礦井提升機(jī)中繩索結(jié)構(gòu)研究

張 金，秦 龍，郭孟嘉

（鐵法能源公司大隆礦，遼寧 鐵嶺 112700）

引言

繩索應(yīng)用于眾多不同的機(jī)器和機(jī)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了其不同的功能。例如，它們應(yīng)用于水平和垂直運(yùn)輸系統(tǒng)中的可變方向上傳遞軸向載荷。作為具有重要價(jià)值的構(gòu)件移動(dòng)軸向力，鋼絲繩被應(yīng)用于建筑、垂直和水平運(yùn)輸?shù)牟傻V以及其他工業(yè)分支。繩索的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是具有較高的耐久性和可靠性。第二個(gè)特征是，繩索具有平行的結(jié)構(gòu)，如果一個(gè)或幾個(gè)結(jié)構(gòu)部件（鋼絲）損壞時(shí)，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。

1 礦井提升機(jī)中的繩索

礦井提升機(jī)被應(yīng)用于垂直運(yùn)輸中，其運(yùn)輸深度是多樣化的，比如山東能源新礦集團(tuán)孫村煤礦深度達(dá)到1 350 m。由于這個(gè)原因，豎井提升機(jī)的結(jié)構(gòu)是多樣化的[1]。放置在標(biāo)準(zhǔn)礦井中如圖1 所示，現(xiàn)有的單獨(dú)繩索或繩索組可實(shí)現(xiàn)以下功能：

圖1 礦井提升機(jī)中的繩索

1）承載：移動(dòng)來(lái)自懸掛質(zhì)量的總軸向載荷：提升盤(pán)、懸掛、繩索、運(yùn)輸采礦、物質(zhì)或人。

2）平衡：用于平衡由于驅(qū)動(dòng)輪兩側(cè)質(zhì)量不平衡而產(chǎn)生的靜力矩。

3）牽引：主導(dǎo)礦井內(nèi)盤(pán)子的自由遷移。

4）限制：限制礦井中盤(pán)子的橫向移動(dòng)。

2 起重鋼絲繩

礦井提升機(jī)中的提升繩根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置的類型以不同的布局工作，卷筒驅(qū)動(dòng)裝置中：在交疊布置中工作的繩索；在帶有摩擦接觸的傳動(dòng)裝置中布置為一根、兩根或四根繩索[2]。在多繩系統(tǒng)中，本質(zhì)上是繩的工作方式相同。有必要在系統(tǒng)中使用相同數(shù)量的左右捻鋼絲繩，因?yàn)檫@樣可以最大限度地減少轉(zhuǎn)動(dòng)提升盤(pán)的傾向。對(duì)于起重鋼絲繩，首先應(yīng)列出重要的材料結(jié)構(gòu)特征：生產(chǎn)鋼絲的線材的化學(xué)成分。抗拉強(qiáng)度是決定起重鋼絲繩基本功能特性的量，表示可接受的拉力，它取決于其化學(xué)成分。這些特征規(guī)定了線材的鋼含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在0.3%～0.9%范圍內(nèi)，錳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在0.3%～0.8%范圍內(nèi)，以及高達(dá)0.2%的金屬（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），例如：鉻、鎳、銅。硫和磷等元素的總含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）不應(yīng)超過(guò)0.05%[3]。

繩芯是圓形起重鋼絲繩結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分。它決定了鋼絲繩的適當(dāng)形狀，而且它是整根鋼絲繩的絞合力矩軸。在起重繩索的主要目標(biāo)中，關(guān)鍵核心在于：為繩股提供支撐，以便在運(yùn)行時(shí)它們之間不會(huì)發(fā)生接觸，抵消相當(dāng)大的徑向壓力，并盡量減少鋼絲繩截面直徑的變形，保護(hù)繩索內(nèi)部免受腐蝕。目前，國(guó)內(nèi)礦井提升機(jī)主要采用圓股或三角股單層鋼絲繩。它們的結(jié)構(gòu)如圖2 和3 所示。

圖2 圓股鋼絲繩結(jié)構(gòu)

圖3 三角股鋼絲繩結(jié)構(gòu)

上圖所示的繩索是由一個(gè)圓形的股線組成的，這些股線由于纏繞在脊椎鋼絲上而上升到下一層鋼絲上。圖中股線中的鋼絲層之間，股線的最后一層和前一層鋼絲之間出現(xiàn)了點(diǎn)接觸。

三角股鋼絲繩，就是鋼絲繩之中的股繩橫斷面結(jié)構(gòu)接近三角形，由三對(duì)圓鋼絲和三根填充鋼絲制成的三角股芯，三角股鋼絲繩的直徑取決于特定層中鋼絲的直徑和股中鋼絲的數(shù)量。而多層提升鋼絲繩（圖4）應(yīng)用于深井，周圍股被擰在一起，這種結(jié)構(gòu)的繩索具有很大的松脫性，鋼絲的抗拉強(qiáng)度在1 770～2 000 MPa 范圍內(nèi)。在中間層和外層之間，它們有一個(gè)用劍麻纖維制成的油脂編結(jié)。

圖4 多層起重鋼絲繩結(jié)構(gòu)

3 平衡繩

為了防止提升繩和驅(qū)動(dòng)輪布置時(shí)出現(xiàn)未經(jīng)檢查的滑動(dòng)的可能性，也為了平衡由于驅(qū)動(dòng)輪兩側(cè)質(zhì)量不平衡而產(chǎn)生的靜力矩，礦井提升機(jī)采用了平衡繩。這些繩索應(yīng)具有適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，具有松散性、耐用性強(qiáng)，特別是耐腐蝕性環(huán)境的特點(diǎn)。為了盡量減少腐蝕的影響，圓繩的鋼絲都涂上了保護(hù)涂層。

