超深井用多繩纏繞式提升機(jī)選型研究

劉勁軍

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量大幅度增長(zhǎng)，這促使我國(guó)地下礦產(chǎn)資源的開(kāi)采不斷向深層擴(kuò)展，深部資源的開(kāi)發(fā)與利用問(wèn)題已受到不少學(xué)者的關(guān)注[1]。目前我國(guó)礦山的開(kāi)采深度平均在 500 m 左右，隨著淺層礦產(chǎn)資源的消耗，未來(lái)開(kāi)采深度必然達(dá)到 1 000～2 000 m[2]。我國(guó)超深井提升裝備基本處于空白狀態(tài)，研發(fā)適合千米深井及超深井應(yīng)用的提升設(shè)備是我國(guó)提升機(jī)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)廠家所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[3-4]。

目前我國(guó)礦井提升主要采用單繩纏繞式提升機(jī)和多繩摩擦式提升機(jī)，單繩纏繞式提升機(jī)在應(yīng)用于深井及超深井時(shí)提升能力過(guò)小[5]；而多繩摩擦式提升機(jī)在超深井提升過(guò)程中，因主繩內(nèi)部張力變化過(guò)大，導(dǎo)致鋼絲繩壽命急劇縮短[6]。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)提升深度超過(guò) 1 400 m 到 1 500 m 時(shí)，多繩摩擦式提升機(jī)主繩的張力變化范圍就將成為決定主繩壽命的關(guān)鍵因素，并推斷多繩摩擦式提升機(jī)的經(jīng)濟(jì)極限提升深度在 1 600 m 左右[7-8]。

多繩纏繞式提升機(jī)采用 2 根或以上鋼絲繩同時(shí)提起一個(gè)提升容器，比多繩摩擦式和單繩纏繞式提升機(jī)更適合超千米深井提升；因此，多繩纏繞式礦井提升機(jī)的研發(fā)對(duì)我國(guó)深部資源的開(kāi)發(fā)利用具有現(xiàn)實(shí)的意義，其選型設(shè)計(jì)的正確與否直接關(guān)系到提升系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

1 多繩纏繞式提升機(jī)的起源與結(jié)構(gòu)形式

1957 年，南非英美公司的技術(shù)工程師羅伯特·布萊爾發(fā)明了一種用 2 根或者更多鋼絲繩來(lái)提升 1 個(gè)提升容器的提升機(jī)，這種提升機(jī)被稱為多繩纏繞式提升機(jī) (Blair Multi-Rope Hoist)[9]。目前，多繩纏繞式提升機(jī)都采用 2 根鋼絲繩提起一個(gè)提升容器。提升機(jī)的卷筒被擋繩板分隔成兩部分，2 根鋼絲繩分別在這兩區(qū)纏繞后提起同一個(gè)提升容器，并通過(guò)同步裝置對(duì)鋼絲繩進(jìn)行同步[10-11]，如圖1 所示。

多繩纏繞式提升機(jī)有多種不同的布置方式，包括雙卷筒直聯(lián)式 (見(jiàn)圖2)、齒輪結(jié)合式、電結(jié)合式、萬(wàn)向聯(lián)軸器結(jié)合式 (見(jiàn)圖3) 等[9]。其中，萬(wàn)向聯(lián)軸器結(jié)合式的多繩纏繞式提升機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖2 直聯(lián)式多繩纏繞式提升機(jī)Fig.2 Direct-connected multi-rope winding hoist

圖3 萬(wàn)向聯(lián)軸器結(jié)合式多繩纏繞式提升機(jī) Fig.3 Multi-rope winding hoist combined with universal coupling

(1) 萬(wàn)向聯(lián)軸器連接了 2 個(gè)主軸裝置，可以讓上升和下降容器的轉(zhuǎn)矩相平衡，有效減小了所需電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率；

