提升機滾輪罐耳膠胎的磨損分析與優化探討

張琦,李侃（.山東科技大學,山東泰安700;.泰安得力凱特機械有限公司,山東泰安7000）

提升機滾輪罐耳膠胎的磨損分析與優化探討

張琦1,李侃2
（1.山東科技大學,山東泰安270012;2.泰安得力凱特機械有限公司,山東泰安271000）

摘要：針對提升機用滾輪罐耳在實際應用中出現的磨損快、壽命短等主要問題，通過實踐分析排除了滾輪罐耳膠胎質量問題、滾輪罐耳結構、軸承設計、罐道等因素，確定磨損產生的主要原因是提升容器的重力與提升力之差和滾輪慣性力的關系是否合理，滾輪與罐道之間是否有相對滑動。并提出了提高膠胎壽命的措施，如加大膠胎內徑，改變材質，合理設計提升機加減速時間等。使膠胎厚度變薄、轉動慣量減小，這樣即減輕重量、節省材料又改善滾輪罐耳的散熱條件。

關鍵詞：滾輪罐耳；膠胎；慣性矩；相對滑動；磨損

隨著我國礦山開采業的發展，各大礦山都在向大型化、高效化發展，立井的井深在不斷增加，提升速度不斷提高，提升容量也在不斷加大，因此對提升系統的各個設備及其關鍵零部件的質量要求也相應提高。

滾輪罐耳是在提升容器與罐道之間起著關鍵媒介做用的重要部件之一。它不僅起著支撐緩沖作用，還起到提升容器沿井筒軸線方向的導向作用，其工作質量的好壞直接影響到礦山生產效率和提升容器正常運行率。許多礦山都還在延用老式罐耳結構，其結構存在以下幾方面的問題：

（1）使用壽命短；

（2）故障率高；

（3）可靠性差；

（4）維修成本高；

（5）重量較重；

（6）提升容器的提升速度和效率都受到限制；

（7）散熱條件不好等。

近些年，滾輪罐耳膠胎損壞的問題反映普遍，損壞的滾輪膠胎如果檢修更換不及時，常常會使提升系統出現緊急停車事故，不僅影響了正常的安全生產，還增加設備成本消耗，對礦井造成很大的損失。因此，查找膠胎磨損的原因并對滾輪罐耳進行優化設計顯得更加迫切。

1膠胎磨損原因分析

通過作者多年來走訪用戶調研發現，幾乎所有滾輪罐耳膠胎的損壞，都是由于它與罐道之間的相互摩擦造成的，為延長膠胎的使用壽命，減少檢修時間，作者曾經用過將膠胎加厚的方法，但實驗過程中出現加厚的滾輪罐耳的使用壽命更短的非常規現象，一個礦一年要更換60多個滾輪罐耳。如此嚴重的損壞，便從以下幾個方面進一步分析主要原因：

1.1滾輪罐耳膠胎質量問題

將更改前后的膠胎和原膠胎取樣后進行了各種理化實驗分析，結果是其質量前后一致，沒有什么區別。因此排除質量因素造成的磨損加劇影響使用壽命。

1.2滾輪罐耳的結構問題

對于滾輪罐耳的結構，在改進前后并沒有改變，只是在保證膠胎安裝尺寸和外徑尺寸不變的情況下將膠胎加厚。

從以上的分析來看，幾種情況都不可能出現多個膠胎同時快速磨損的狀態，那么問題出在什么地方呢？

作者經過多次到使用現場進行深入細致的了解觀察和理論上的認真分析研究，終于發現了問題的所在。

從理論上講，膠胎出現周向均勻的磨損，它只有在膠胎與罐道之間出現相對運動是才能發生，而這一相對運動的產生，要從提升容器的整個使用過程來分析：

首先提升容器由靜止啟動時，滾輪也是由靜止開始做加速轉動，但是滾輪有一個靜止的慣性，當提升的速度相對合理緩慢時，提升力與容器重力的差小于這個慣性力時，滾輪開始平穩的做勻加速轉動，這時不會出現相對運動，滾輪膠胎也不會磨損；當提升速度突然增大，提升力大于慣性力時，滾輪由于慣性的作用還處在較慢的啟動狀態，這時滾輪就會被拖動，滾輪膠胎與罐道之間就有一個相對滑動，從而產生了磨損，但這個磨損只是在滾輪膠胎的一個平面上產生。

當提升容器完成啟動，由加速運動轉為正常的勻速運動時，滾輪的轉速也變成了勻速轉動，這時膠胎與罐道之間便沒有了相對滑動，只是在罐道上進行純滾動，所以在這一過程中磨損非常小。

當提升容器即將到達預定位置時，提升容器便開始做減速運動。在提升容器由勻速運動轉為減速的時刻時，滾輪還處在勻速轉動狀態，它還保持著一個維持它轉動的慣性力，當這個提升速度的減小相對合理緩慢時，容器重力與提升力的差小于滾輪轉動的慣性力，滾輪膠胎與罐道之間也不會有相對滑動，也就不會產生磨損。當容器減速過快，其重力與提升力的差大于滾輪轉動的慣性力時，滾輪與罐道之間就會產生相對滑動，從而產生磨損，這時的磨損將是在整個圓周上的均勻磨損。這也就是滾輪膠胎產生均勻圓周磨損的根本原因。

