一種礦山纏繞式提升機鋼絲繩增阻器的設計和應用

韋 林 趙元元 韋彥哲

（1.廣西高峰礦業有限責任公司，廣西 河池 547205；2.廣西華錫礦業公司，廣西 河池 547205；3.蘭州大學，甘肅 蘭州 730000）

廣西高峰礦業有限責任公司（以下簡稱公司）是一家錫多金屬地下開采中型礦山企業，其主提升系統采用4 級斜井單繩多層纏繞式提升機分級提升，提升鋼絲繩損耗是公司的主要耗材之一。在實際生產過程中，新安裝的鋼絲繩經常出現“燈籠”狀或繩忒擠出等結構性破壞，嚴重時出現大面積斷絲、斷股現象。造成此種現象的主要原因是安裝新鋼絲繩時預緊力不足，新繩在卷揚機滾筒內盤繩不緊密所致，目前沒有解決該問題的有效辦法。因此，公司要求技術部門設計、制作一種可提供反張力的預緊裝置[1-3]，解決新繩安裝預緊力不足的問題。

1 鋼絲繩安裝使用的預緊方法和存在問題

根據國內外的經驗數據，單繩多層纏繞提升機鋼絲繩的安裝需要給予鋼絲繩施加靜載荷10%～20%的反張力，目前鋼絲繩安裝的預緊方法主要有兩種：

（1）利用鋼絲繩自身重量為提升機卷筒施加預緊力

這是一種給鋼絲繩施加反張力最普遍的方式，大多數地下礦山安裝鋼絲繩時，都采用這種方式，但該種方式存在一個缺點：無外力施加作用，鋼絲繩反張力不足。以下為實例計算說明。

鋼絲繩規格為Φ31 mm 三角股鋼絲繩，單位重量P=4.30 kg/m，斜井傾角30°，安裝鋼絲繩斜長L=100 m，斜井提升最大靜載荷10 000 kg。安裝鋼絲繩時，把鋼絲繩運送到斜井斜長100 m 部位，利用鋼絲繩本身自重產生的反張力為提升機卷筒施加預緊力。其預緊力的計算式為：

式中：F為鋼絲繩預緊力，kg；m為鋼絲繩質量，m=P·L=4.30×100=430 kg；θ為斜井傾角，θ=30°；μ為地輥和鋼絲繩的摩擦系數，μ=0.05。

把以上已知數據代入公式，得F=234 kg。而按國內外的經驗數據，鋼絲繩最小預緊力Fmin至少為：Fmin= 提升最大靜載荷×10%=10 000×0.1=1000 kg，F=234 kg ＜Fmin，因此，該方法預緊力F不足。

（2）利用器械設備給鋼絲繩提供反張力

此類器械，最典型的是由浙江省建設機械集團有限公司取得的實用新型專利“鋼絲繩緊繩裝置（CN 204281159 U）”。該裝置存在的問題：結構復雜，造價較高，其卷筒、減速箱、制動器等體量大。根據《金屬非金屬礦山安全規程》（GB 16423-2020）要求，鋼絲繩繞過卷筒時，卷筒直徑和鋼絲繩直徑比不能小于60 mm。如果使用Φ31 mm 鋼絲繩，則該裝置的卷筒最小直徑Dmin=31×60=1860 mm，安裝、使用時需要較大空間。對于地下礦山，由于受巷道或場地影響，該裝置的搬運、安裝、使用和回收將耗費大量的人力、物力。該裝置不適合地下礦山使用，僅見用于碼頭、大型駁船的鋼絲繩安裝。

針對目前鋼絲繩安裝使用的預緊方法存在反張力不足和預緊裝置體量大的問題，公司技術人員利用摩擦阻力原理，設計、制作了一種結構簡單、操作簡易的鋼絲繩增阻器，在新鋼絲繩安裝時提供充足的反張力，使新繩在卷揚機滾筒上的盤繩更加緊密，提高鋼絲繩的使用壽命和安全系數。

2 增阻器的設計和制作

2.1 設計要求和構想

為解決目前纏繞式提升機新鋼絲繩安裝時反張力不足、鋼絲繩在卷筒上盤繩不緊密的問題，新制作的鋼絲繩預緊裝置必須符合以下三個條件：（1）反張力達到鋼絲繩最小預緊力，即F≧Fmin=1000 kg；（2）適應礦山井下復雜場地、高溫高濕環境條件；（3）體量小，搬運、安裝、使用和回收方便。

根據以上三點設計要求，公司技術人員提出利用摩擦阻力產生反向張力對鋼絲繩進行緊繩作用的設計構想：新安裝鋼絲繩穿過地輥（動態）和襯墊膠板（靜態）中間，對地輥施加壓力，使鋼絲繩在地輥和襯墊膠板之間產生摩擦阻力，鋼絲繩的摩擦阻力對卷揚機滾筒產生反向張力，從而對鋼絲繩起到緊繩作用。如圖1。

圖1 設計構想圖

2.2 增阻器的制作

要實現設計構想并使鋼絲繩產生反向張力，需要對地輥和襯墊膠板進行固定，并在它們之間施加可調節的壓力，因此需要制作主支架、制動片等輔助零配件進行組合才能形成一個完整的增阻器。

（1）增阻器零配件及其材料選用

如圖2（b），增阻器各零配件的組成及材料要求如下：

圖2 增阻器3D 和零配件圖

① 主支架：45#鋼板，厚度δ=10 mm，設有摩擦輪固定槽、制動片固定桿孔、制動加壓橫板孔、襯墊支架孔（襯墊支架也可焊接在主支架上）、增阻器固定孔。要求：為減輕主支架重量，在其不受力部位盡量縮小其尺寸。