在多層鋼絲繩中，股線的特定層和股線的各個(gè)層之間出現(xiàn)的鋼絲接觸是鋼平衡繩的另一個(gè)重要結(jié)構(gòu)特征。由于平衡繩采用了圓形多層繩（圖5）。鋼絲繩股的參數(shù)和鋼絲繩股的結(jié)構(gòu)非常匹配，因此這些鋼絲繩不會(huì)有逆著自身軸線旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

圖5 圓平衡繩結(jié)構(gòu)

國(guó)產(chǎn)結(jié)構(gòu)的兩層圓平衡繩是用相同直徑的鋼絲制成的。為了獲得最佳的股線形狀，三層鋼絲繩的脊索直徑比股線大0.1 mm。由于有大量的股線，這種結(jié)構(gòu)的鋼絲繩有可能獲得彈性。在操作過(guò)程中，多層圓平衡鋼絲繩應(yīng)確保鋼絲繩懸掛時(shí)有可能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這是由于作用在鋼絲繩上的合成力矩使鋼絲繩絞合。

目前，在大多數(shù)情況下，作為平衡繩使用鋼橡膠繩，具有很高的疲勞耐久性，耐腐蝕環(huán)境的作用，以及能承受墜落物體的輕微打擊。在適當(dāng)?shù)闹圃旃に囅拢蓱?yīng)用于2 200 m 以上的豎井提升機(jī)。鋼制橡膠繩的基本優(yōu)點(diǎn)有：巨大的耐腐蝕性和小型墜落物體的沖擊力；能用硫化或膠粘方法修復(fù)機(jī)械損傷處橡膠涂層；不需要額外潤(rùn)滑，抗靜電性等。鋼制橡膠繩的重量取決于鋼絲繩的數(shù)量和直徑以及橡膠涂層的厚度。

4 引繩和護(hù)弦繩

導(dǎo)向繩應(yīng)用于豎井提升機(jī)，在豎井提升機(jī)中，采用了導(dǎo)向繩，而不是剛性導(dǎo)向盤(pán)。這些繩索的主要任務(wù)是在豎井提升機(jī)中提供自由但明確的碟形件位移。限制豎井提升機(jī)中圓盤(pán)的橫向移動(dòng)是護(hù)弦繩的任務(wù)[5]。這種結(jié)構(gòu)的繩索具有表面“光滑”、無(wú)磨損、耐腐蝕、耐磨損、抗拉強(qiáng)度大、橫向和縱向剛度大等特點(diǎn)。圖6 中給出了兩種典型的應(yīng)用導(dǎo)纜和護(hù)弦繩的解決方案：

1）角落布置，其中引繩位于提升盤(pán)的角落，如圖6-1；

2）側(cè)面布置，引導(dǎo)繩沿提升盤(pán)的一側(cè)布置，如圖6-2。

圖6 豎井提升機(jī)中引繩和護(hù)弦繩的位置

如圖6 所示，導(dǎo)繩繞盤(pán)布置是國(guó)內(nèi)豎井提升機(jī)最常用的解決方案。在最新的軸式提升機(jī)中，盤(pán)形圓股的導(dǎo)繩采用普通捻無(wú)紡導(dǎo)繩。該類提升機(jī)中的引繩，除引碟外，通常也都是懸掛在豎井內(nèi)的工作平臺(tái)的提升繩。在采礦法規(guī)中，確定了國(guó)內(nèi)豎井提升機(jī)中操作的導(dǎo)向繩和護(hù)弦繩的基本要求。其中包括：要求最小安全系數(shù)[6]，即一根鋼絲繩的實(shí)際拉力與最大靜載荷的商、導(dǎo)纜和護(hù)弦繩的數(shù)量、盤(pán)周圍布置的引繩方式和豎井內(nèi)的護(hù)弦繩等。導(dǎo)繩和護(hù)弦繩屬于扭繩的一種，是最常見(jiàn)的封閉和半封閉結(jié)構(gòu)。接下來(lái)的幾層圓鋼絲被纏繞在中央脊柱鋼絲上。

在封閉結(jié)構(gòu)的繩索中，在先前擰在一起的圓鋼絲層上，纏繞一層交替排列的形狀和圓形鋼絲，然后纏繞一層其他形狀的鋼絲。在這類繩索的結(jié)構(gòu)中使用楔形鋼絲導(dǎo)致，它們的特點(diǎn)是剛度增加。圓股導(dǎo)繩屬于雙捻鋼絲繩，它們是通過(guò)在纖維芯上纏繞一層或多層股線制成的。

5 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)豎井提升機(jī)鋼絲繩各種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行功能和結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，可以得出以下結(jié)論：生產(chǎn)的繩索具有結(jié)構(gòu)多樣性大的特點(diǎn)，但同時(shí)通用性不強(qiáng)。上述因素導(dǎo)致繩索仍然是我們進(jìn)行大量研究的對(duì)象。比如豎井提升深度超過(guò)500 m 時(shí)，采用多層繩索，其特點(diǎn)是非常不牢固；繩索的結(jié)構(gòu)多樣性，特別是多層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致對(duì)當(dāng)前繩索技術(shù)條件的評(píng)估非常復(fù)雜。