超深礦井提升系統鋼絲繩使用壽命研究綜述

楊汀

重慶科技學院機械與動力工程學院，中國·重慶 401331

1 引言

鋼絲繩柔性好、抗拉伸能力強等優點，在機械、冶金、礦山等工程領域中被廣泛應用于拉曳提升作業。隨著礦產資源開采力度增加，中國逐漸進入深井開采模式，多繩纏繞式提升機是最適合超深礦井提升的提升方式，其通過鋼絲繩在卷筒上的纏繞與解纏繞行為，帶動容積罐做起升和下降運動將地層礦物提升到地面。鋼絲繩作為連接卷筒、天輪和罐籠的重要部件，其力學性能與提升系統的安全運行和提升效率密切相關。

論文從提升機鋼絲繩的常見失效形式的角度出發，對目前針對鋼絲繩展開的相關研究進行總結與概括，分析鋼絲繩使用壽命的影響因素，并提出一些建議和展望。

2 提升機鋼絲繩常見失效形式

超深礦井多層纏繞提升機在工作時鋼絲繩主要承受沿鋼絲繩軸向的拉伸載荷，鋼絲繩在卷筒、天輪上纏繞時的彎曲載荷以及鋼絲繩在提升過程中自身產生的扭轉載荷。此外，鋼絲繩股內以及繩股之間鋼絲在載荷作用下存在復雜的摩擦、磨損等相互作用。在不斷重復的提升與下降過程中，鋼絲繩承受多種載荷的耦合作用，并逐漸發生破壞，直至失效。提升鋼絲繩的主要失效形式有以下幾種。

2.1 磨損

提升鋼絲繩進行提升和下放工作的過程中，由于與卷筒、天輪、制動器以及調繩裝置等接觸造成磨損，導致鋼絲繩界面減小，機械性能降低，直至破壞。此外，由于鋼絲繩的提升過程中各鋼絲繩承受載荷情況不同，造成鋼絲張力、變形不均勻，各鋼絲之間的相互作用，也會對鋼絲繩造成內部磨損。

2.2 疲勞

提升機工作時的提升速度并不是恒定不變的，其變化總體為加速—勻速—減速模式，整個過程中鋼絲繩所承受載荷不斷變化。鋼絲繩在提升過程中承受載荷情況較為復雜，且不斷變化的載荷對于鋼絲繩會造成疲勞損傷，最終影響鋼絲繩的使用壽命。此外，鋼絲繩在天輪和卷筒上重復進行彎曲和纏繞，隨著鋼絲繩提升次數的增加，鋼絲繩的使用壽命也會存在一定程度的降低。

2.3 銹蝕

多數礦井提升機工作環境較為潮濕，空氣水分較大，提升鋼絲繩在此環境下工作時表面易發生氧化銹蝕。造成鋼絲繩表面鋼絲出現凹坑，影響鋼絲繩的機械性能，嚴重者由于鋼絲繩表面不平造成應力集中，最終導致斷絲現象，引發斷繩事故。因此，銹蝕對鋼絲繩使用壽命的影響不容忽視。

2.4 振動

超深礦井提升機鋼絲繩的柔韌性較好，在進行超深提升過程中易發生振動、晃蕩現象，對鋼絲繩滋生造成劇烈沖擊，不僅影響鋼絲繩的提升效果，還對鋼絲繩使用壽命造成影響。

3 中國和其他國家的研究現狀

隨著有限元分析方法和相關軟件的發展，有限元技術以計算機分析代替人工演算，不僅節約了研究周期和研究成本，而且研究結果也與工程實際情況相符，因此被廣泛應用于各大工程領域。近年來，中國和其他國家的諸多學者以有限元方法建立鋼絲繩仿真模型，對其各種載荷和材料參數進行設置，模擬鋼絲繩在實際工況中的工作狀態，針對鋼絲繩的力學性能進行了很多研究。

Stanová E等人[1]對鋼絲繩軸向載荷下的應力分布進行研究。V Fontanari[2]對鋼絲繩在軸向拉伸載荷作用下的內部應力分布進行了研究。但并未考慮鋼絲繩在軸向載荷作用下自身發生扭轉對鋼絲繩力學性能的影響。

