新型首繩懸掛裝置設計

李彥輝

(遼寧能源煤電產業股份有限公司，遼寧 沈陽 110014)

目前我國煤礦礦井提升系統主要是依靠鋼絲繩提升罐籠來完成。沈陽焦煤股份有限公司林盛煤礦副井提升系統安裝有2臺多繩摩擦輪提升機，采用的鋼絲繩由于傳統的楔形繩環和首繩懸掛裝置自身結構和剛性固接工作原理的限制，存在提升鋼絲繩扭轉力矩積聚嚴重、實際使用壽命較短、張力自動平衡裝置平衡精度較低、日常調繩工序繁瑣效率低下等問題，人為操作或設備故障而發生的小幅超載時有發生，雖然未釀成安全生產事故，但是仍存在一定的安全隱患，一旦提升系統出現意外，對礦井的安全生產影響會特別大。因此有必要對傳統的鋼絲繩連接器的連接方式進行研究分析和優化設計，改善整條提升鋼絲繩的受力狀況，提高提升鋼絲繩的可靠性和安全性。

1 新型首繩懸掛裝置的方案設計

新型多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置旨在替代現有的楔形繩環和XSZ型張力平衡自動懸掛裝置，要求既能夠實現楔形繩環的鎖繩功能，實現XSZ型張力平衡自動懸掛裝置的張力自動平衡功能，同時還需要克服上述兩種裝置存在的問題與弊端，進行產品優化和功能完善。綜合礦井實際情況，從以下4個方面進行新型首繩懸掛裝置的方案設計。

1.1 張力自動平衡方案的設計

目前礦井普遍使用的XSZ型張力平衡自動懸掛裝置，其在張力平衡方面的使用效果基本能夠滿足礦井日常生產的需要。但是，現有的懸掛裝置調繩距離較短，而所有礦井在更換新繩后，新繩的塑性變形較大，要求首繩懸掛裝置具有較大的調繩距離來調節和平衡新繩的塑性變形。特別是隨著井深的增加，鋼絲繩的總變形量增大，調繩的范圍和頻率更高，對最大調繩距離的要求更高。因此，在新型首繩懸掛裝置的設計方案中，依舊采用多功能閉環無源液壓連通自動平衡模式，只需根據實際需要改進液壓缸結構，增加設備的最大調繩距離，提升液壓元器件的密封性能，引入一定的自動控制技術提高設備的操控性即可。

1.2 連接方式(約束)方案的設計

楔形繩環和XSZ型張力平衡自動懸掛裝置最大的缺點就是采用了剛性連接，限制了鋼絲繩和提升罐籠之間的自由度，這種全約束會導致提升鋼絲繩隨著提升罐籠的交變振動和擺動發生旋轉，進而逐步產生巨大的扭轉力矩，所帶來的應力集中和剪切應力很容易使鋼絲發生破斷。因此，在新型首繩懸掛裝置的設計方案中，將嘗試取消鋼絲繩和懸掛裝置軸向旋轉的約束，使得懸掛裝置能夠有條件地帶動鋼絲繩以鋼絲繩為軸進行旋轉，以此來釋放積聚在鋼絲繩上的扭轉力矩，減小扭轉力矩對鋼絲繩的剪切破壞。在方案設計中，要求鋼絲繩和懸掛裝置的軸向旋轉是有條件的，只有扭轉力大到足以克服壓力油對缸筒的壓阻時，才會產生旋轉動作來釋放扭轉力。

1.3 鎖緊方式方案的設計

楔形繩環采用的彎曲鎖繩結構，將首繩沿楔形繩環繩槽彎曲纏繞一周，然后用繩卡固定，實現了剛性連接。采用這種鎖緊方式確實可以牢固鎖緊鋼絲繩，但是在井筒惡劣的工況條件下，繩卡處的螺栓螺母很容易發生銹蝕，日常維護十分不便，當需要緊繩或者拆換鋼絲繩時非常困難，簡單的工作就要耗費大量的人力和工時。同時，采用的彎曲鎖繩結構，折彎后與楔形繩環接觸的那部分鋼絲繩在巨大的壓力下容易發生變形，會壓斷一部分鋼絲，在調繩時需要截取一大段受損的鋼絲繩，限制了鋼絲繩的調繩空間。因此，在新型首繩懸掛裝置的設計方案中，采用直連式一鎖、二備、三保險的平面斜楔鎖繩結構。