(2) 萬(wàn)向聯(lián)軸器讓 2 個(gè)主軸裝置呈角度布置，能更好地滿足繩偏角的要求，并減小井筒尺寸。

2 多繩纏繞式提升機(jī)的選型

2.1 鋼絲繩的類型

提升鋼絲繩是礦井提升機(jī)的重要組成部分，直接關(guān)系到礦井的正常生產(chǎn)和人員的生命安全。在超深井提升時(shí)，多繩纏繞式提升機(jī)的提升鋼絲繩通常需要多層纏繞，在纏繞過(guò)渡過(guò)程中出現(xiàn)的層間與圈間過(guò)渡，使鋼絲繩產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊、擠壓及摩擦磨損等現(xiàn)象，同時(shí)鋼絲繩本身在纏繞過(guò)程中又受到彎曲、拉力、扭轉(zhuǎn)以及過(guò)載等影響[12]。

應(yīng)用于超深礦井時(shí)，多繩纏繞式提升機(jī)的鋼絲繩必須具有高強(qiáng)度、良好的抗旋轉(zhuǎn)性能和抗疲勞性能，且需耐磨損，并能夠承受上層鋼絲繩的壓力[13-14]。根據(jù)對(duì)南非超深井提升系統(tǒng)的調(diào)研，推薦多繩纏繞式提升機(jī)采用三角股鋼絲繩 (見(jiàn)圖4(a)) 或新型的多圓股涂塑鋼絲繩 (見(jiàn)圖4(b))；隨著鋼絲繩技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼絲繩廠家也推出新結(jié)構(gòu)鋼絲繩，如 DYFROM 34LR/PI Class 等，如圖4(c) 所示。

圖4 多繩纏繞式提升機(jī)采用的 3 種典型鋼絲繩Fig.4 Three typical wire ropes used in multi-rope winding hoist

多繩纏繞式提升機(jī)同一容器上的 2 根鋼絲繩，其應(yīng)類型相同且旋向相反，以抵消鋼絲繩因?yàn)榕まD(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。超深井提升時(shí)，為減小鋼絲繩直徑，宜選用公稱抗拉強(qiáng)度較高的鋼絲繩。南非某礦用多繩纏繞式提升機(jī)的提升高度達(dá) 3 000 m，其選用鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度為 1 960 MPa。

2.2 提升容器的計(jì)算與選擇

2.2.1 確定提升速度

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[15]及《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》[16]，最大提升速度v應(yīng)符合以下要求。

提人時(shí)，

升降物料時(shí)，

式中：H為提升高度，m。其中提人時(shí)，最大提升速度v不得超過(guò) 12 m/s。

根據(jù)對(duì)南非某礦的調(diào)研，其多繩纏繞式提升機(jī)的實(shí)際最大提升速度已經(jīng)達(dá)到 18 m/s。

2.2.2 計(jì)算提升循環(huán)時(shí)間

多繩纏繞式提升機(jī)的提升循環(huán)時(shí)間

式中：a為提升加速度，m/s2；μ為箕斗進(jìn)入卸載曲軌前后的爬行段所占用的時(shí)間，一般取 10 s；θ為容器裝載時(shí)間，s。

如果多繩纏繞式提升機(jī)采用單容器提升，則其提升循環(huán)時(shí)間T1=2T。

2.2.3 一次提升量的計(jì)算及提升容器的選取

多繩纏繞式提升機(jī)一次提升量[17]

式中：c1為礦井提升的不均勻系數(shù)，無(wú)特殊要求時(shí)取1.15；c2為礦井提升能力的富裕系數(shù)，主提升水平取 1.2；AN為礦井年產(chǎn)量，kg；Th為每天工作時(shí)間，h；bτ為礦井的年工作時(shí)間，d。

根據(jù)一次提升量Q，可以選擇相應(yīng)的提升容器，得到容器質(zhì)量Qr。對(duì)于應(yīng)用于超深井的多繩纏繞式提升機(jī)來(lái)說(shuō)，減輕提升容器的質(zhì)量在經(jīng)濟(jì)上具有重要的意義。

容器系數(shù)

在安全系數(shù)不變的情況下，容器系數(shù)的降低，意味著提升能力的提高。目前我國(guó)纏繞式提升機(jī)的單繩箕斗容器系數(shù)在 0.755～1.223，多繩摩擦式提升機(jī)的多繩箕斗容器系數(shù)在 0.90～1.17[18-19]。對(duì)于應(yīng)用于超深井的纏繞式提升機(jī)，采用輕質(zhì)合金制造的提升容器，有望將容器系數(shù)減小到 0.40 左右。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為，目前輕型箕斗的容器系數(shù)的極限約為 0.333[20]。

