自平衡舉升多繩摩擦提升機調(diào)繩裝置優(yōu)化與應用

倪少軍，趙新宇，李慎君，魏京勝

(1.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限公司 麥垛山煤礦，寧夏 銀川 750011；2.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

礦井提升機是立井提升礦井人員、物料垂直運輸?shù)闹匾b置，是煤礦生產(chǎn)的“咽喉”。提升機的可靠運行不僅影響礦井安全生產(chǎn)，也與礦工生命安全息息相關(guān)[1-3]。由于多繩摩擦式提升機具有提升能力大、安全性高等顯著優(yōu)點，成為目前立井提升設備的主要選擇[4，5]。麥垛山煤礦是國家能源集團寧夏煤業(yè)的千萬噸級礦井，設計年生產(chǎn)能力800Mt，副立井采用多繩摩擦提升機作為人員、物料及大件設備的提升裝置，因該礦工作量大、提升載荷大，副井提升機竄繩與調(diào)繩的次數(shù)較多[6，7]。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》條例有關(guān)規(guī)定，提升裝備發(fā)生安全故障或事故造成鋼絲繩的損壞必須換繩外，摩擦輪式提升機提升鋼絲繩的使用期限不超過2年、平衡鋼絲繩的使用期限不得超過4年[8]。但實際運行中，根據(jù)提升系統(tǒng)安全檢查評估情況[9，10]，該礦采用“平均每年更換一次首繩、兩年更換一次尾繩”的換繩機制，通過提高換繩頻次，確保提升系統(tǒng)的運行安全。當前，在國內(nèi)現(xiàn)有多繩摩擦輪式提升機首繩更換技術(shù)方案較多、技術(shù)相對較成熟，不同技術(shù)方案更換效率及安全性也不同[11-15]。近年來，國外換繩技術(shù)也多是在傳統(tǒng)工藝基礎上的優(yōu)化改進，如利用鋼絲繩繩卡連接提高換繩安全性，該方式雖然可以重復利用，但連接后的鋼絲繩不能扭轉(zhuǎn)、換繩過程中存在安全隱患[16]；在設備方面也有諸多改進，如電機驅(qū)動與行星減速機構(gòu)的移動換繩車具有收放繩速度快、收放力大、效率較高等特點，以及雙筒絞盤式半拖掛車收換繩裝置等設備研究應用[17，18]。但是多數(shù)國內(nèi)外現(xiàn)有換繩方法相對于高產(chǎn)能高頻次換繩礦井來說仍然存在耗時較長、穩(wěn)定可靠性不高等問題。針對麥垛山煤礦副井提升機工作現(xiàn)狀及快速高效安全換繩問題，本文提出了基于液壓夾緊及自平衡舉升技術(shù)的多繩摩擦提升機首繩調(diào)換裝置及工藝，以滿足現(xiàn)場生產(chǎn)需求。

1 副立井調(diào)繩裝置及工作現(xiàn)狀

麥垛山煤礦副立井多繩摩擦提升機型號為JKMD-5.5×4(Ⅲ)，摩擦輪與天輪直徑均為?5.5m、提升鋼絲繩4根、鋼絲繩直徑?60mm，井口標高+1416m、主水平提升高度548m，系統(tǒng)為多水平提升，提升罐籠為一臺特寬罐籠和一臺配重窄罐籠、罐籠自重60t。

因該礦產(chǎn)能大，人員、物料及設備材料等運輸工作量大、提升載荷大，副立井提升機長期處于高負荷、高頻次升降運行，容易使鋼絲繩產(chǎn)生塑性伸長。為了確保多繩摩擦式提升機安全，需要增加竄繩、調(diào)繩次數(shù)，加強運行巡檢和維護保養(yǎng)等工作[19]，也增加了額外復雜工序與工作量和勞動強度。根據(jù)現(xiàn)場分析，目前提升機仍然存在以下安全隱患：

1)高負荷運行下，張力平衡油缸工作行程到極限時間縮短。當工作行程到極限后，必須及時進行竄繩調(diào)繩，將罐籠上提以調(diào)整提升繩松弛度，竄繩次數(shù)也增加，由于罐籠重量大、竄繩起重載荷大，需要大量輔助工具或者專用設備、工作量增加。