1.4 備用擴展功能方案的設計

礦井開采深度越來越大，提升速度顯著加快，提升罐籠的單次提升量也在不斷增加。在這種高負載運行狀態下，礦井提升系統的事故頻率有增加趨勢，包括提升系統超載引起的斷繩、墜罐，系統運行過程中的卡罐、振動沖擊、過卷過放等，這些事故的原因大多與鋼絲繩張力即提升載荷有關。針對上述問題，在新型首繩懸掛裝置的設計方案中，特意在連通的液壓管路預留了備用的快速接頭和提升載荷無線監測裝置的位置，只要條件允許隨時都可以進行功能擴展，實現對各個鋼絲繩張力值的動態監測。監測提升載荷一旦發生異常便會發出聲光警告，及時判斷、發現和排除故障，提高礦井提升工作的可靠性。

2 新型首繩懸掛裝置的結構設計

懸掛裝置包括油缸、旋轉鎖繩器、步進調(鎖)繩器、鎖繩卡、下筒體、連接叉、銷軸等。設計結構圖如圖1所示。

圖1 新型首繩懸掛裝置的結構設計簡圖

旋轉鎖繩器分為楔塊A，楔塊B和導向體，楔塊A和楔塊B在導向體中上下運動，向上移動可以鎖緊鋼絲繩，向下移動可以解鎖鋼絲繩。旋轉鎖繩器鎖緊鋼絲繩后可隨鋼絲繩產生的扭轉力旋轉，油缸下端通過外壁與下筒體相連接，下筒體與需要提升的容器連接在一起，鎖繩卡安裝在鋼絲繩的尾端。多繩提升時，每根鋼絲繩安裝一架懸掛裝置，油缸的上進油口多個聯通由開關總閥A統一控制，下進油口多個聯通由開關總閥B統一控制。步進鎖繩器可以鎖住鋼絲繩，步進調(鎖)繩器包括楔塊C，楔塊D和導向套，楔塊C和楔塊D在導向套中向上運動鎖住鋼絲繩，向下運動解鎖鋼絲繩，步進調(鎖)繩器與下筒體可以通過銷固定。

安裝時，將鋼絲繩依次穿過油缸，旋轉鎖繩器，步進調(鎖)繩器，鎖繩卡，楔塊A和楔塊B向上移動,旋轉鎖繩器鎖緊鋼絲繩，向上推動楔塊C和楔塊D，步進鎖繩器鎖緊鋼絲繩，固繩夾板夾緊鋼絲繩。當需要竄繩時，打開要竄繩的鋼絲繩上的油缸的上進油口和下進油口，關閉其他鋼絲繩上油缸的上進油口和下進油口。如果油缸活塞不在上極限位置，從油缸下進油口加壓帶動旋轉鎖繩器向上運動，到達需要竄繩的位置；若油缸活塞在上極限位置，從油缸上進油口加壓，帶動旋轉鎖繩器和步進鎖繩器向下運動，將步進鎖繩器移動到與銷配合的位置，將步進鎖繩器和外壁通過銷固定，此時旋轉鎖繩器的楔塊A和楔塊B被油缸帶動向下運動，解鎖旋轉鎖繩器，從油缸下進油口加壓，帶動楔塊A和楔塊B向上運動，鎖緊旋轉鎖繩器，此時油缸帶動步進鎖繩器的導向套向上運動，楔塊C和楔塊D相對導向套向下運動，解鎖步進鎖繩器，若此時到達需要竄繩的位置，拆下銷，向上移動步進鎖繩器到與旋轉鎖繩器下端相接觸，鎖緊步進鎖繩器，竄繩結束；若沒到達位置再重復：從油缸上進油口加壓，油缸帶動導向套向下運動，楔塊C和楔塊D相對導向套向上運動，鎖緊步進鎖繩器，此時旋轉鎖繩器的楔塊A和楔塊B被油缸帶動向下運動，解鎖旋轉鎖繩器；從油缸下進油口加壓，帶動楔塊A和楔塊B向上運動，鎖緊旋轉鎖繩器，此時油缸帶動步進鎖繩器的導向套向上運動，楔塊C和楔塊D相對導向套向下運動，解鎖步進鎖繩器，直到到達需要竄繩的位置，拆下銷，向上移動步進鎖繩器到與旋轉鎖繩器下端相接觸，鎖緊步進鎖繩器，竄繩結束。將鎖繩卡向上移動到接近步進鎖繩器，用高強螺栓將鎖繩卡鎖閉。打開每條鋼絲繩上油缸的上進油口和下進油口，關閉開關總閥A和開關總閥B。當需要調控張力平衡時，由關閉開關總閥A或者開關總閥B統一為油缸加壓，使每條鋼絲繩達到張力自動平衡。

