多繩摩擦輪提升機(jī)失效情況分析及發(fā)展展望

許未明

（山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)責(zé)任有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046100）

引言

提升機(jī)作為礦山機(jī)電的重要組成設(shè)備，直接影響到礦井的安全生產(chǎn)作業(yè)。多繩摩擦輪提升機(jī)由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被用于國(guó)內(nèi)煤礦及非煤礦山立井的提升工作中，300～1 400 m 的礦井更是多采用該種提升設(shè)備。多繩摩擦輪提升機(jī)通過利用鋼絲繩與摩擦輪之間的摩擦力完成升降作業(yè)，但從實(shí)際生產(chǎn)情況來看，由于使用不當(dāng)造成摩擦傳動(dòng)失效，從而發(fā)生鋼絲繩打滑的情況屢見不鮮。

1 摩擦輪失效情況分析

目前，多繩摩擦輪提升機(jī)發(fā)生事故的主要原因是由鋼絲繩打滑引起的，因此對(duì)礦井提升機(jī)防滑的研究工作備受行業(yè)關(guān)注。提升機(jī)處于作業(yè)中時(shí)，當(dāng)鋼絲繩與主導(dǎo)輪間的摩擦力與主導(dǎo)輪兩邊鋼絲繩的張力差大于Fmax時(shí)，鋼絲繩動(dòng)力無法被及時(shí)傳輸，從而發(fā)生打滑。在此過程當(dāng)中，也可以將鋼絲繩與摩擦輪看作為一體發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，現(xiàn)就三種摩擦輪傳動(dòng)打滑失效的情況加以分析[1]。

1.1 彈性滑動(dòng)

彈性滑動(dòng)是指摩擦輪受壓，造成材料的形變從而在兩輪接觸區(qū)壓出小部分的平面區(qū)域。當(dāng)提升機(jī)啟動(dòng)時(shí)，平面區(qū)域在摩擦輪動(dòng)力傳遞時(shí)會(huì)受到摩擦力影響，從而造成主導(dǎo)輪表面的磨損，由壓縮狀態(tài)逐漸變?yōu)槔欤环粗蝿?dòng)輪平面上對(duì)應(yīng)區(qū)域則由拉伸狀態(tài)變?yōu)閴嚎s。因此在兩摩擦輪表面處會(huì)受切向力的影響產(chǎn)生不同程度的彈性變形，繼而彼此相對(duì)滑動(dòng)。由于彈性滑動(dòng)的影響，會(huì)造成提升機(jī)在提升工作時(shí)速度減緩和功率損失。

1.2 幾何滑動(dòng)

摩擦輪在傳動(dòng)時(shí)，其與鋼絲繩所接觸面上各位置有不同情況的速度差，從而在兩輪間造成相對(duì)滑動(dòng)，這種由于幾何關(guān)系造成的滑動(dòng)現(xiàn)象稱為幾何滑動(dòng)。可以看出，傳動(dòng)裝置本身的結(jié)構(gòu)是造成提升機(jī)幾何滑動(dòng)的根本原因，不僅會(huì)造成傳動(dòng)比精確度的降低，還會(huì)加劇輪面磨損程度，降低工作效率。

1.3 打滑

如圖1 所示，對(duì)提升機(jī)三種工況條件下，鋼絲繩打滑的特性進(jìn)行效果展示，分別為提升重載緊急制動(dòng)工況、空運(yùn)行緊急制動(dòng)工況和下放重載緊急制動(dòng)[2]。

打滑不僅會(huì)造成摩擦輪表面的磨損加劇導(dǎo)致使用壽命的縮短，在打滑發(fā)生瞬間，還會(huì)由于慣性力的影響引發(fā)生產(chǎn)安全事故。

1.4 制動(dòng)失效

制動(dòng)失效（跑車）是所有提升機(jī)普遍存在的失效形式之一，相較于打滑會(huì)產(chǎn)生更加嚴(yán)重的后果。提升機(jī)的機(jī)械制動(dòng)過程是由摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能克服系統(tǒng)動(dòng)能和勢(shì)能的過程。由于此過程也是通過摩擦實(shí)現(xiàn)，因此，摩擦失效的情況同樣無法避免[3]。當(dāng)制動(dòng)器被頻繁使用時(shí)，所產(chǎn)生的高溫高壓會(huì)降低摩擦輪制動(dòng)盤和制動(dòng)器襯墊間的摩擦系數(shù)，當(dāng)摩擦力矩不足以克服靜力矩時(shí)，便會(huì)引起制動(dòng)失效。