2)雖然原有調(diào)繩裝置具備上提罐籠的功能，但因?qū)嶋H運行負荷強度高，竄繩頻次高、上提罐籠難度增加。

3)原有調(diào)繩裝置設計僅通過夾緊外側(cè)兩根鋼絲繩上提罐籠，且由于實際運行負荷強度高于設計負荷，調(diào)繩頻次增大，導致罐籠上提過程中調(diào)繩裝置故障率提高，造成調(diào)繩工期延誤。

4)原調(diào)繩裝置設計的電機驅(qū)動機械手，卡繩機構(gòu)初始夾緊力過小，易發(fā)生初始夾緊力不足的滑繩現(xiàn)象，需反復夾緊操作、存在安全隱患。

由上述問題可見，該礦副立井調(diào)繩裝置工藝與方法亟待改進，以提高調(diào)繩、竄繩工作效率，保證首繩調(diào)換工作安全與施工質(zhì)量，減輕施工人員的勞動強度，確保提升裝置運行安全。

2 多繩摩擦提升機首繩調(diào)換自平衡舉升裝置工作原理

2.1 多繩摩擦首繩調(diào)換自平衡舉升裝置結(jié)構(gòu)

針對麥垛山煤礦副立井多繩摩擦提升機首繩調(diào)換存在的問題，對首繩調(diào)換裝置進行改進。改進后的多繩摩擦提升機首繩調(diào)換系統(tǒng)配備液壓夾緊自平衡舉升裝置，該裝置主要由上卡繩機械手、下卡繩機械手、平移式舉升機構(gòu)和整體導向底座等部分組成，如圖1所示。改進的首繩調(diào)換裝置是一套集機-電-液一體化設備，主要采用了雙楔卡繩機械手和液壓夾緊技術(shù)，并配自平衡舉升液壓系統(tǒng)。在液壓系統(tǒng)驅(qū)動與控制下，較好地保證了初始夾緊力，又能保證在鋼絲繩受壓變形的工況下安全可靠地夾緊鋼絲繩。

2.2 工作原理

如圖1所示，自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置上下機械手組采用整體橫梁式結(jié)構(gòu)，上下機械手鋼絲繩夾緊機構(gòu)均采用雙楔結(jié)構(gòu)，可同時上下夾緊四根鋼絲繩，也可單獨夾緊某一根鋼絲繩。機械手夾緊機構(gòu)采用液壓馬達配合齒輪嚙合驅(qū)動楔形機構(gòu)上下動作，實現(xiàn)了鋼絲繩可靠的夾緊保持作用或準確釋放功能。

圖1 液壓夾緊自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置圖

上卡繩機械手組通過連接銷軸與平移式舉升機構(gòu)連接，當上卡繩機械手組在卡緊提升繩并舉升時，由液壓馬達驅(qū)動的四組油缸為平移式舉升機構(gòu)提供驅(qū)動力。在液壓驅(qū)動力作用下，機械手組夾緊鋼絲繩，并提升鋼絲繩和罐籠，每次舉升行程0.8m，舉升重量120t。為了確保在最大載荷時系統(tǒng)壓力穩(wěn)定可靠，在驅(qū)動液壓系統(tǒng)中配置雙向液壓鎖，并且在液壓鎖至油缸間采用耐高壓無縫鋼管連接。

首繩調(diào)換時自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置安裝在天輪平臺大、小罐籠提升繩之間，為了保證罐籠兩側(cè)調(diào)繩裝置均可調(diào)節(jié)，該裝置設置了整體導向底座和導向橫梁，可利用液壓驅(qū)動馬達帶動鏈條實現(xiàn)裝置的機械手組和舉升機構(gòu)移動與行走。

自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置具有穩(wěn)定的初始夾緊力、整體式平移進繩方式、穩(wěn)定的多缸自平衡舉升結(jié)構(gòu)等特點，充分地保證了設備的工作載荷和工作可靠穩(wěn)定性。但由于該裝置的上卡繩機械手組較長(跨越4～6個繩間距，繩間距一般為300mm或350mm)，在向上舉升過程和向下帶載荷下放過程中，機械手組的整體水平控制性能，直接影響了舉升可靠性能的發(fā)揮；其二是在裝置兩側(cè)的舉升機構(gòu)上部裝有導向柱，如果上卡繩機械手組行進過程中水平偏差如果過大，則會出現(xiàn)導向柱與油缸行進線不平行的現(xiàn)象，進而產(chǎn)生極大的摩擦阻力，甚至直接導致舉升動作出現(xiàn)卡滯停頓現(xiàn)象。

