關于摩擦式提升機各主要部件使用壽命的研究

宋振海

（陽煤集團機電動力部， 山西 陽泉 045000）

引言

摩擦式提升機由多個部件組成，主要部件包括主軸、鋼絲繩、減速器、盤式制動器、卷筒。各個重要部件的使用壽命也決定了摩擦式提升機的整機使用壽命，如果一個重要部件出現的故障將使得摩擦式提升機無法正常的運行。因此，針對摩擦式提升機各主要部件的維護保養方法進行探討，在延長了摩擦式提升機使用壽命的同時也提高了經濟性，安全性，可靠性。

1 主軸使用壽命分析

主軸是摩擦式提升機進行運轉的關鍵部件，同時也是承載裝置，具有較高的強度和剛度以滿足摩擦式提升機的高速旋轉工況。通過對摩擦式提升機主軸在現場實際應用情況分析得出，主軸產生裂紋是主要的破壞形式，當主軸產生裂紋后達不到預期的工作強度要求。

主軸產生裂紋的原因主要包括[1]，制造材料的缺陷、安裝精度不達標、后期維護保養方法不當、設計存在不合理。一般主軸的裂紋為縱向裂紋，在長時間高速旋轉中的產生的疲勞裂紋在潤滑油的進入條件下，裂紋將逐漸的加大，最終使縱向裂紋變為橫向裂紋。

裂紋的壽命特性是典型的機械壽命特征曲線如圖1 所示，主要分為L、M、N 區，分別代表著主軸發生故障的最低階段、初始階段和頻發階段。后期技術人員不能及時在L 區的對裂紋故障進行排除，將使得主軸的裂紋故障進行放大。

圖1 機械故障狀態特性曲線示意圖

因此，提升主軸使用壽命需要嚴格按照主軸的設計方法進行設計，選用合理的制造材料，并定期安排技術人員對主軸表面裂紋狀態進行觀察，并采用適當的維護保養方法，才能延長主軸的使用壽命。

2 鋼絲繩使用壽命分析

通常來說，隨著礦井的深度加深，鋼絲繩的使用壽命就會減小。分析其原因在于隨著井深的增加，鋼絲繩的內部扭轉應力就會隨著井深而增加，當扭轉應力在長時間作用后，就會形成扭轉疲勞，使得鋼絲繩產生斷絲安全隱患。同時，當井深增加的時候，鋼絲繩的負載變化率會發生變化，使得鋼絲繩的疲勞破壞加劇。從摩擦式提升機的使用環境分析，扭轉應力和負載變化率都是使得鋼絲繩使用壽命較短的原因。除上述兩個原因之外，鋼絲繩材料的選型、制造工藝、運行時所受到的動載荷、后期維護保養都是影響鋼絲繩使用壽命的關鍵因素[2]。

延長摩擦式提升機鋼絲繩使用壽命的措施主要包括提升系統合理設計、鋼絲繩的合理選型、提升鋼絲繩制造質量、加大對鋼絲繩安裝過程中的工藝管控、精準檢測鋼絲繩運行狀況等。其中加強對繩槽襯墊的維護是礦井技術人員常常忽略的一個因素，繩槽與鋼絲繩有合理的接觸面積，每一個繩槽的直徑誤差應控制在0.9 mm 之內[3]，繩槽的合理半徑如下頁圖2 所示。

3 減速器的使用壽命

減速器的兩端分別連接電動機和滾筒，是摩擦式提升機關鍵的部件，是確保礦井能夠安全提升的關鍵，應通過合理設計和后期維護，延長減速器的使用壽命。通過現場工程觀察，減速器常見的三種損壞情況，分別為輪齒折斷、齒面破壞、隔板掉落。其中齒面破壞又可以分為齒面的塑性變形和點蝕破壞。

圖2 繩槽合理半徑示意圖

減速器產生上述破壞的原因包括工作載荷過大、齒輪的制造工藝存在缺陷、潤滑油的效果不佳、后期維護保養不到位。從原因角度出發，提出延長減速器使用壽命的對策建議。一是改變齒輪的材質和熱處理方法，確保齒輪的硬度（HB）為280 及以上；二是加強螺帽的附著力，盡量采用點焊處理，同時具有砂眼、氣孔的齒輪軸材料禁止使用；三是提升安裝質量，每一個支撐彈簧都應進行壓力試驗，減速器與滾筒中心線應該對稱并保持在0.5 mm 的間隙；四是提高潤滑條件，將潤滑油使用專用的N320 齒輪潤滑油，按照比例添加金屬抗磨劑，通過潤滑泵站采取強迫潤滑的方式。

4 盤式制動器使用壽命分析

盤式制動器在不同的載荷工況下，根據載荷的頻率以及振幅大小，可將疲勞破壞分為隨機疲勞、橫幅疲勞以及變幅疲勞；同時根據材料分類，可將疲勞破壞分為機械疲勞、腐蝕疲勞以及熱疲勞。上述各類的疲勞破壞形式都影響著盤式制動器的使用壽命。

通常盤式制動器采用的制造材料都為Q345鋼材，在實際運轉過程中的速度v=20 m/s 和制動壓力p=2 MPa[4]。根據盤式制動器的壽命曲線，可知盤式制動器的使命壽命為4 617 次。

盤式制動器在制動過程中產生的溫度場和陰離場的分布規律無法有效掌握，因此盤式制動器的制動盤出現熱裂紋是常見的失效形式。制動盤所受到的熱應力大于材料的屈服強度。為延長盤式制動器的使用壽命，應從材料的角度入手，選用熱應力強度較高的材料，同時觀察制動盤表面熱裂紋的出現情況。

5 卷筒使用壽命分析

以超深井的摩擦式提升機為研究對象，通過有限元仿真技術對摩擦式提升機卷筒的使用壽命進行模擬分析，使卷筒按照實際工況條件進行運轉，按照工序時間配比，對卷筒滿載上提和空載下放的兩個工況進行分析。卷筒主要受到來自鋼絲繩張力的載荷作用，通過對傳統的動力學分析，由圖3 可知，卷筒繡到鋼絲繩最大拉力的時間出現在加速階段時間為第9 s，此過程為滿載上提階段；空載下放時鋼絲繩的最大張力出現在第104 s，即減速階段[5]。

如圖4 所示，在實際工作中卷筒的等效應力為131.6 MPa，計算出卷筒的疲勞壽命大約為1.1×108次循環[6]，并且在一定的加載范圍內，施加的載荷相同時，給定的存活率越高，對應的安全壽命越短；對于相同的安全壽命，給定的存活率越高，對應的應力水平越低，經濟性越差。所以在疲勞設計中，選擇合適的存活率p 對于提高提升機卷筒結構的安全性和可靠性具有重要意義。因此，卷筒達到疲勞壽命時應進行更換，并對卷筒有可能出現的疲勞破壞做好日常安全管理，及時進行觀察和維護保養。

圖3 卷筒內鋼絲繩張力隨時間的變化曲線

圖4 卷筒疲勞壽命與存活率p、載荷比的關系曲線

6 結語

通過對摩擦式提升機的主軸、鋼絲繩、減速器、盤式制動器、卷筒等主要部件的使用壽命進行分析研究，并提出了延長各個部件使用壽命的對策建議；延長各個主要部件的使用壽命應加強前期部件制造工藝的監管以及后期日常管理過程中的維護保養。