2.3 鋼絲繩安全系數(shù)的確定

我國(guó)纏繞式提升機(jī)選擇鋼絲繩時(shí)，應(yīng)按最大靜張力，并考慮一定安全系數(shù)的方法，進(jìn)行鋼絲繩的計(jì)算與選型。鋼絲繩安全系數(shù)，即提升系統(tǒng)鋼絲繩的破斷力總和與其所承受的最大靜載荷之比。最大靜載荷包括容器重量Qr、有效載荷Q(即提升量) 以及鋼絲繩重量 (假設(shè)為n根)。表1 所列為我國(guó)及南非對(duì)纏繞式提升機(jī)鋼絲繩安全系數(shù)的規(guī)定[21]。

表1 不同安全規(guī)程下的鋼絲繩安全系數(shù)Tab.1 Safety factors for wire ropes under different safety regulations

需要注意，我國(guó)提升機(jī)鋼絲繩安全系數(shù)的規(guī)定依據(jù)鋼絲繩的最小破斷力總和，而南非等國(guó)依據(jù)鋼絲繩的最小破斷力，二者關(guān)系為：

式中：F0為鋼絲繩的最小破斷力總和，N；K2為鋼絲繩最小破斷力總和與鋼絲繩最小破斷力的換算系數(shù)；Fb為鋼絲繩的破斷力，N。

對(duì)于多繩纏繞式提升機(jī)，我國(guó)提升鋼絲繩的安全系數(shù)

南非等國(guó)提升鋼絲繩的安全系數(shù)

式中：n為同一容器上提升鋼絲繩的數(shù)量，根；p為鋼絲繩單位質(zhì)量，kg/m；g為重力加速度，取 9.81 m/s2。

2.4 鋼絲繩直徑 d 的計(jì)算

鋼絲繩安全系數(shù)確定之后，可以進(jìn)行多繩纏繞式提升機(jī)所用鋼絲繩直徑d的計(jì)算。根據(jù)參考文獻(xiàn)[22]，鋼絲繩單位質(zhì)量

式中：K為鋼絲繩單位長(zhǎng)度的質(zhì)量系數(shù)，kg/(100 m× mm2)；d為鋼絲繩直徑，mm。

鋼絲繩最小破斷拉力

式中：K′為鋼絲繩的最小破斷拉力系數(shù)；R0為鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度，MPa。

由式 (7)～(10)，可以得到依據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)程時(shí)的鋼絲繩直徑[23]：

由式 (8)～(10)，可以得到依據(jù)南非等國(guó)規(guī)程的鋼絲繩直徑：

2.5 卷筒直徑 D 的計(jì)算

多繩纏繞式提升機(jī)鋼絲繩直徑d確定之后，可以根據(jù)D/d 來(lái)確定卷筒直徑D。D/d為纏繞鋼絲繩的卷筒或者天輪直徑與鋼絲繩直徑的比值。不同國(guó)家對(duì)D/d的規(guī)定如表2 所列。

表2 不同安全規(guī)程下的提升機(jī) D/d 值Tab.2 D/d values of hoists under different safety regulations

多繩纏繞式提升機(jī)的卷筒直徑

2.6 卷筒纏繩區(qū)寬度 L 的驗(yàn)算

當(dāng)多繩纏繞式提升機(jī)的直徑D確定后，需根據(jù)容繩量對(duì)提升機(jī)的纏繩區(qū)寬度L進(jìn)行驗(yàn)算。需要指出的是，多繩纏繞式提升機(jī)卷筒寬度的計(jì)算與單繩纏繞式提升機(jī)有所區(qū)別，單繩纏繞式提升機(jī)的卷筒寬度等于其纏繩區(qū)寬度；而多繩纏繞式提升機(jī)的卷筒寬度等于 2 個(gè)纏繩區(qū)寬度與中間擋繩板厚度之和，如圖5 所示。

圖5 多繩纏繞式提升機(jī)卷筒寬度與纏繩區(qū)寬度示意Fig.5 Diagram of drum width and rope winding zone width of multi-rope winding hoist