3 提升機首繩快速換繩自平衡舉升系統(tǒng)優(yōu)化與特征

3.1 自平衡舉升首繩調(diào)換裝置安全優(yōu)化措施

鑒于上述改進裝置的不足，為確保改進裝置的首繩調(diào)換工作安全高效實施，對系統(tǒng)裝置進行了多項優(yōu)化設計：

1)為實現(xiàn)舉升動作的平衡性、防止舉升動作卡滯，對舉升機構(gòu)的液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，實現(xiàn)了首繩調(diào)換裝置的液壓驅(qū)動自平衡舉升功能，原理如圖2所示。

圖2 自平衡舉升液壓原理

首先該液壓系統(tǒng)利用與油缸下腔連通的高精度分集流同步閥實現(xiàn)上舉動作時的平衡性，保證四根油缸的單位時間內(nèi)行程均相同，從而保證了上舉載荷時的自平衡功能；其次利用與油缸下腔連接的單平衡閥，控制帶載下放時載荷壓迫油缸活塞桿加速下行速度，有效解決了由此產(chǎn)生的沖擊和不平衡問題；然后利用與油缸兩腔連接的雙向液壓鎖，實現(xiàn)帶載運行過程中，液壓系統(tǒng)停止或電磁換向閥中位時，上部卡繩機械手不會因為載荷壓迫而產(chǎn)生下移，從而保證了步進舉升動作的可靠運行。自平衡舉升機構(gòu)的液壓系統(tǒng)有效解決了上舉、下放過程中均能自平衡問題，從而保證了自平衡舉升首繩調(diào)換裝置舉升性能的穩(wěn)定可靠性。

2)夾緊鋼絲繩機械手采用雙排雙楔結(jié)構(gòu)形式，上下兩排機械手交替抓繩，且卡繩夾緊機構(gòu)采用液壓馬達驅(qū)動，有效保證了機械手初始夾緊所需要的動力。

3)舉升機構(gòu)裝置設置在整體導向底座梁上，可穩(wěn)定行走，同時舉升機構(gòu)的兩側(cè)上部裝有導向柱，導向柱與油缸行進線平行，實現(xiàn)舉升動作的平衡性。

4)該裝置配有專用液壓站，為機械手組卡繩夾緊及舉升和裝置整體行走提供液壓驅(qū)動力，并同時配有遙控功能的專用電控系統(tǒng)，可實現(xiàn)就地或遙控操作與控制，提高了自平衡舉升首繩調(diào)換裝置使用的方便性和靈活性。

通過優(yōu)化設計有效提高了鋼絲繩夾緊可靠性，并且整個裝置在專用電控系統(tǒng)輔助作用下對首繩調(diào)換裝置不同結(jié)構(gòu)動作過程進行調(diào)節(jié)、控制與監(jiān)測，使得裝置整體平移、進繩以及多缸自平衡舉升與平穩(wěn)行走能力動作協(xié)調(diào)、可控，達到了鋼絲繩受力均衡、位移同步目的，保證了裝置的工作載荷能力、提高了換繩工作的可靠與穩(wěn)定性。

3.2 自平衡舉升首繩調(diào)換裝置特征

綜合可見，改進的多繩摩擦提升機自平衡舉升首繩調(diào)換裝置具有以下特性：

1)多根(四根)提升繩均可被夾緊、且可根據(jù)現(xiàn)場施工需要自由選擇，卡繩夾緊機構(gòu)驅(qū)動采用液壓動力，保證初始夾緊力，避免了反復夾緊操作、消除夾緊力不足滑繩等事故。

2)舉升機構(gòu)舉升能力滿足現(xiàn)場實際工況需要，并留有足夠余量，保證上提罐籠可靠與安全性。

3)舉升機構(gòu)具備液壓自平衡系統(tǒng)，保證了舉升過程中各鋼絲繩的受力均衡、位移同步。

自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置能夠安全可靠地鎖繩與提起罐籠，除了適用于不同安裝空間的礦井提升系統(tǒng)首繩調(diào)換之外，還可適用于立井多繩摩擦提升機的檢修、鋼絲繩更換、罐籠更換等工作，更大程度上滿足了包括高產(chǎn)能深井在內(nèi)的礦井安全升級、設備升級需求。

4 自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置應用

4.1 自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置適用的換繩方法

自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置可與多種傳統(tǒng)換繩法結(jié)合，如自牽引換繩法、穩(wěn)車單繩換繩法、穩(wěn)車多繩換繩法和同步進出換繩法等，以提高換繩效率。

