為斷口比較平齊，如圖1所示。

（2）鋼絲繩在過摩擦輪、導(dǎo)向輪時，由于鋼絲繩內(nèi)每根鋼絲的曲率半徑不同，或由于鋼絲繩在受力過程中，鋼絲繩內(nèi)部鋼絲彈性模量存在差別，導(dǎo)致鋼絲形成相對滑動，從而造成鋼絲磨損斷絲。判斷方法為斷頭兩側(cè)成斜茬，端口扁平，如圖2所示。

（3）銹蝕斷絲是因鋼絲繩長期暴露在腐蝕性氣體等環(huán)境中，由外界環(huán)境電腐蝕產(chǎn)生損傷。因腐蝕而受損的鋼絲繩表面存在氧親和性的差異，使表面的某一局部金屬成陽極，另一相鄰部位成陰極，形成了大量的小電池。在小電池的作用下，表面便形成許多凹坑，并且逐步加深，隨著這些凹坑形成應(yīng)力集中點，促進(jìn)疲勞斷絲。判斷方法為斷頭成釬尖狀或存在凹坑，如圖3所示。

（4）拉斷斷絲為鋼絲繩在受到超過鋼絲繩受力極限時，導(dǎo)致斷絲的情況。判斷方法為端頭呈錐形，如圖4所示。

（5）扭斷斷絲為鋼絲繩在松弛“打結(jié)”狀態(tài)下又突然受到較大拉力的作用，從而出現(xiàn)鋼絲繩內(nèi)部鋼絲扭斷的現(xiàn)象。判斷方法為斷口呈扭劈斜茬形狀，如圖5所示。

盡管鋼絲繩斷絲種類較多，但斷絲的主要原因是鋼絲繩的疲勞導(dǎo)致的斷絲。

2 張莊礦業(yè)首繩斷絲類型確定

從圖6可以看出，此鋼絲繩斷絲樣品其斷口均比較平，未見明顯磨損、銹蝕錐頭等其他特征，故可判斷張莊礦主井首繩斷絲屬于疲勞斷絲。

3 斷絲分布分析

3.1 數(shù)學(xué)建模定位

為了方便定位，將1#箕斗（導(dǎo)向輪側(cè)箕斗）在停車點位置時，2#箕斗導(dǎo)向輪平臺側(cè)鋼絲繩定為0點，建立直線坐標(biāo)系，則在運(yùn)行過程中經(jīng)過導(dǎo)向輪及摩擦輥筒的整個鋼絲繩范圍近似為+20～-673m如圖7所示。

3.2 斷絲趨勢分析

整個提升系統(tǒng)在一個提升周期中可由加速階段、減速階段、勻速階段、爬行階段、休止階段構(gòu)成，不同礦井各相關(guān)階段各異。張莊礦業(yè)公司主井提升系統(tǒng)整個運(yùn)行曲線圖如圖8所示。

在發(fā)現(xiàn)主井首繩出現(xiàn)斷絲后，現(xiàn)場加強(qiáng)對主井鋼絲繩進(jìn)行詳細(xì)檢查，直至新繩完成更換為止。結(jié)合圖8，可得1#箕斗T0～T3階段視為加速區(qū)，其對應(yīng)的鋼絲繩位置為-663～-543 m；1#箕斗的T4～T5 階段視為減速區(qū)，其對應(yīng)的鋼絲繩位置為+10～-124 m；類似可得2#箕斗T0～T3階段為加速區(qū)，其對應(yīng)的鋼絲繩位置為+10～-110 m；2#箕斗T4～T5 階段為減速區(qū)，其對應(yīng)的鋼絲繩位置為-663～-529 m。經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計分析可得張莊礦業(yè)公司1#～6#每根提升首繩上的斷絲點數(shù)量如表1所示。

