提升機(jī)游動(dòng)天輪軸瓦設(shè)計(jì)與位置布局

王 浩

山西高河能源有限公司 山西長(zhǎng)治 046000

隨著礦山規(guī)模和產(chǎn)量的日益擴(kuò)大，提升機(jī)作為主要輔助運(yùn)輸設(shè)備，其所在的井筒或巷道越來(lái)越長(zhǎng)。尤其是早期使用的單繩纏繞式提升機(jī)，其在斜井與井下運(yùn)輸具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。井下提升時(shí)，為了節(jié)省井巷工程與投資，通常多選用游動(dòng)天輪裝置，來(lái)縮短提升機(jī)主機(jī)與天輪裝置之間的距離，以達(dá)到減小提升巷道長(zhǎng)度的目的[1]；因此，游動(dòng)天輪裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局在提升系統(tǒng)中顯得非常重要。

1 主要存在問(wèn)題

在礦山實(shí)際應(yīng)用中，提升機(jī)游動(dòng)天輪裝置經(jīng)常出現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的游動(dòng)距離的問(wèn)題，其主要原因有：

(1) 礦井巷道環(huán)境比較惡劣，粉塵類物質(zhì)較多，常附著在游動(dòng)天輪軸的裸露位置，造成潤(rùn)滑不暢[2]；

(2) 游動(dòng)天輪裝置大部分采用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)，軸瓦設(shè)計(jì)不盡合理，潤(rùn)滑不及時(shí)；

(3) 游動(dòng)天輪裝置安裝位置不合適。

如果出現(xiàn)上述情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的游動(dòng)距離時(shí)，運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生“咬繩”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鋼絲繩使用壽命，甚至有斷繩的風(fēng)險(xiǎn)，帶來(lái)巨大的安全隱患。

2 游動(dòng)天輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 游動(dòng)天輪裝置結(jié)構(gòu)

游動(dòng)天輪裝置主要由天輪體、天輪軸、軸承座、調(diào)心滾子軸承、軸瓦及襯墊 (耐磨繩襯) 等組成[3]，如圖 1 所示。大部分游動(dòng)天輪裝置都采用輪緣、槽鋼以及輪轂等組焊結(jié)構(gòu)，焊后整體退火。安裝時(shí)，天輪體先套在天輪軸上，再將兩瓣軸瓦把合在天輪體上，通過(guò)運(yùn)行中鋼絲繩產(chǎn)生的側(cè)向力驅(qū)使天輪體與銅瓦一起在天輪軸上左右游動(dòng)[4]。耐磨繩襯安裝在輪緣槽內(nèi)，能夠有效保護(hù)鋼絲繩，延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命。

圖1 游動(dòng)天輪裝置Fig.1 Structure of floating head sheave

2.2 游動(dòng)軸瓦改進(jìn)設(shè)計(jì)

天輪裝置游動(dòng)性能的好壞，主要取決于軸瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與潤(rùn)滑條件等。針對(duì)軸瓦，可以從以下 3 方面進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

2.2.1 儲(chǔ)油槽的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

目前，軸瓦油槽多為螺旋式結(jié)構(gòu) (見(jiàn)圖 2(a))。螺旋式油槽的主要缺點(diǎn)：油槽淺，有效長(zhǎng)度短，存油量很少；螺旋形結(jié)構(gòu)，在天輪游動(dòng)過(guò)程中，潤(rùn)滑油很容易被擠出，影響潤(rùn)滑效果。改進(jìn)后，軸瓦采用縱橫交互式油槽 (見(jiàn)圖 2(b))?？v橫交互的結(jié)構(gòu)大大增加了油槽的有效長(zhǎng)度。如果在原 2 mm 基礎(chǔ)上將油槽加深至4 mm，儲(chǔ)油量能夠增加 5 倍以上，可顯著改善潤(rùn)滑效果[5]。改進(jìn)前后油槽結(jié)構(gòu)的對(duì)比如圖 2 所示。

圖2 軸瓦油槽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)Fig.2 Improvement on structure of oil groove of bush

2.2.2 軸瓦圓角設(shè)計(jì)改進(jìn)

改進(jìn)前，軸瓦兩端面倒角為 2×45°。當(dāng)天輪體受到側(cè)向力游動(dòng)時(shí)，軸瓦兩端因受力不同，會(huì)在軸瓦與天輪軸間隙允許范圍內(nèi)產(chǎn)生傾斜。此時(shí)，軸瓦端面倒角內(nèi)側(cè)棱邊與天輪軸形成線接觸，產(chǎn)生較大的摩擦力，影響游動(dòng)效果，甚至劃傷天輪軸。

改進(jìn)后，將 2×45°倒角改為R5 圓角 (見(jiàn)圖 3)，軸瓦在任何作用力下與天輪軸均為面接觸，能有效降低天輪體游動(dòng)時(shí)的摩擦力阻力，同時(shí)可預(yù)防天輪軸劃傷。

