無極繩絞車壓繩裝置的改進分析

楊飛龍

（山西汾西中興煤業有限責任公司， 山西 交城 030500）

引言

煤礦井下有電機車、柴油機車以及軌道、無極繩絞車等多種輔助運輸方式，其中無極繩絞車憑借運輸成本低、適應性強、運輸距離長以及運輸量大等優點，在煤礦井下應用較為普遍[1-3]。由于煤礦井下地質條件復雜，無極繩絞車往往需要在大傾角、變坡多的巷道內布置，給絞車應用帶來一定的挑戰[4]。同時隨著礦井綜合機械化開采水平的提升，大型的采煤、運輸設備應用更為普遍，這些設備在井下運輸時小功率無極繩絞車往往難以滿足需要，因而大功率無極繩絞車在煤礦井使用量逐步增加[5]。無極繩絞車通過鋼絲繩給礦車運行提供動力，壓繩裝置是鋼絲繩導向、固定的重要設備[6]，隨著絞車功率增加，壓繩裝置受到的作用力顯著提升，在使用時存在跳繩、壓繩裝置損壞等問題。為此，針對礦井無極繩絞車壓繩裝置現場應用存在的問題，進行針對性改進，對提升無極繩絞車應用效果具有顯著意義。

1 無極繩絞車壓繩裝置應用中存在的問題

無極繩絞車在煤礦井下為常用輔助運輸方式，山西某礦為高瓦斯礦井，井下地質構造發育、開采的煤層起伏較大，巷道內有較多的起坡點。為了提升井下運輸效率，現階段礦井基本采用無極繩絞車輔助運輸，其中使用最為廣泛的是SQ-80 型絞車，絞車結構由液壓絞車、鋼絲繩、平托輪組、壓繩裝置（主/副壓繩輪）、張緊裝置等構成。

無極繩絞車運輸采用的壓繩裝置結構見圖1 所示，結構包括轉軸、托架、繩輪以及拉緊彈簧等。壓繩裝置中副壓繩輪組安裝完成后基本處于固定狀態；主壓繩輪組繩輪由于采用彈簧拉緊，當繩組受到較大的鋼絲繩作用力時彈簧會松開，從而造成壓繩輪組壓繩輪張開，最終出現鋼絲繩跳繩問題。根據井下壓繩裝置應用情況并結合筆者工作經驗，具體將壓繩裝置應用過程中存在的問題歸結為以下兩個方面[7~9]：

圖1 壓繩裝置

1）跳繩問題。跳繩問題多發生在無極繩絞車運送過程中，當巷道有變坡點或需要拐彎時，由于坡度變化造成鋼絲繩有一定的向上作用力，當壓繩裝置提供的壓繩力小于鋼絲繩運行時作用到繩輪組上的作用力時，鋼絲繩即會從壓繩輪中彈出，出現跳繩，從而影響無極繩絞車鋼絲繩運行。

2）壓繩裝置故障。由于煤礦井下環境惡劣，同時無極繩絞車需要頻繁工作，鋼絲繩時常給壓繩裝置作用力。壓繩裝置長時間使用時，繩輪下方布置的固定螺母容易松動，嚴重時導致繩輪從固定架上脫落。

2 壓繩裝置的受力分析

壓繩裝置結構包括有轉軸、繩輪、托架以及張緊彈簧等，通過各個部件組合主要起到固定鋼絲繩以及鋼絲繩導向功能，從而滿足無極繩絞車在井下巷道內長距離運輸需要。針對井下無極繩絞車應用情況，并便于對壓繩裝置受力進行分析，文中主要考慮巷道坡度對壓繩裝置的受力影響，忽略拐彎影響。具體分兩種情況：

1）壓繩裝置布置的巷道無坡度變化，巷道為近水平巷道（坡度在5°以內）；

2）巷道有坡度變化（坡度變化在5°以上）。

2.1 近水平巷道內壓繩裝置的受力分析

壓繩裝置在近水平巷道內布置時壓繩輪受力情況見圖2 所示，其中F 為鋼絲繩上向作用力（即鋼絲繩作用到壓繩裝置上的上向應力）；L 為力F 的力臂；F1、F2分別為張緊彈簧作用到壓繩輪 1、2 上的預緊力；L1、L2分別為張緊彈簧作用到壓繩輪 1、2 上的預緊力力臂；忽略壓繩輪自身重力影響，則壓繩輪受到的力矩 M 可通過公式（1）、（2）計算：

當壓繩輪總力矩M≥0 時表示鋼絲繩可以被壓繩輪壓緊，不會出現跳繩問題；當壓繩輪總力矩M＜0 時表示壓繩輪提供的力矩無法束縛鋼絲繩，壓繩輪會被分開從而造成鋼絲繩彈出，出現跳繩問題。