應(yīng)用于超深井時(shí)，多繩纏繞式提升機(jī)通常需要多層纏繞。為保證纏繞的平穩(wěn)性，礦山企業(yè)多采用平行折線繩槽，并配備鋼絲繩纏繞監(jiān)控裝置 (見(jiàn)圖6)。國(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)平行折線繩槽進(jìn)行了研究[24]，相關(guān)成果已在一些項(xiàng)目上得到應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的效果來(lái)看，鋼絲繩在平行折線繩槽上纏繞時(shí)，過(guò)渡平穩(wěn)，過(guò)渡響聲小，有效減少了過(guò)渡區(qū)的鋼絲繩擠壓斷絲現(xiàn)象[25]。

圖6 某項(xiàng)目提升機(jī)所用的平行折線繩槽Fig.6 Parallel groove of hoist for a certain project

卷筒纏繩區(qū)應(yīng)容納以下幾部分鋼絲繩：

①提升高度H；② 鋼絲繩試驗(yàn)長(zhǎng)度，30 m；③卷筒表面應(yīng)保留 3 圈摩擦圈，以減輕繩與卷筒固定處的拉力；④ 多層纏繞時(shí)，上層到下層過(guò)渡段鋼絲繩每季度需錯(cuò)動(dòng) 1/4 圈，共取 4 圈。

纏繩區(qū)寬度L的驗(yàn)算公式如下。單層纏繞時(shí)，提升高度

2 層纏繞時(shí)，提升高度

3 層纏繞時(shí)，提升高度，

4 層纏繞時(shí)，提升高度

式中：b為出繩孔直徑，通常取b=d+5，mm；ε為繩圈間隙，mm；nm為摩擦繩圈，取 3；ls為試驗(yàn)繩長(zhǎng)，取 30 m；ng為多層纏繞時(shí)供移動(dòng)用的繩圈，取 4；Dp為鋼絲繩平均纏繞直徑，mm；nz為纏繞層數(shù)。

2.7 多繩纏繞式提升機(jī)的選擇

當(dāng)鋼絲繩選型完成，卷筒直徑、纏繩區(qū)寬度等參數(shù)確定以后，可以根據(jù)有效載荷、容器質(zhì)量以及鋼絲繩參數(shù)，以確定多繩纏繞式提升機(jī)的最大靜張力F、最大靜張力差Fs、有效終端載荷Fz等相關(guān)參數(shù)。

多繩纏繞式提升機(jī)最大靜張力

最大靜張力差

有效終端載荷

確定了這些參數(shù)以后，可根據(jù)多繩纏繞式提升機(jī)的型譜，選擇滿足需要的提升機(jī)型號(hào)[26]。表3 和表4 分別給出了單、雙筒多繩纏繞式提升機(jī)的參數(shù)。

表3 單筒多繩纏繞式提升機(jī)參數(shù)Tab.3 Parameters of multi-rope winding hoist with single drum

表4 雙筒多繩纏繞式提升機(jī)參數(shù)Tab.4 Parameters of multi-rope winding hoist with double drum

3 超深井用多繩纏繞式提升機(jī)與多繩摩擦式提升機(jī)的選型對(duì)比

3.1 多繩摩擦式提升機(jī)及其安全系數(shù)的修正

多繩摩擦式提升機(jī)是一類以摩擦輪上的襯墊與鋼絲繩的摩擦力傳遞動(dòng)力進(jìn)行提升的機(jī)械，其采用多根鋼絲繩代替 1 根直徑較粗的鋼絲繩來(lái)提升容器。與單繩纏繞式提升機(jī)相比，多繩摩擦式提升機(jī)具有鋼絲繩直徑小、機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、適用于中等深度礦井提升等突出優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)資料[27]，南非多繩摩擦式提升機(jī)提升高度最深的是西部深層礦 (Western Deep Levels Mines)，提升高度為 1 948 m，但據(jù)報(bào)告其鋼絲繩壽命非常短。目前國(guó)內(nèi)多繩摩擦式提升機(jī)提升高度最深的是云南會(huì)澤鉛鋅礦 3 號(hào)豎井，提升高度為 1 523 m，采用 1 臺(tái) JKMD-5.5×6 落地式 6 繩摩擦式提升機(jī)提升。目前正在建設(shè)的山東萊州紗嶺金礦，將采用 1 臺(tái) JKMD-6×8 落地式 8 繩摩擦式提升機(jī)，其提升高度為 1 547.5 m。