利用步進調(鎖)繩器和旋轉鎖繩器，可以快速地鎖緊鋼絲繩。因為步進鎖繩器和旋轉鎖繩器同時存在，可以實現帶載快速竄繩，即鎖緊步進鎖繩器時，解鎖和移動旋轉鎖繩器，或鎖緊旋轉鎖繩器時，解鎖和移動步進鎖繩器，為懸掛裝置提供多重的安全保障。在提升罐籠運行時，鋼絲繩所產生的扭轉力，會使旋轉鎖繩器和導向體轉動，在一定程度上釋放扭轉力。因為油缸的進油口聯通統一控制，在進出油量上一致，通過控制油量可以達到多繩張力自動平衡。

3 試制過程中遇到的難題及技術攻關

在新型XSZZ型鋼絲繩多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置樣機試制過程中，遇到部分難題，經過改進和完善，得到了有效地處理。

3.1 鎖繩器試制中遇到的問題及改進措施

鎖繩器是新型XSZZ型鋼絲繩多功能張力自動平衡首繩懸掛中最重要的安全部件，在整個樣機試制過程中投入的工作量也是最大的。楔套最初的設計方案是將中心對稱的兩部分采用螺栓固接為一個整體，但是在試制過程中發現該方案存在較為明顯的缺點。一方面，上述方案中兩部分零部件加工制造較為復雜，而且精度難以保證，尤其是對稱性很難把握，而對稱性的喪失必然導致組裝后的楔套錐度存在較大誤差，影響產品性能；另一方面，按上述方案加工的楔套結構復雜、體積較大，導致整套懸掛裝置的徑向尺寸增加，而在實際使用中鋼絲繩的繩間距是有限的，所以懸掛裝置徑向尺寸的增加非常不利于現場實際使用。

針對上述在試制過程中發現的問題，采用線切割技術，利用線切割的優勢實現楔套的整體加工，而且切割下來的芯子還可以用來加工楔體，提高了鋼材的利用率。除了加工方法和結構上的改進之外，楔體的材料也進行了改進處理。楔體原設計采用球墨鑄鐵，在試制過程中試驗發現其強度不滿足使用要求，韌性不足易斷裂。后來，將線切割切下的芯子進行了相應的熱處理，使其力學性能達到了使用要求，而且楔套和楔體的配合精度也得到了改善。

同時，為了防止扭轉力矩過度釋放，在試制過程中，在鎖繩器上增加了兩組滾輪。平面軸承保持架一開始采用鋼板加工，不僅加工困難，而且使用效果也不理想，在試制中嘗試采用其他材質進行加工，經過數次試驗，最終采用了尼龍加工保持架的方案，加工簡單而且使用效果良好。

