一種礦山纏繞式提升機(jī)鋼絲繩增阻器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

韋 林 趙元元 韋彥哲

（1.廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 河池 547205；2.廣西華錫礦業(yè)公司，廣西 河池 547205；3.蘭州大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

廣西高峰礦業(yè)有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱公司）是一家錫多金屬地下開采中型礦山企業(yè)，其主提升系統(tǒng)采用4 級(jí)斜井單繩多層纏繞式提升機(jī)分級(jí)提升，提升鋼絲繩損耗是公司的主要耗材之一。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，新安裝的鋼絲繩經(jīng)常出現(xiàn)“燈籠”狀或繩忒擠出等結(jié)構(gòu)性破壞，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)大面積斷絲、斷股現(xiàn)象。造成此種現(xiàn)象的主要原因是安裝新鋼絲繩時(shí)預(yù)緊力不足，新繩在卷揚(yáng)機(jī)滾筒內(nèi)盤繩不緊密所致，目前沒有解決該問題的有效辦法。因此，公司要求技術(shù)部門設(shè)計(jì)、制作一種可提供反張力的預(yù)緊裝置[1-3]，解決新繩安裝預(yù)緊力不足的問題。

1 鋼絲繩安裝使用的預(yù)緊方法和存在問題

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，單繩多層纏繞提升機(jī)鋼絲繩的安裝需要給予鋼絲繩施加靜載荷10%～20%的反張力，目前鋼絲繩安裝的預(yù)緊方法主要有兩種：

（1）利用鋼絲繩自身重量為提升機(jī)卷筒施加預(yù)緊力

這是一種給鋼絲繩施加反張力最普遍的方式，大多數(shù)地下礦山安裝鋼絲繩時(shí)，都采用這種方式，但該種方式存在一個(gè)缺點(diǎn)：無外力施加作用，鋼絲繩反張力不足。以下為實(shí)例計(jì)算說明。

鋼絲繩規(guī)格為Φ31 mm 三角股鋼絲繩，單位重量P=4.30 kg/m，斜井傾角30°，安裝鋼絲繩斜長(zhǎng)L=100 m，斜井提升最大靜載荷10 000 kg。安裝鋼絲繩時(shí)，把鋼絲繩運(yùn)送到斜井斜長(zhǎng)100 m 部位，利用鋼絲繩本身自重產(chǎn)生的反張力為提升機(jī)卷筒施加預(yù)緊力。其預(yù)緊力的計(jì)算式為：

式中：F為鋼絲繩預(yù)緊力，kg；m為鋼絲繩質(zhì)量，m=P·L=4.30×100=430 kg；θ為斜井傾角，θ=30°；μ為地輥和鋼絲繩的摩擦系數(shù)，μ=0.05。

把以上已知數(shù)據(jù)代入公式，得F=234 kg。而按國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，鋼絲繩最小預(yù)緊力Fmin至少為：Fmin= 提升最大靜載荷×10%=10 000×0.1=1000 kg，F(xiàn)=234 kg ＜Fmin，因此，該方法預(yù)緊力F不足。

（2）利用器械設(shè)備給鋼絲繩提供反張力

此類器械，最典型的是由浙江省建設(shè)機(jī)械集團(tuán)有限公司取得的實(shí)用新型專利“鋼絲繩緊繩裝置（CN 204281159 U）”。該裝置存在的問題：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，其卷筒、減速箱、制動(dòng)器等體量大。根據(jù)《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423-2020）要求，鋼絲繩繞過卷筒時(shí)，卷筒直徑和鋼絲繩直徑比不能小于60 mm。如果使用Φ31 mm 鋼絲繩，則該裝置的卷筒最小直徑Dmin=31×60=1860 mm，安裝、使用時(shí)需要較大空間。對(duì)于地下礦山，由于受巷道或場(chǎng)地影響，該裝置的搬運(yùn)、安裝、使用和回收將耗費(fèi)大量的人力、物力。該裝置不適合地下礦山使用，僅見用于碼頭、大型駁船的鋼絲繩安裝。

針對(duì)目前鋼絲繩安裝使用的預(yù)緊方法存在反張力不足和預(yù)緊裝置體量大的問題，公司技術(shù)人員利用摩擦阻力原理，設(shè)計(jì)、制作了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)易的鋼絲繩增阻器，在新鋼絲繩安裝時(shí)提供充足的反張力，使新繩在卷揚(yáng)機(jī)滾筒上的盤繩更加緊密，提高鋼絲繩的使用壽命和安全系數(shù)。