2減少磨損機理分析

通過上面的分析，可以清楚的知道這個磨損的產生主要是提升容器的重力與提升力之差和滾輪慣性力的關系是否合理。而這一關系產生的關鍵位置又是在提升容器的啟動的加速和停止的減速過程中。又因為在啟動過程中的摩擦是一個滾輪被拖拉的過程，這一過程中的磨損只是一個平面的磨損，所以在這里不考慮。因此只研究滾輪在停止減速過程中的磨損情況。如圖1所示：

圖1滾輪罐耳減速時的受力圖

可以看出，在提升容器減速的過程中，滾輪受到輪軸給它的一個向上的力F；它自身的重力G；罐道給它的支撐力N；罐道對它的摩擦力f。

以輪軸O為旋轉軸，當滾輪膠胎與罐道處于靜摩擦與滑動摩擦的臨界點時，罐道對膠胎摩擦力產生的力矩與滾輪膠胎的慣性矩是相等的即

Tf＝TO①

Tf——摩擦力對輪軸的力矩，N

TO——膠胎對輪軸的慣性矩，N

摩擦力對輪軸的力矩見下式：

Tf＝kNR②

k——膠胎對罐道的摩擦系數

R——膠胎外半徑，m

膠胎對輪軸的慣性矩見下式：

TO＝Iε



I——膠胎對輪軸的轉動慣量，kg?m2

ε——膠胎的角加速度,r/min

m——膠胎質量,kg

r——膠胎內半徑,m

ρ——膠胎密度,kg/m3

將②、③代入①得

3滾輪罐耳膠胎優化設計

要想提高滾輪罐耳的膠胎壽命需盡量減小摩擦磨損，由公式④可以看出，影響膠胎壽命的主要因素有三個：一是膠胎的內外徑，二是膠胎密度，三是膠胎的角加速度。為此可以從以下三方面尋找提高膠胎壽命的措施。

3.1加大膠胎內徑，使膠胎厚度變薄

當K、N、R、ρ、ε已定的情況下，r越小，膠胎對輪軸的慣性矩TO越大。這也就是說，當在保證膠胎外徑及其它條件不變情況下，減小膠胎內徑，增加膠胎厚度時，其慣性矩TO也在增大，當它超過摩擦力臨界點的慣性矩If時，膠胎就會與罐道之間出現相對滑動的現象，從而造成膠胎整個圓周都出現均勻磨損加快的現象。所以為了減小膠胎的磨損，延長膠胎的使用壽命就必須加大膠胎內徑，使膠胎厚度變薄、轉動慣量減小，這樣即減輕了重量、節省了材料、改善了滾輪罐耳的散熱條件，又降低了生產制造成本，同時還改善了產品的性能，延長了滾輪罐耳的使用壽命，同時也為客戶提供了安全高效質優價廉的產品，使設備能夠安全高效的正常運行，從而也達到對滾輪罐耳優化的目的。

3.2改善膠胎的材質

選用密度低，重量輕的材質制作膠胎，可以降低磨損。

3.3合理控制提升加減速度

縮短相對運動（滑動）的時間與行程，減少磨損。即控制提升循環中加速和減速階段所占用時間和最大提升速度，并非速度越快越好，要綜合考慮能耗和設備維護成本確定合理的參數。

以上三種措施中，方案3.1最易實現，是現有提升機滾輪罐耳經濟實用的一種解決措施，現場使用效果很好。方案3.2有待進一步開發。方案3.3要結合礦井產能與提升系統全壽命周期設計綜合考慮優化。

4結論

綜上所述，對于轉動件來說，當發現其圓周均勻磨損時，不能為了延長其使用壽命，以單一增加其磨損面的厚度來處理，在沒有找到引起問題根本原因時，簡單的如此處理往往會使其結果適得其反。

另外，目前有些個別客戶也往往會用單純的提高提升速度來提高生產能力，但實際上這樣的決定會帶來一定的負面影響。因為在高提升速度的同時，滾輪罐耳的動能也在加大，相同時間讓它停止轉動所需的加速度也在加大，即摩擦力也在加大，當它超過臨界摩擦力時，滾輪罐耳膠胎與罐道之間便會產生滑動，造成嚴重的磨損，降低了膠胎的使用壽命，增加了維修成本和維護工作量，影響了生產。這是處理此類事情必須注意的一點。因此需要從全壽命周期角度去綜合考慮提升機系統的運行。

參考文獻：

[1]成大先主編.機械設計手冊[S].化學工業出版社,2008.

[2]楊澎，宗良，華峰.新型滾輪罐耳在煤礦生產中的應用[J].建井技術，1997(18):44-47.