多繩摩擦式提升機(jī)為了滿足防滑需要，在容器下方安裝有尾繩。應(yīng)用于深井和超深井時(shí)，主繩本身重量的增加，導(dǎo)致其內(nèi)部張力在提升過(guò)程中發(fā)生較大變化。南非等國(guó)的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為：在深井和超深井提升時(shí)，多繩摩擦式提升機(jī)主繩內(nèi)的張力變化直接影響主繩壽命。為保證主繩具有足夠經(jīng)濟(jì)的壽命，推薦該張力變化的范圍不超過(guò)主繩破斷力的 11.5%。

國(guó)內(nèi)學(xué)者據(jù)此推薦：在超深井選型時(shí)，多繩摩擦式提升機(jī)的安全系數(shù)修正公式[28]

式中：SF1為修正后的安全系數(shù)；A為張力變化范圍，取A≤11.5%。

3.2 多繩纏繞式提升機(jī)與多繩摩擦式提升機(jī)選型對(duì)比

為比較多繩纏繞式提升機(jī)與多繩摩擦式提升機(jī)在超深井條件下選型的差異，假設(shè)提升高度分別為 1 500 m 和 1 600 m，有效載荷為 23 t，分別對(duì)其進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，得到選型對(duì)比結(jié)果如表5 所列。

表5 選型結(jié)果的對(duì)比Tab.5 Comparison of selection results

從表5 可知：當(dāng)有效載荷不變，提升深度從 1 500 m 加深到 1 600 m 時(shí)，多繩摩擦式提升機(jī)為限制鋼絲繩的張力變化范圍，其系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生急劇的變化；多繩纏繞式提升機(jī)的選型無(wú)需考慮張力變化范圍，其系統(tǒng)參數(shù)變化很小。多繩摩擦式提升機(jī)鋼絲繩直徑從 52 mm 加大到 62 mm，最大靜張力增加了 35%，這也驗(yàn)證了多繩摩擦式提升機(jī)經(jīng)濟(jì)性的極限提升深度在 1 600 m 左右的結(jié)論。

4 結(jié)論

(1) 對(duì)超深井用多繩纏繞式提升機(jī)的選型進(jìn)行了探討，對(duì)選型過(guò)程中鋼絲繩的種類、提升速度的選取、輕質(zhì)提升容器的容器系數(shù)取值進(jìn)行了討論，并給出了基于我國(guó)規(guī)程和南非規(guī)程的多繩纏繞式提升機(jī)鋼絲繩直徑及卷筒直徑選型計(jì)算公式。確定了系統(tǒng)參數(shù)后，可根據(jù)型譜，選擇相應(yīng)型號(hào)的多繩纏繞式提升機(jī)。

(2) 通過(guò)與多繩摩擦式提升機(jī)的選型對(duì)比，當(dāng)提升深度從 1 500 m 增加到 1 600 m 時(shí)，多繩摩擦式提升機(jī)出現(xiàn)了因?yàn)閺埩ψ兓秶拗贫鴮?dǎo)致鋼絲繩直徑急劇增大的現(xiàn)象。若未來(lái)多繩摩擦式提升機(jī)主繩張力變化范圍 (不得大于其破斷力的 11.5%) 的限制無(wú)法突破，則多繩摩擦式提升機(jī)的經(jīng)濟(jì)極限提升深度將被限制在 1 600 m 左右，這也與國(guó)外學(xué)者的結(jié)論相符。我國(guó)煤礦的極限開(kāi)采深度在 1 500 m 左右，因此多繩纏繞式提升機(jī)未來(lái)在我國(guó)超深的金屬礦中有望得到應(yīng)用。

(3) 多繩纏繞式提升機(jī)作為一種適合深井和超深井的提升裝備，在國(guó)外已經(jīng)有了六十多年的歷史，但是在國(guó)內(nèi)尚無(wú)應(yīng)用先例。近年來(lái)，隨著淺部資源的逐漸枯竭，我國(guó)已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)入深井或者超深井礦產(chǎn)資源的開(kāi)采。多繩纏繞式提升機(jī)的研發(fā)與使用，將滿足我國(guó)超千米深井的提升需要，并填補(bǔ)我國(guó)超千米深井高速重載提升設(shè)備的空白。