2 增阻器的設(shè)計(jì)和制作

2.1 設(shè)計(jì)要求和構(gòu)想

為解決目前纏繞式提升機(jī)新鋼絲繩安裝時(shí)反張力不足、鋼絲繩在卷筒上盤繩不緊密的問題，新制作的鋼絲繩預(yù)緊裝置必須符合以下三個(gè)條件：（1）反張力達(dá)到鋼絲繩最小預(yù)緊力，即F≧Fmin=1000 kg；（2）適應(yīng)礦山井下復(fù)雜場(chǎng)地、高溫高濕環(huán)境條件；（3）體量小，搬運(yùn)、安裝、使用和回收方便。

根據(jù)以上三點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，公司技術(shù)人員提出利用摩擦阻力產(chǎn)生反向張力對(duì)鋼絲繩進(jìn)行緊繩作用的設(shè)計(jì)構(gòu)想：新安裝鋼絲繩穿過地輥（動(dòng)態(tài)）和襯墊膠板（靜態(tài)）中間，對(duì)地輥施加壓力，使鋼絲繩在地輥和襯墊膠板之間產(chǎn)生摩擦阻力，鋼絲繩的摩擦阻力對(duì)卷揚(yáng)機(jī)滾筒產(chǎn)生反向張力，從而對(duì)鋼絲繩起到緊繩作用。如圖1。

圖1 設(shè)計(jì)構(gòu)想圖

2.2 增阻器的制作

要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)想并使鋼絲繩產(chǎn)生反向張力，需要對(duì)地輥和襯墊膠板進(jìn)行固定，并在它們之間施加可調(diào)節(jié)的壓力，因此需要制作主支架、制動(dòng)片等輔助零配件進(jìn)行組合才能形成一個(gè)完整的增阻器。

（1）增阻器零配件及其材料選用

如圖2（b），增阻器各零配件的組成及材料要求如下：

圖2 增阻器3D 和零配件圖

① 主支架：45#鋼板，厚度δ=10 mm，設(shè)有摩擦輪固定槽、制動(dòng)片固定桿孔、制動(dòng)加壓橫板孔、襯墊支架孔（襯墊支架也可焊接在主支架上）、增阻器固定孔。要求：為減輕主支架重量，在其不受力部位盡量縮小其尺寸。

② 制動(dòng)片：DN200 無縫鋼管（熱軋，GB8163-87）加工成半圓形制動(dòng)片，其內(nèi)徑和摩擦輪外徑一致，其上設(shè)有制動(dòng)片擋板和固定桿孔。

③ 制動(dòng)加壓螺桿：DN20 螺桿，等級(jí)8.8。

④ 加壓橫板：45#鋼板，厚度δ=10 mm，按DN20 螺桿孔徑制螺牙。

⑤ 摩擦輪：尼龍材質(zhì)礦用地輥，直徑D=200 mm，長(zhǎng)度L=300 mm。其輪軸經(jīng)過加工，既能方便裝卸，又能固定在主支架卡槽內(nèi)不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其摩擦部位沿輪面圓周加工鋼絲繩繩槽，繩槽深度和寬度由安裝鋼絲繩繩徑?jīng)Q定。

⑥ 襯墊支架：45#鋼板，厚度δ=10 mm，中間設(shè)有摩擦襯墊卡槽。要求：卡槽穩(wěn)固，方便摩擦襯墊的裝卸，其豎向厚度受力大于9.8 kN。

⑦ 摩擦襯墊塊：聚氨酯材質(zhì)，其摩擦面加工一條鋼絲繩繩槽，繩槽深度、寬度和摩擦輪的一致。

⑧ 制動(dòng)片固定桿：鍍鋅鋼管，DN20。既可作為制動(dòng)片固定桿，又可作為移動(dòng)、運(yùn)輸增阻器的承重桿。

（2）增阻器工作原理

如圖3，安裝鋼絲繩時(shí)，鋼絲繩11 穿過摩擦輪5（動(dòng)態(tài)）和摩擦襯墊塊7（靜態(tài)）之間，制動(dòng)片2通過制動(dòng)加壓螺桿3 和加壓橫板4 向制動(dòng)片擋板10施加壓力，使制動(dòng)片2 和摩擦輪5 之間產(chǎn)生摩擦力f1。摩擦力f1控制摩擦輪5 的轉(zhuǎn)速，通過摩擦輪5和摩擦襯墊塊7 對(duì)鋼絲繩施加壓力產(chǎn)生摩擦力f2。鋼絲繩的運(yùn)行受到反向摩擦力f2的作用，最終對(duì)鋼絲繩施加反向張力，產(chǎn)生緊繩作用。