圖2 壓繩輪受力圖

2.2 有坡度巷道壓繩輪的受力分析

巷道坡度用α 表示，壓繩角用β 表示，則無極繩絞車運行時鋼絲繩作用到壓繩輪上的向上作用力可通過式（3）計算：

式中：T 為無極繩絞車運行時產生的牽引力。壓繩角β 與巷道坡度α 成正比，即α 越大β 越大，反之α越小β 小。無極繩絞車未工作時鋼絲繩牽引力T 為0，鋼絲繩不會出現跳繩問題。無極繩絞車牽引的礦車載重越大，鋼絲繩牽引力T 越大，則壓繩輪受到鋼絲繩作用力F 越大；巷道坡度α 越大，則壓繩角β 越大，壓繩輪受到作用力越大。當F 超過壓繩輪極限載荷時，鋼絲繩即會出現跳繩問題。

3 壓繩裝置的改進

3.1 增加張緊彈簧數量

從壓繩裝置在使用過程中受力分析可知，避免鋼絲繩出現跳繩可從降低壓繩輪受到載荷（即降低鋼絲繩牽引力）或者增加壓繩輪本身力矩兩個方面出發。由于無極繩絞車在使用過程中難以避免需要運輸如液壓支架、采煤機等重載荷設備，降低壓繩輪受到載荷（即降低鋼絲繩牽引力）顯然不現實。因此可通過增加壓繩輪力矩對壓繩裝置進行改進，具體為將張緊彈簧數量由原本1 個增加至2 個，則壓繩輪本身可提供的力矩即可增加1 倍，從公式（1）（2）看出，壓繩裝置出現鋼絲繩跳繩幾率則會明顯降低。

為了更好地提升壓繩裝置適應性，可采用下述方式合理選擇彈簧：對壓繩裝置使用過程中鋼絲繩受到的牽引力F 進行取值分析，并考慮安全系數，從而最終確定彈簧的彈性系數，并以此為基礎最終確定選用的彈簧。根據礦井壓繩裝置使用現場條件，最終選用彈簧中徑D 為36 mm 的彈簧。

3.2 優化張緊裝置布置

在井下輔助運輸時根據無極繩絞車使用環境需要對壓繩裝置布置方式、位置進行優化，從而降低壓繩輪受力。在巷道坡度較大、需頻繁運輸重型設備或者材料的無極繩絞車時，可通過加密壓繩裝置、降低鋼絲繩對壓繩輪組影響，反之當無極繩絞車布置環境較好或者無需重載荷運輸時可適當增加壓繩裝置間距，從而減少壓繩裝置安裝工作量以及鋼絲繩運行工作阻力。

3.3 改進壓繩輪插銷結構

由于壓繩裝置頻繁受到鋼絲繩作用力影響，導致壓繩輪下部螺母時常出現脫落問題，嚴重時會導致壓繩輪從固定架上掉落。為了避免上述問題，在對壓繩輪結構進行分析的基礎上，對結構組成進行改進，具體為在壓繩輪軸上增加布置一擋銷，通過擋銷作用固定軸壓繩輪軸，限制壓繩輪軸轉動，從而避免縮緊螺母松動、掉落，具體改進后壓繩輪軸的結構見圖3。

4 壓繩裝置改進效果分析

將改進后的壓繩裝置現場應用后，壓繩裝置壓繩輪可給鋼絲繩提供足夠壓力，不會出現由于鋼絲繩受力較大或使用點坡度大而引起的跳繩問題。同時在對壓繩輪插銷結構改進后，壓繩輪下部縮緊螺母常松動、掉落問題得以徹底解決。現場應用接近6個月時間內，改進后的壓繩裝置運行平穩、安全，可以更好地滿足井下復雜巷道運輸需要，現場應用取得顯著效果，在一定程度上提升了無極繩絞車輔助運輸效率。

5 結論

1）對煤礦井下常用的無極繩絞車壓繩裝置使用過程中存在的鋼絲繩跳繩、繩輪脫落等問題進行分析，并從增加壓繩裝置內張緊彈簧數量、優化張緊裝置布置解決鋼絲繩跳繩問題；在壓繩輪結構內增加布置擋銷避免壓繩輪軸隨壓繩輪運轉，從而解決縮緊螺母松松、掉落引起的繩輪脫落問題。

圖3 改進后壓繩輪軸結構

2）提出的壓繩裝置簡單，在井下即可對壓繩裝置進行改進。將改進后的壓繩裝置現場應用后，無極繩絞車重載運行時鋼絲繩也未出現跳繩、壓繩裝置繩輪脫落問題。

3）通過對壓繩裝置進行改進，提升了壓繩裝置井下適應性并降低了運輸故障發生率，確保了無極繩絞車使用效率，為煤礦井下輔助運輸工作的高效開展創造了良好條件。