提升機游動天輪軸瓦設(shè)計與位置布局

王 浩

山西高河能源有限公司 山西長治 046000

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

1 主要存在問題

在礦山實際應(yīng)用中，提升機游動天輪裝置經(jīng)常出現(xiàn)無法實現(xiàn)設(shè)計的游動距離的問題，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，常附著在游動天輪軸的裸露位置，造成潤滑不暢[2]；

(2) 游動天輪裝置大部分采用滑動結(jié)構(gòu)，軸瓦設(shè)計不盡合理，潤滑不及時；

(3) 游動天輪裝置安裝位置不合適。

如果出現(xiàn)上述情況，無法實現(xiàn)設(shè)計的游動距離時，運行中會產(chǎn)生“咬繩”現(xiàn)象，嚴重影響鋼絲繩使用壽命，甚至有斷繩的風險，帶來巨大的安全隱患。

2 游動天輪結(jié)構(gòu)改進

2.1 游動天輪裝置結(jié)構(gòu)

游動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，天輪體先套在天輪軸上，再將兩瓣軸瓦把合在天輪體上，通過運行中鋼絲繩產(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[4]。耐磨繩襯安裝在輪緣槽內(nèi)，能夠有效保護鋼絲繩，延長鋼絲繩使用壽命。

圖1 游動天輪裝置Fig.1 Structure of floating head sheave

2.2 游動軸瓦改進設(shè)計

天輪裝置游動性能的好壞，主要取決于軸瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計與潤滑條件等。針對軸瓦，可以從以下 3 方面進行設(shè)計改進。

2.2.1 儲油槽的結(jié)構(gòu)改進

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

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

2.2.2 軸瓦圓角設(shè)計改進

改進前，軸瓦兩端面倒角為 2×45°。當天輪體受到側(cè)向力游動時，軸瓦兩端因受力不同，會在軸瓦與天輪軸間隙允許范圍內(nèi)產(chǎn)生傾斜。此時，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，影響游動效果，甚至劃傷天輪軸。

改進后，將 2×45°倒角改為R5 圓角 (見圖 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時的摩擦力阻力，同時可預(yù)防天輪軸劃傷。

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

2.2.3 軸瓦應(yīng)用新材料

游動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，適用于滑動速度小的穩(wěn)定載荷或沖擊載荷工況。近年來，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比如表 1 所列。

表1 銅合金軸瓦與鋅基合金軸瓦性能對比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 游動天輪位置確定

3.1 常規(guī)計算方法

《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1°30′(1.5°)[6]。假定主機設(shè)備采用單卷筒提升機，系統(tǒng)仍然按照最大內(nèi)外偏角不得超過 1.5°的要求來進行設(shè)計，如圖 4 所示。

圖4 提升系統(tǒng)設(shè)計示意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為鋼絲繩實際偏角，(°)；B為卷筒纏繩區(qū)寬度，m；l為游動天輪的游動距離，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

井下運輸巷道采用游動天輪時，一般L值都不大，借鑒其估值計算方法可知：

式中：Lx為提升鋼絲繩斜長，m；L為游動天輪中心線到主軸裝置中心線的水平距離，m；H為游動天輪距離地坪中心高，m；r為游動天輪半徑，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)格和游動距離確定后，可通過調(diào)整L值大小來滿足繩偏角β≤1.5°。實際工程設(shè)計中，單層纏繞式時，一般采用β≤1.25°；多層纏繞式時，β≤1.17°[7]。

3.2 修正計算方法

游動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算，在實際運行中仍經(jīng)常出現(xiàn)游動距離不夠、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及鋼絲繩牽引鉤頭的摘掛點位置有關(guān)。采用修正算法時，提升系統(tǒng)的設(shè)計如圖 5 所示。

從圖 5 可知，鉤頭摘掛點需要的繩偏角最大，變坡點需要的游動距離最大。依據(jù)繩偏角必須滿足β≤1.5°，可計算出摘掛點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為摘掛點到天輪軸中線的距離，m。變坡點到卷筒的水平距離為

式中：L1為變坡點到摘掛點的距離，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) 計算得到的L既能夠滿足變坡點對游動距離的要求，又能滿足摘掛點對繩偏角的要求。

4 結(jié)語

結(jié)合提升機游動天輪裝置在實際工程應(yīng)用中存在的問題，分析了無法實現(xiàn)設(shè)計游動距離而造成繩偏角過大的原因，得出了天輪軸瓦設(shè)計結(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)改進方案，并推演了天輪位置布局的修正計算方法。該改進設(shè)計已應(yīng)用在多個礦山項目，效果良好。