吳娟、寇子明等人[3]就捻向對外層鋼絲的應力分布和變形規律的影響進行了研究。C Erdem imrak、Cengiz Erd?nmez利用abaqus對鋼絲繩實體模型進行力學分析，對鋼絲繩應變與軸向力的關系進行研究。馬軍等人就軸向載荷作用下鋼絲繩內部應力分布與變形規律進行了研究。C Erdonmez、C E Imrak、劉玉輝、戴珊珊等人對承受軸向載荷的鋼絲繩的應力與應變關系進行闡述，但忽略了鋼絲繩內部鋼絲之間的接觸摩擦與相對變形。

Dagang Wang、陳原培、姜海波等人考慮鋼絲繩內部鋼絲之間的接觸和摩擦，對鋼絲繩使用壽命進行研究。任志乾等從載荷沖擊的角度對鋼絲繩進行研究，并進行實驗驗證，發現沖擊載荷造成鋼絲繩失效的原因是內部鋼絲的接觸損傷。考慮鋼絲繩在載荷作用下內部鋼絲之間的相互行為，對鋼絲繩的接觸損傷和使用壽命的影響進行分析。

Yusuf Aytac Onur和C Erdem Imrak對繞過滑輪承受拉伸載荷的6×36Warrington-Seale型鋼絲繩疲勞壽命情況進行分析，發現載荷和彎曲程度對鋼絲繩使用壽命都有影響。熊偉紅等將有限元分析方法與Manson-Coffin鋼絲繩結合建立了鋼絲繩的疲勞壽命計算模型，并進行了實驗驗證。賈小凡、張德坤、李巍等人對鋼絲繩在載荷作用下疲勞壽命的影響因素展開研究。胡志輝發現鋼絲繩的纏繞形式對鋼絲繩使用壽命影響較大，且不同纏繞位置的鋼絲繩壽命損傷程度有所不同。

綜上所述，鋼絲繩自身結構獨特以及其在工作時所承受載荷狀態復雜，關于鋼絲繩使用壽命方面的研究，主要集中在拉伸、彎曲以及扭轉載荷以及鋼絲繩鋼絲之間的相互作用等因素對鋼絲繩使用壽命的影響。

4 延長提升鋼絲繩使用壽命的措施

鋼絲繩的正確選型。提升鋼絲繩的種類繁多，不同的提升鋼絲繩力學性能存在較大差異，適用于不同的工作環境。因此，鋼絲繩是否正確選型，對提升效果以及鋼絲繩的使用壽命有很大影響。

消除鋼絲繩之間提升不同步現象。超深礦井纏繞式提升機與淺井纏繞式提升機不同，采用多繩同步作用對提升容器進行提升和下降。提升過程中由于制造、安裝以及提升重心的影響，各根鋼絲繩之間變形伸長量存在差異，并隨著提升不斷累積，造成鋼絲繩提升不同步的現象，嚴重時甚至會引發鋼絲繩驟斷，造成安全事故。此外，提高浮動天輪或游動卷筒等結構對鋼絲繩變形差進行補償，對延長鋼絲繩的使用壽命很有必要。

鋼絲繩的正確保養與維護。提升機鋼絲繩新繩在安裝時必須對其進行浸油、注油處理。但提升鋼絲繩的工作具有高強度、高重復的特點，在使用一段時間后鋼絲繩變得干澀，此時為保證鋼絲繩正常工作和穩定提升，需要對鋼絲繩進行定期保養，否則由于缺乏潤滑，鋼絲繩磨損加劇，且由于礦井潮濕易發生銹蝕破壞，嚴重降低鋼絲繩的機械性能和使用壽命。因此，正確合理的保養維護措施一定程度上可以延長鋼絲繩的使用壽命。

5 結語

隨著對超深礦井鋼絲繩研究的逐漸深入，在現有單一工作載荷研究基礎上，對鋼絲繩多種載荷耦合作用下的力學特性進行研究，實現對礦井提升系統鋼絲繩復雜的實際工況進行深度模擬仿真分析將成為研究趨勢。從而對鋼絲繩使用壽命做出準確預測，及時更換鋼絲繩，避免安全事故的產生。此外，對鋼絲繩在瞬態載荷沖擊下的應力應變規律進行分析，并研究瞬態沖擊對鋼絲繩力學性能和使用壽命的影響對于超深礦井提升技術具有重要意義。