新型多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置研究

曲立文

(平頂山天安煤業股份有限公司六礦,河南 平頂山 467000)

目前,煤礦使用的提升鋼絲繩與箕斗、罐籠的連接器均為楔塊鎖緊形式,實現提升容器和提升鋼絲繩在連接器處的剛性連接[1]。盡管這種連接方式牢固可靠,不會出現松動和脫落現象,但是在長期的實際應用中也凸顯出如下缺點:

1)無法釋放扭轉力矩,扭轉力矩產生的橫向剪切力和應力集中是造成鋼絲繩斷絲的主要因素,導致鋼絲繩實際使用壽命遠低于額定值。

2)現有首繩連接裝置在換繩時存在更換工藝復雜、安全性差、勞動強度和工作量大、可操作性差、所需施工人員多、工期較長等諸多缺點。

3)鋼絲繩扭轉波動產生的橫向捻力會影響張力平衡懸掛裝置的平衡精度,一定程度上降低了平衡懸掛裝置對提升鋼絲繩的張力平衡效能[2]。

4)作為純機械設備,自動化程度較低,不具備功能拓展接口,無法利用新技術測試鋼絲繩張力值。

鑒于上述因素,研制一套新型多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置,通過改變其鋼絲繩的連接方式,使其連接處能夠以提升鋼絲繩為軸進行自由轉動,以此有效地釋放扭轉力矩,消除扭轉力矩帶來的橫向剪切應力,緩解提升鋼絲繩局部應力集中現象,徹底改善整條提升鋼絲繩的受力狀況,提高提升鋼絲繩的可靠性和安全性,有效延長提升鋼絲繩的使用壽命。

1 結構及工作原理

新型多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置見圖1。新型多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置自上而下主要由雙向平衡油缸、楔式鎖繩器、液壓楔式調繩器、保險卡構成直連式一鎖、二備、三保險的平面斜楔鎖繩結構,取代了楔形繩環的彎曲鎖繩方式,采用逐級增壓的聯動模式,可以牢固地將提升容器固定于提升鋼絲繩上,有效避免滑繩現象的發生。防護罩和上筒體用于保護平衡油缸,下筒體為主要機械受力件,楔式鎖繩器、液壓楔式調繩器自上而下布置在下筒體內,工作時相對于下筒體進行相對運動。連接叉上部連接懸掛裝置下筒體,下部用于連接提升容器。雙向平衡油缸、楔式鎖繩器和液壓楔式調繩器中的液壓缸、五通管、上腔液壓閥組、下腔液壓閥組共同構成了多功能閉環無源液壓自動平衡系統,作為整套裝置的動力單元和執行單元。

1-雙向平衡油缸；2-上筒體；3-上腔液壓閥組；4-下腔液壓閥組；5-楔式鎖繩器；6-液壓楔式調繩器；7-保險卡；8-下筒體；9-連接叉；10-五通管圖1 新型多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置Fig.1 New multifunctional tension automatic balance first rope suspension device

穿繩時,首先打開楔式鎖繩器和液壓楔式調繩器中的楔塊,將鋼絲繩自上而下依次穿過雙向平衡油缸、楔式鎖繩器、液壓楔式調繩器和保險卡。控制液壓楔式調繩器中的油缸向上運行,利用該油缸推動楔式鎖繩器中的楔塊向上運行,利用自鎖角鎖緊鋼絲繩,完成一級鎖緊。其次利用專用工具人工推動液壓楔式調繩器中楔塊向上運行,利用自鎖角鎖緊鋼絲繩,完成二級鎖緊。最后,將保險卡固定安裝在鋼絲繩末端位置,假如鋼絲繩發生打滑,保險卡可以頂緊液壓楔式調繩器中楔塊,確保楔塊不會自動打開,實現三級鎖繩。

通過改變原有鋼絲繩連接裝置中鋼絲繩與提升容器的剛性固定連接方式,引入轉動副,增加連接處沿鋼絲繩提升方向的軸向轉動自由度,鋼絲繩和楔式鎖繩器、液壓楔式調繩器固結為一個整體,當扭轉力矩足夠大時,能夠克服液壓密封阻力,實現鋼絲繩可控旋轉,從而平衡和消除鋼絲繩集聚的扭轉力矩。

采用多功能閉環無源液壓連通自動平衡模式,利用五通管連通四架懸掛裝置。當鋼絲繩張力不平衡時,張力大的懸掛裝置中油缸內的油液通過五通管管路流入張力值較小的懸掛裝置油缸內,推動活塞桿向外伸長,懸掛縮短使得鋼絲繩承受的張力值變大,直至每根鋼絲繩的張力值相等,連通器運動才相應地停止,從而自動實現張力平衡。