圖3 工作原理圖

3 增阻器數(shù)據(jù)分析及使用效果

3.1 數(shù)據(jù)分析

（1）實(shí)例數(shù)據(jù)

斜井傾角為30°，增阻器距離卷揚(yáng)機(jī)卷筒距離為100 m。鋼絲繩規(guī)格：直徑31 mm，4.30 kg/m。卷揚(yáng)機(jī)卷筒直徑為2.5 m，在卷揚(yáng)機(jī)卷筒上安裝4個(gè)（0～2T）垂直于卷揚(yáng)機(jī)卷筒軸的無線傳輸測(cè)力傳感器，檢測(cè)鋼絲繩對(duì)卷揚(yáng)機(jī)滾筒產(chǎn)生的徑向繞緊力q。安裝鋼絲繩時(shí)，實(shí)測(cè)得制動(dòng)加壓螺桿7 接觸制動(dòng)片擋板6 向下旋轉(zhuǎn)圈數(shù)n和4 個(gè)傳感器顯示繞緊力q及鋼絲繩張緊力F之間關(guān)系數(shù)據(jù)見表1。

表1 n、q、F 關(guān)系

表1 中：n為加壓螺桿向下旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，n=0 時(shí)，表示加壓螺桿剛剛接觸制動(dòng)擋板，兩者之間壓力為0，摩擦力為0；q為現(xiàn)場(chǎng)傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，鋼絲繩對(duì)卷揚(yáng)機(jī)卷筒的繞緊力，垂直于卷揚(yáng)機(jī)卷筒軸，kg/m；F為鋼絲繩張緊力，F(xiàn)=q·d/2，d為鋼絲繩卷繞直徑，約等于卷筒直徑，d=2.5 m。

（2）數(shù)據(jù)分析

① 理論數(shù)據(jù)

當(dāng)n=0 時(shí)，鋼絲繩張緊力F為鋼絲繩本身重量在斜井中分力和摩擦力的合力：

F=m（sinθ+μcosθ） （2）

式 中：m為 鋼 絲 繩 質(zhì) 量，m=100×4.30=430 kg；θ為斜井傾角，θ=30°；μ為鋼絲繩和斜井地輥的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，μ=0.05。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)=233.6 kg。

② 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

當(dāng)n=0 時(shí)，實(shí)測(cè)繞緊力q=189.4 kg/m 時(shí)，張緊力F=236.7 kg ≈233.6 kg；當(dāng)n=3 時(shí)，實(shí)測(cè)繞緊力q=807.3 kg/m 時(shí)，張緊力F=1 245.9 kg ≈1 242.8 kg，即理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算值近似相等。依此類推，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

如表1 數(shù)據(jù)，鋼絲繩緊繩器隨著制動(dòng)加壓螺桿3 對(duì)制動(dòng)片擋板10 的徑向繞緊力q增大，鋼絲繩張緊力F 增大，增阻器對(duì)鋼絲繩的張緊作用明顯。

3.2 使用效果

該發(fā)明增阻器總體尺寸長(zhǎng)×寬×高=325 mm×300 mm×400 mm，重量為20 kg，體量小，在礦山井下移動(dòng)、安裝方便；制作材料如地輥、板材、襯墊等屬于礦山常規(guī)耗材，取用方便，成本低。公司現(xiàn)已在4 條新鋼絲繩安裝時(shí)使用該增阻器，經(jīng)過近兩年的觀察，所安裝的鋼絲繩不再出現(xiàn)下層保安繩出現(xiàn)大面積斷絲現(xiàn)象，而且鋼絲繩的總體使用壽命增加了40%～60%，每年可節(jié)約15 萬元左右的鋼絲繩損耗，效果良好。

4 結(jié)語

增阻器的設(shè)計(jì)和制作，是為了解決纏繞式提升機(jī)新鋼絲繩安裝時(shí)反張力不足、鋼絲繩在卷筒上盤繩不緊密的問題，經(jīng)過近兩年的使用和觀察，對(duì)鋼絲繩的安裝、使用取得了良好效果。該增阻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，操作簡(jiǎn)易，使用靈活，造價(jià)低，其設(shè)計(jì)理念和依據(jù)可應(yīng)用于其他行業(yè)，有一定拓展性。