2 國(guó)內(nèi)外礦井的主要提升設(shè)備

摩擦式提升機(jī)主要有塔式提升機(jī)與落地式提升機(jī)兩種布置形式。國(guó)內(nèi)提升機(jī)主要是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20961《單繩纏繞式礦井提升機(jī)》和GB/T 10599《多繩摩擦式礦井提升機(jī)》生產(chǎn)制造[4]，此標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)落地式摩擦輪提升機(jī)和塔式摩擦輪提升機(jī)的最大規(guī)格有明確規(guī)定，分別為JKM6×4 和JKM5×6；拖動(dòng)方式有直連或減速器兩種選擇，塔式提升方面沒有8 繩提升機(jī)，落地式提升方面沒有2 繩及6 繩提升機(jī)，目前國(guó)內(nèi)提升機(jī)設(shè)備生產(chǎn)商主要包括中信重工機(jī)械股份有限公司、錦州礦山機(jī)器（集團(tuán)）有限公司、四川礦山機(jī)器（集團(tuán)）有限責(zé)任公司等；而在國(guó)際方面，德國(guó)西馬格、瑞典ABB 公司與加拿大（INCO）公司已可制造8 繩摩擦輪提升機(jī)，電動(dòng)機(jī)最大功率可達(dá)11 000 kW，由此可見，在提升機(jī)的設(shè)計(jì)和制造方面國(guó)內(nèi)外還存在一定的差距。

圖1 摩擦提升滑動(dòng)示意圖

圖2 兩種摩擦式提升機(jī)布置示意圖

余吾煤業(yè)主井布置兩套西馬格公司生產(chǎn)的四繩落地式摩擦輪提升機(jī)，主井裝載站可實(shí)現(xiàn)定容、定時(shí)、定量裝載，在卸載站對(duì)應(yīng)每個(gè)箕斗都安裝有一套紅外線卸空監(jiān)控保護(hù)裝置，液壓站可實(shí)現(xiàn)恒減速轉(zhuǎn)恒力矩，摩擦輪襯墊為進(jìn)口K25 襯墊，鋼絲繩選用德國(guó)WDI 公司生產(chǎn)的鋼絲繩，南進(jìn)風(fēng)立井副井布置一套西馬格公司生產(chǎn)的四繩落地式摩擦輪提升機(jī)，上下井口各安裝一套德國(guó)西馬格鎖罐搖臺(tái)，液壓站選用西馬格公司生產(chǎn)的現(xiàn)階段國(guó)際最先進(jìn)的雙恒減速液壓站，摩擦輪襯墊及鋼絲繩配置與主井相同，中央?yún)^(qū)副立井布置兩套瑞典ABB 公司生產(chǎn)的四繩落地式摩擦輪提升機(jī)，液壓站可實(shí)現(xiàn)恒減速轉(zhuǎn)恒力矩，摩擦輪襯墊為進(jìn)口K25 襯墊，鋼絲繩選用南非哈吉公司生產(chǎn)的鋼絲繩，以上提升機(jī)控制系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)電氣制動(dòng)，這些關(guān)鍵設(shè)備、設(shè)施選擇有效抑制余吾煤業(yè)提升設(shè)備的滑繩及制動(dòng)失效事故的發(fā)生，保證礦井提升設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 礦井提升設(shè)備未來發(fā)展方向

3.1 提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向

液壓制動(dòng)系統(tǒng)是提升機(jī)提升工作時(shí)的一道重要防線，主要由液壓站、彈簧制動(dòng)器、閘架、管道及連接件組成，分為恒力矩、恒減速和多通道恒減速三種制動(dòng)系統(tǒng)。近年來由于制動(dòng)系統(tǒng)的故障已引起多起機(jī)電事故的發(fā)生，包括過卷、跑車等事故類型。

余吾煤業(yè)公司是一座集煤炭開采、洗選加工為一體的特大型礦井，礦井核定產(chǎn)能750 t/年。副立井布置兩套提升容器，一套為雙層四車寬罐和雙層四車窄罐；一套為帶平衡錘可下長(zhǎng)材的乘人交通罐。為了預(yù)防提升工作完畢時(shí)液壓站可能發(fā)生的故障而引起的制動(dòng)失效，故在設(shè)計(jì)中選用了單泵雙站恒減速液壓站。正常提升時(shí)，分別在兩套液壓站設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)回油管道同時(shí)工作，各負(fù)責(zé)一半的制動(dòng)器。這樣可以有效降低提升結(jié)束時(shí)發(fā)生跑車事故的概率。