2 功能特點

相比于現有的立井提升首繩懸掛裝置,新研制的鋼絲繩多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置在結構上和功能上實現了質的革新和完善,實現了產品的全面升級換代。優化后的結構更為牢固緊湊,功能更為完善多樣,性能更加安全可靠。在安全高效生產的前提下,其創新性的功能特點主要體現在以下三個方面:

1)創造性地采用直連式一鎖、二備、三保險的平面斜楔鎖繩結構,引入轉動副,增加連接處沿鋼絲繩提升方向的軸向轉動自由度,通過可控隨動旋轉和采取新的平衡模式,可以有效釋放鋼絲繩在運行過程中積聚的扭轉力矩,顯著消除扭轉力矩對鋼絲繩的剪切破壞,提升鋼絲繩可靠性,延長鋼絲繩的實際使用壽命。

2)研制了智能化液壓控制系統,借助液壓步進系統和自動化控制系統實現了裝繩、固繩、調繩、換繩工作的自動化,可以在不棚罐、不卡繩、全負荷條件下輕松快速完成上述工作,投入少、效率高,滿足人性化生產的要求,可實現一人快速穿繩、固繩、調繩,多繩同時操作。

3)提高了首繩懸掛裝置的張力平衡精度和調繩量,實現動、靜狀態下精確的張力自動平衡,杜絕了鋼絲繩偏竄現象的發生[3]。

3 應用效果

平煤六礦于2016年8月換裝新型多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置，在一年多的實際應用中,展現出了良好的應用性能,產品性能優越、功能多樣,滿足礦井惡劣工況下的應用要求。其應用效果主要體現在以下幾個方面:

采用直連式一鎖、二備、三保險的平面斜楔鎖繩結構。采用這種鎖緊方式,一方面,鎖緊部分均在密閉空間內,而且還有潤滑油脂的保護,因此受井筒環境的影響和破壞較小,日常維護更為簡便;另一方面,采用平面斜楔鎖繩結構,鋼絲繩與平面斜楔的接觸面積較大,對鋼絲繩自身的破壞較小,提高了鋼絲繩的使用壽命。同時,該結構能夠實現鋼絲繩可控旋轉,從而平衡和消除鋼絲繩集聚的扭轉力矩,相應地消除扭轉剪切應力,優化鋼絲繩受力情況,基本杜絕了早期斷絲現象。目前,平煤六礦使用的提升鋼絲繩已經連續正常使用16個月,而且鋼絲繩狀況良好,其實際使用壽命較換裝前提高了一倍,僅鋼絲繩采購成本一項約節約310萬,安全性和經濟性大大提高。

采用全液壓操控模式,引入智能化液壓控制技術,采用液壓動力源和液壓執行機構,在裝繩、換繩時,省去了傳統連接裝置復雜繁瑣的解鎖工序,鋼絲繩可以輕松穿入打開的平面斜楔,然后利用液壓缸的擠壓力鎖緊平面斜楔,再輔以保險卡,實現牢固固繩。在調繩時,借助液壓步進機構可以輕松實現各鋼絲繩在動、靜狀態下精確的張力自動平衡,利用就地液壓控制柜,只需1～2名操作工人即可在短時間內完成整個裝繩、換繩、調繩工作,能夠節省大量的人力、物力和時間。應用實踐證明,一次裝、調繩工作較傳統懸掛裝置,節約人力投入90%,節約工作時間70%,從而間接增加了礦井的正常生產時間,間接為平煤六礦創造360萬元的經濟效益。

借助預留的信號接口進行功能擴展,配套載重量實時監測系統,實現對各個鋼絲繩張力值的動態監測,監測提升載荷是否在正常范圍內,一旦發生異常便會發出聲光警告,及時判斷、發現和排除提升故障,提高礦井提升工作的可靠性。在實際應用中,該套系統可以穩定、準確地測量提升動態載荷,及時預警超載隱患[4]。

4 結束語

首繩懸掛裝置是礦井提升系統中重要承力設備和連接設備,而傳統的首繩懸掛裝置由于受到自身結構和連接方式的限制,扭轉力矩不能得到有效釋放,對鋼絲繩的破壞比較明顯,且功能單一、自動化水平較低,不適應安全、高效、智能化礦山的建設要求。該套新型多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置進行了結構上的革新優化,通過產品結構和工作原理的創新升級,很好地解決了傳統首繩懸掛裝置存在的諸多現實問題,提高了產品的可靠性和安全性。現場應用實踐證明,在滿足安全可靠使用的基礎上,其多樣化的功能設計和先進的液壓自動控制模式,優化了以往裝繩、換繩、調繩工作中繁瑣復雜的工序,大大提高了工作效率,為礦企帶來可觀效益的同時,推動了自動化、智能化礦山的建設步伐。