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對于單根鋼絲繩來說，各鋼絲繩斷絲主要分布在鋼絲繩0～-150 m及-500～-650 m，即2個箕斗的加/減階段，這2 個階段內(nèi)鋼絲繩長度約占總長度的30.0%，但所出現(xiàn)的斷絲數(shù)占總斷絲數(shù)的93.1%。

4 斷絲面積判斷

6V×37S+FC-φ44由6股、每股37根鋼絲、共222根鋼絲組成，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

按照《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB16423）［3］相關(guān)規(guī)定，鋼絲繩一個捻距內(nèi)的斷絲斷面積與鋼絲總斷面積之比達(dá)到5%時應(yīng)更換。根據(jù)廠家產(chǎn)品手冊，6V×37S+FC-φ44鋼絲繩鋼絲規(guī)格如表2所示。

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鋼絲總面積S的計算公式為

式中，Si=d2iπ/4（i=1，2，3，4）；S1為鋼絲繩最外層每根鋼絲面積，mm2；S2為次外層每根鋼絲面積，mm2；S3為股芯外層每根鋼絲面，mm2；S4為股芯中間每根鋼絲面積，mm2。

因繩中填充絲僅起填充作用，計算截面積時不給予考慮，且因最外層鋼絲直徑最大，所此處以最外層鋼絲截面積來計算最大斷絲數(shù)Kmax，即

聯(lián)合式（1）、式（2），并將表2 中數(shù)據(jù)代入得Kmax=7.5，此處取數(shù)值7。

5 斷絲趨勢分析

隨著提升系統(tǒng)的不斷運(yùn)行，鋼絲繩反復(fù)受彎曲、拉伸［4］，加上應(yīng)力集中等作用，鋼絲繩出現(xiàn)斷絲將呈上升趨勢，如圖10所示。

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結(jié)合圖10 及表3 可看出，隨著鋼絲繩的不斷使用，斷絲的出現(xiàn)會加劇應(yīng)力集中［5］，不但各繩內(nèi)斷絲數(shù)量逐漸增多，而且單根鋼絲繩內(nèi)單個捻距內(nèi)斷絲數(shù)也隨之增多。從2019年10月9日至2020年2月28日約4 個月時間，一個捻距內(nèi)最大斷絲數(shù)從1 根增至3 根，且一個捻距內(nèi)斷絲2 根的數(shù)量也有19 處，但均未達(dá)到更換的標(biāo)準(zhǔn)，截止2020年2月28日，鋼絲繩仍可繼續(xù)使用大概約3～4 個月。由此可知張莊礦業(yè)公司主井提升首繩首次出現(xiàn)斷絲開始，可繼續(xù)使用5～7個月，具體需根據(jù)實際情況確定。

6 增加鋼絲繩使用壽命的建議

（1）主提升鋼絲繩應(yīng)優(yōu)先選擇面接觸型鋼絲繩，繩芯選擇纖維芯，且浸泡潤滑脂。

（2）主井提升鋼絲繩在使用過程中應(yīng)盡量控制箕斗卸載時的撒礦情況，防止砸傷鋼絲繩。

（3）盡量避免設(shè)備急停、卡罐等受外力拉拽現(xiàn)象，防止鋼絲繩受傷。

（4）提升系統(tǒng)測速編碼器確保安裝精度，減少運(yùn)行時的容器抖動。

（5）各繩槽直徑在滿足相關(guān)要求的前提下越小越好，減少鋼絲繩因運(yùn)行過程中的躥繩。

（6）選擇合理的激加/減速度，避免突變現(xiàn)象，確保鋼絲繩在運(yùn)行過程中受力變化平緩。

7 結(jié) 語

通過此方法能動態(tài)掌握提升系統(tǒng)中首繩斷絲趨勢，發(fā)現(xiàn)斷絲分布特點，從而發(fā)現(xiàn)斷絲密集區(qū)?？梢愿鶕?jù)趨勢預(yù)估首繩的使用期限，為檢修和生產(chǎn)提供指導(dǎo)。