自牽引換繩是利用提升機的牽引力來牽引新、舊鋼絲繩實現(xiàn)的換繩方法，換繩過程中可采用自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置替代鋼梁和板卡卡繩裝置，利用自平衡舉升裝置機械手組卡繩夾緊及舉升和裝置整體行走等功能優(yōu)化傳統(tǒng)的自牽引換繩工法，可有效較低工作量、提高換繩效率和安全系數(shù)。

也可利用自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置機械手組靈活夾繩根數(shù)功能可實現(xiàn)穩(wěn)車單繩更換工法，利用穩(wěn)車輔助回收1根舊鋼絲繩，然后更換1根新鋼絲繩，實現(xiàn)逐條鋼絲繩更換的方法。該方法可提高換繩的安全性，同時減少操作人員數(shù)量。同樣可以利用該裝置機械手組靈活夾繩功能實現(xiàn)穩(wěn)車多繩換繩法，可優(yōu)化穩(wěn)車多繩換繩法施工工序、提高機械化程度、降低勞動強度、減少了換繩投資。

綜合可見，利用自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置與常規(guī)換繩工法結(jié)合，可有效提高換繩安全可靠性，加快換繩速度、縮短施工周期、提高工作效率，節(jié)省投資和施工費用。

4.2 改進裝置在麥垛山煤礦副井首繩調(diào)換中的應用

1)多繩調(diào)繩裝置技術(shù)參數(shù)核定。麥垛山煤礦副井罐籠自重：W0=60000kg；平衡尾繩總重：W1=31000kg；重力加速度g取9.807N/kg，安全系數(shù)取1.2[20，21]。則多繩調(diào)繩裝置的額定舉升力：F≥1.2g(W0+W1)≈1070924N，合1071kN，小于自平衡升舉調(diào)繩裝置舉升力1177kN，舉升能力符合換繩要求。

2)實施效果。麥垛山煤礦副井利用自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置形成的自牽引首繩換繩系統(tǒng)實現(xiàn)了首繩調(diào)繩，取得了良好的實踐效果，主要表現(xiàn)在：①多繩摩擦提升機首繩調(diào)換系統(tǒng)安裝了自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置后，實現(xiàn)了整體平移式進繩，各機械手與鋼絲繩對中準確、液壓夾緊機構(gòu)工作穩(wěn)定、卡繩位置準確，初始夾緊力可靠，不存在滑繩現(xiàn)象；②自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置舉升力完全滿足現(xiàn)場實際載荷要求，調(diào)繩過程中舉升動作順暢，保證舉升過程中的平穩(wěn)性；③采用自平衡舉升多繩快速換繩裝置換繩需操作人員10名、3班次、總耗時24h，相對以前舊繩帶新繩換繩方法(需作業(yè)人員25名、15班次、耗時120h)，減少了12班次、共節(jié)省345人·班次，節(jié)約換繩時間96h、節(jié)省了其他機械設備運行時間，單次換繩節(jié)約人工費約為19.45萬元，同時減少了人員在井筒內(nèi)的作業(yè)時間，提高了換繩的安全系數(shù)，換繩過程不用卡具，避免了新首繩損傷問題。

5 結(jié) 語

針對麥垛山煤礦副井提升機運行負荷強度大、竄繩與調(diào)換繩頻次多、以及常規(guī)調(diào)繩占用時間長和機械手夾緊力不足、可能存在安全隱患等問題，提出并設計了多繩摩擦提升機調(diào)繩系統(tǒng)的液壓夾緊自平衡舉升裝置。該裝置采用雙排雙楔卡繩機械手和液壓夾緊技術(shù)及液壓自平衡舉升機構(gòu)，并設有專用液壓與控制系統(tǒng)為裝置提供機械手夾緊、自平衡舉升及裝置移動驅(qū)動力，有效保證了自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置鎖繩和順暢提起罐籠，防止了溜繩、卡滯等現(xiàn)象發(fā)生。改進的液壓夾緊自平衡舉升多繩調(diào)繩裝置在麥垛山副井提升鋼絲繩調(diào)換工作應用獲得良好效果，提高了工作效率、降低了工作人員勞動強度、減少了工作人員數(shù)量，降低了調(diào)換繩費用、節(jié)約了調(diào)繩時間，具有較高的推廣實用價值。