② 制動片：DN200 無縫鋼管（熱軋，GB8163-87）加工成半圓形制動片，其內徑和摩擦輪外徑一致，其上設有制動片擋板和固定桿孔。

③ 制動加壓螺桿：DN20 螺桿，等級8.8。

④ 加壓橫板：45#鋼板，厚度δ=10 mm，按DN20 螺桿孔徑制螺牙。

⑤ 摩擦輪：尼龍材質礦用地輥，直徑D=200 mm，長度L=300 mm。其輪軸經過加工，既能方便裝卸，又能固定在主支架卡槽內不發生轉動，其摩擦部位沿輪面圓周加工鋼絲繩繩槽，繩槽深度和寬度由安裝鋼絲繩繩徑決定。

⑥ 襯墊支架：45#鋼板，厚度δ=10 mm，中間設有摩擦襯墊卡槽。要求：卡槽穩固，方便摩擦襯墊的裝卸，其豎向厚度受力大于9.8 kN。

⑦ 摩擦襯墊塊：聚氨酯材質，其摩擦面加工一條鋼絲繩繩槽，繩槽深度、寬度和摩擦輪的一致。

⑧ 制動片固定桿：鍍鋅鋼管，DN20。既可作為制動片固定桿，又可作為移動、運輸增阻器的承重桿。

（2）增阻器工作原理

如圖3，安裝鋼絲繩時，鋼絲繩11 穿過摩擦輪5（動態）和摩擦襯墊塊7（靜態）之間，制動片2通過制動加壓螺桿3 和加壓橫板4 向制動片擋板10施加壓力，使制動片2 和摩擦輪5 之間產生摩擦力f1。摩擦力f1控制摩擦輪5 的轉速，通過摩擦輪5和摩擦襯墊塊7 對鋼絲繩施加壓力產生摩擦力f2。鋼絲繩的運行受到反向摩擦力f2的作用，最終對鋼絲繩施加反向張力，產生緊繩作用。

圖3 工作原理圖

3 增阻器數據分析及使用效果

3.1 數據分析

（1）實例數據

斜井傾角為30°，增阻器距離卷揚機卷筒距離為100 m。鋼絲繩規格：直徑31 mm，4.30 kg/m。卷揚機卷筒直徑為2.5 m，在卷揚機卷筒上安裝4個（0～2T）垂直于卷揚機卷筒軸的無線傳輸測力傳感器，檢測鋼絲繩對卷揚機滾筒產生的徑向繞緊力q。安裝鋼絲繩時，實測得制動加壓螺桿7 接觸制動片擋板6 向下旋轉圈數n和4 個傳感器顯示繞緊力q及鋼絲繩張緊力F之間關系數據見表1。

表1 n、q、F 關系

表1 中：n為加壓螺桿向下旋轉圈數，n=0 時，表示加壓螺桿剛剛接觸制動擋板，兩者之間壓力為0，摩擦力為0；q為現場傳感器實測數據，鋼絲繩對卷揚機卷筒的繞緊力，垂直于卷揚機卷筒軸，kg/m；F為鋼絲繩張緊力，F=q·d/2，d為鋼絲繩卷繞直徑，約等于卷筒直徑，d=2.5 m。

（2）數據分析

① 理論數據

當n=0 時，鋼絲繩張緊力F為鋼絲繩本身重量在斜井中分力和摩擦力的合力：

F=m（sinθ+μcosθ） （2）

式 中：m為 鋼 絲 繩 質 量，m=100×4.30=430 kg；θ為斜井傾角，θ=30°；μ為鋼絲繩和斜井地輥的滾動摩擦系數，μ=0.05。經計算，F=233.6 kg。

② 實測數據

當n=0 時，實測繞緊力q=189.4 kg/m 時，張緊力F=236.7 kg ≈233.6 kg；當n=3 時，實測繞緊力q=807.3 kg/m 時，張緊力F=1 245.9 kg ≈1 242.8 kg，即理論計算值和實測數據計算值近似相等。依此類推，實測數據準確。

如表1 數據，鋼絲繩緊繩器隨著制動加壓螺桿3 對制動片擋板10 的徑向繞緊力q增大，鋼絲繩張緊力F 增大，增阻器對鋼絲繩的張緊作用明顯。

3.2 使用效果

該發明增阻器總體尺寸長×寬×高=325 mm×300 mm×400 mm，重量為20 kg，體量小，在礦山井下移動、安裝方便；制作材料如地輥、板材、襯墊等屬于礦山常規耗材，取用方便，成本低。公司現已在4 條新鋼絲繩安裝時使用該增阻器，經過近兩年的觀察，所安裝的鋼絲繩不再出現下層保安繩出現大面積斷絲現象，而且鋼絲繩的總體使用壽命增加了40%～60%，每年可節約15 萬元左右的鋼絲繩損耗，效果良好。

4 結語

增阻器的設計和制作，是為了解決纏繞式提升機新鋼絲繩安裝時反張力不足、鋼絲繩在卷筒上盤繩不緊密的問題，經過近兩年的使用和觀察，對鋼絲繩的安裝、使用取得了良好效果。該增阻器結構簡單，安裝方便，操作簡易，使用靈活，造價低，其設計理念和依據可應用于其他行業，有一定拓展性。