圖3 軸瓦端部倒角的改進(jìn)Fig.3 Improvement on structure of end chamfer of bush

2.2.3 軸瓦應(yīng)用新材料

游動(dòng)天輪裝置軸瓦最常用的材料為鑄銅合金ZCuZn38Mn2Pb2，其有較好的力學(xué)性能、耐蝕性及耐磨性，適用于滑動(dòng)速度小的穩(wěn)定載荷或沖擊載荷工況。近年來(lái)，鋅基合金 ZA-27 材料日益成熟，加之其適用于具有一定沖擊的低速重載工況，已逐步代替銅合金軸瓦應(yīng)用在礦山設(shè)備上，效果良好。鋅基合金軸瓦與銅合金軸瓦性能對(duì)比如表 1 所列。

表1 銅合金軸瓦與鋅基合金軸瓦性能對(duì)比Tab.1 Comparison of copper alloy bush and zinc-based alloy bush in performance

從表 1 可知，與銅瓦相比，鋅基軸瓦的抗拉強(qiáng)度和布氏硬度都較高，摩擦因數(shù)和密度較低，且有良好的自潤(rùn)滑性，適用于短暫缺油工況，整體使用壽命可提高 1 倍以上。在相同規(guī)格下，使用鋅基合金軸瓦的成本可降低 30%～40%。

3 游動(dòng)天輪位置確定

3.1 常規(guī)計(jì)算方法

《煤炭安全規(guī)程》2011 版中第 418 條規(guī)定天輪到滾筒上的鋼絲繩的最大內(nèi)、外偏角都不得超過(guò)1°30′(1.5°)[6]。假定主機(jī)設(shè)備采用單卷筒提升機(jī)，系統(tǒng)仍然按照最大內(nèi)外偏角不得超過(guò) 1.5°的要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖 4 所示。

圖4 提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意Fig.4 Design sketch of hoisting system

天輪裝置中心線與主軸裝置中心線的水平距離估值Lg的算式為：

式中：β為鋼絲繩實(shí)際偏角，(°)；B為卷筒纏繩區(qū)寬度，m；l為游動(dòng)天輪的游動(dòng)距離，m。

鋼絲繩從卷筒到天輪的許用偏角

由式 (1) 和 (2) 可知，天輪中心線到主軸中心線的水平距離必須滿足

井下運(yùn)輸巷道采用游動(dòng)天輪時(shí)，一般L值都不大，借鑒其估值計(jì)算方法可知：

式中：Lx為提升鋼絲繩斜長(zhǎng)，m；L為游動(dòng)天輪中心線到主軸裝置中心線的水平距離，m；H為游動(dòng)天輪距離地坪中心高，m；r為游動(dòng)天輪半徑，m；h為主軸裝置距離地坪中心高，m；R為卷筒直徑，m。

由式 (4) 可知，選型規(guī)格和游動(dòng)距離確定后，可通過(guò)調(diào)整L值大小來(lái)滿足繩偏角β≤1.5°。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，單層纏繞式時(shí)，一般采用β≤1.25°；多層纏繞式時(shí)，β≤1.17°[7]。

3.2 修正計(jì)算方法

游動(dòng)天輪裝置在提升系統(tǒng)中的安裝位置至關(guān)重要，如僅按照鋼絲繩允許偏角計(jì)算，在實(shí)際運(yùn)行中仍經(jīng)常出現(xiàn)游動(dòng)距離不夠、發(fā)生受憋的情況，導(dǎo)致鋼絲繩偏角β≥ 1.5°。這表明天輪裝置的位置除了受到鋼絲繩偏角的影響外，還與井下巷道的變坡點(diǎn)及鋼絲繩牽引鉤頭的摘掛點(diǎn)位置有關(guān)。采用修正算法時(shí)，提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖 5 所示。

從圖 5 可知，鉤頭摘掛點(diǎn)需要的繩偏角最大，變坡點(diǎn)需要的游動(dòng)距離最大。依據(jù)繩偏角必須滿足β≤1.5°，可計(jì)算出摘掛點(diǎn)到卷筒的水平距離為

圖5 修正算法的提升系統(tǒng)示意Fig.5 Sketch of hoisting system designed with correction method

式中：L2為摘掛點(diǎn)到天輪軸中線的距離，m。變坡點(diǎn)到卷筒的水平距離為

式中：L1為變坡點(diǎn)到摘掛點(diǎn)的距離，m。

根據(jù)三角形的相似理論可得

將式 (5) 和 (6) 代入式 (7) 可得

由此可知，由式 (8) 計(jì)算得到的L既能夠滿足變坡點(diǎn)對(duì)游動(dòng)距離的要求，又能滿足摘掛點(diǎn)對(duì)繩偏角的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合提升機(jī)游動(dòng)天輪裝置在實(shí)際工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題，分析了無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)游動(dòng)距離而造成繩偏角過(guò)大的原因，得出了天輪軸瓦設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和位置布局影響最大的結(jié)論，提出了軸瓦結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，并推演了天輪位置布局的修正計(jì)算方法。該改進(jìn)設(shè)計(jì)已應(yīng)用在多個(gè)礦山項(xiàng)目，效果良好。