3.2 調繩器試制中遇到的問題及改進措施

調繩器的楔套和楔體同鎖繩器旋轉楔加工方法相似，先粗車、線切割、磨削，缸筒、柱塞加工精度要求比較高。楔體與缸筒采用定位焊接，使得焊接變形降到最低，調繩器總體結構緊湊，具備過油密封、定位等多種功能。在試制過程中，必須按照編制的工藝要求進行，過油間隙在試制過程中不斷進行調整。端蓋與活塞桿最初采用M8螺釘連接，在試制中發現這種連接方式對連接強度和行程均有影響，最終改為M12×2的螺栓連接，固接效果得到明顯改善。

3.3 鎖繩卡試制中遇到的問題及改進措施

最初的設計方案是采用一副繩夾板，但是經試驗發現摩擦力不夠，鋼絲繩會發生打滑現象，后改為凹凸繩夾板，但是試驗發現容易造成鋼絲繩發生較大變形，而且摩擦力仍然不滿足要求，同時，上述兩種繩夾板都存在安裝困難的問題。為了確保鎖繩卡具備足夠的摩擦力，最終采用了卡座和棘卡結構。一開始選用傳統的螺旋線多齒棘卡，但是經過試驗發現使用效果并不好，摩擦力還是不夠充足，而且反彈力很大，且組裝很困難。后來又改為三個齒的棘卡，經過數次試驗，卡繩效果有所改善，但是還未達到最佳效果。最終改為兩個齒的棘卡，經試驗摩擦力足夠，而且卡繩效果得到明顯改善。同時，繩卡轉軸中的鋼絲繩中心距十分關鍵，在經過多次試驗后找到了最佳參數。在試制過程中，卡座和棘卡的安裝和拆卸工作較為麻煩，為此特意設計增加了裝卸手柄，很好地解決了拆裝問題。

3.4 下筒體試制中遇到的問題及改進措施

下筒體是整套懸掛裝置中體積最大、加工量最大、結構最復雜也是最主要的承力部件，其加工制造比較復雜。整體采用先鍛打后調質，然后再切削加工的步驟，采用內外模沖擊成型工藝，兩側尺寸放開，上下限位，最終的加工效果良好。在加工過程中，將鍛打后下部分焊接固定，可以有效防止發生調質變形。最初設計方案中，為調繩而設計的D52銷軸孔孔距為150 mm，但是在試驗中發現孔距過大，調繩不方便，故最終將孔距改為75 mm。

4 結 語

目前該礦用提升鋼絲繩首繩張力扭轉力自動平衡裝置樣機已在林盛煤礦副井提升鋼絲繩中應用，提升鋼絲繩在該懸掛裝置中進行裝繩、換繩和調繩都較為方便，液壓步進調繩裝置能夠在簡單的人工輔助下實現自動精確調繩；當鋼絲繩承受的扭轉力大于缸筒的阻尼值時，該懸掛裝置會發生隨動旋轉，從而有效釋放了作用在提升鋼絲繩上的巨大的扭轉力，進而減輕了扭轉力帶來的剪切力和應力集中對鋼絲繩的破壞，實現了該套裝置最關鍵的性能要求。

新型鋼絲繩首繩懸掛裝置有效減輕和消除了因為擺動扭轉而作用在提升鋼絲繩上的扭轉力矩，減輕了由扭轉力矩產生的剪切應力和應力集中對提升鋼絲繩的破壞，大大提高了提升鋼絲繩的使用壽命和安全系數；減小提升鋼絲繩擺動扭轉對張力平衡懸掛裝置的沖擊和干擾，提高張力自動平衡懸掛裝置的張力平衡精度和使用壽命；減小提升鋼絲繩在提升滾筒繩槽內的旋轉蠕動，減小了提升鋼絲繩對繩槽磨損，提高摩擦襯墊的使用壽命，從本質上確保了提升鋼絲繩的安全性能。