綜上認(rèn)為，高效可靠的恒減速、多通道、振動(dòng)沖擊限制技術(shù)將成為未來提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，并結(jié)合科技智能化控制用以彌補(bǔ)電氣控制的缺陷，在提升結(jié)束時(shí)可以實(shí)現(xiàn)智能停車制動(dòng)，防止事故擴(kuò)大。

3.2 副井罐籠的操車及鎖罐設(shè)備的發(fā)展方向

副井提升承擔(dān)上下材料、設(shè)備、乘人等工作，大型設(shè)備的運(yùn)輸直接影響礦井的安全。根據(jù)實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，罐籠鎖緊裝置在大型設(shè)備裝卸時(shí)需反向開車，在其傳感器失靈時(shí)易發(fā)生卡罐事故。建議在副立井鎖罐設(shè)備中積極推廣并不斷完善自適應(yīng)穩(wěn)罐搖臺(tái)裝置，通過初始托罐力不僅可以對(duì)鋼絲繩變型拉力起到緩沖保護(hù)作用；其次，罐籠可以使托爪向下翻轉(zhuǎn)，當(dāng)罐籠高速下落時(shí)避免卡罐事故。同時(shí)建議在副井軌道運(yùn)輸?shù)牟佘囍型茝V使用銷齒操車裝置，優(yōu)化系統(tǒng)配置，有效控制罐籠尺寸。

3.3 過卷緩沖裝置的發(fā)展方向

傳統(tǒng)的過卷緩沖裝置由于被長(zhǎng)時(shí)間閑置，當(dāng)提升容器出現(xiàn)過卷時(shí)其摩擦片已經(jīng)銹死，難以起到安全防護(hù)作用。目前在國(guó)內(nèi)積極推廣的HGJ－D 和HGF－D 型過卷緩沖裝置，可以有效利用鋼帶式材質(zhì)不易生銹、塑性變形并有效吸能緩沖的特點(diǎn)防止過卷。當(dāng)提升容器過卷時(shí)推動(dòng)橫梁，連帶滑柱運(yùn)動(dòng)，壓輥受曲軌影響出現(xiàn)水平位移，鋼帶受迫吸能緩沖，發(fā)生“S”變形。隨著鋼帶式過卷緩沖裝置的不斷完善，已在國(guó)內(nèi)創(chuàng)造過多起成功防過卷案例。

3.4 鋼絲繩無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向

基于鋼絲繩漏磁感應(yīng)強(qiáng)度與鋼絲繩表面距離呈指數(shù)性衰減的原理，剩磁與弱磁技術(shù)現(xiàn)已發(fā)展為鋼絲繩無損檢測(cè)的兩大核心技術(shù)，但從實(shí)際情況來看，由弱磁技術(shù)生產(chǎn)出來的無損檢測(cè)設(shè)備在國(guó)內(nèi)的使用情況并不好，由于其準(zhǔn)確性較差、實(shí)用性不強(qiáng)，大部分被礦山買回做閑置處理。

基于強(qiáng)磁原理，近年來俄羅斯INTROS 磁性鋼索測(cè)試儀被國(guó)內(nèi)架空索道行業(yè)的鋼絲繩檢測(cè)引進(jìn)，繼而推廣于礦井提升鋼絲繩的無損檢測(cè)。由于其具有較好的重復(fù)性和準(zhǔn)確性，成功為礦井鋼絲繩的更換和報(bào)廢提出了指導(dǎo)意見，將是未來鋼絲繩無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和推廣方向。

4 結(jié)語

礦井提升機(jī)是礦山機(jī)電中的關(guān)鍵設(shè)備之一，熟悉并掌握提升機(jī)失效及原因及防治措施，對(duì)于保障提升機(jī)長(zhǎng)期安全高效的工作有非常重要的意義。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外礦井提升機(jī)摩擦輪失效的情況進(jìn)行分析，并結(jié)合余吾煤業(yè)落地式摩擦輪提升機(jī)的使用情況，為多繩摩擦式提升機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化提供建議并對(duì)未來關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向提出了展望。