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提升机塑衬线膨胀系数对公差的影响
发布时间：
2023-11-01
来源：
塑衬作为缠绕式提升机的常用部件，塑衬材料和卷筒材料的线膨胀系数不同，二者随温度变化存在变形。介绍了线膨胀系数对塑衬长度、节距和宽度的影响，分析了温度变化下的塑衬变形，给出了塑衬长度、节距以及宽度等参数或推荐公差，为塑衬的设计和生产单位提供参考。
塑衬作为缠绕式提升机的常用部件，塑衬材料和卷筒材料的线膨胀系数不同，二者随温度变化存在变形。介绍了线膨胀系数对塑衬长度、节距和宽度的影响，分析了温度变化下的塑衬变形，给出了塑衬长度、节距以及宽度等参数或推荐公差，为塑衬的设计和生产单位提供参考。
矿井提升机是联系矿山地面与井下的重要装备，主要用于将工作面的矿石及废石输送到地面，提升或下放地下生产所必须的材料和物质，运输人员等，是矿山的咽喉装备。单绳缠绕式矿井提升机在矿山的应用非常广泛，这种提升机的工作原理为：提升钢丝绳的一端固定在提升机的卷筒上，在卷筒上缠绕后，绕过天轮并提起井筒中的提升容器，通过提升机卷筒转动控制钢丝绳在卷筒上的收放，从而完成提升容器的提升或者下放。提升钢丝绳在卷筒上的缠绕和排绳情况，不仅影响钢丝绳的使用寿命，还直接影响提升系统的安全性和稳定性。
目前，国产缠绕式提升机大多配备了螺旋绳槽塑料衬板 (以下简称塑衬)，其材质是工程塑料，塑衬上加工有螺旋排列的绳槽。塑衬具有质量轻、机械强度较高、耐磨、耐油、耐潮湿等特点；它使用方便，具有良好的经济性。塑衬材质的弹性模量低于钢衬，可以降低钢丝绳与绳槽的接触应力，从而减少钢丝绳的磨损，延长钢丝绳的使用寿命。
塑衬在我国提升机上已成功应用了数十年。近年来，我国地下矿产资源的开采向深层扩展，开采深度不断增加，缠绕式提升机的规格越来越大，卷筒宽度越来越宽，应用塑衬的提升机规格也随之越来越大。卷筒直径已经从最初的 1.6 m 增大到 5.5 m，甚至 6.0 m；卷筒宽度已经从最初的 1.2 m 增加到 3.0 m以上。塑衬与卷筒采用不同材质，两者的线膨胀系数并不相同。在温度变化时，线膨胀系数对塑衬尺寸的影响已不可忽略，本研究主要探讨线膨胀系数对塑衬尺寸的影响，并提出相应的建议。
1 塑衬
1.1 塑衬的结构及安装
单绳缠绕式矿井提升机的总体结构如图 1 所示，塑衬的结构及其在提升卷筒上的安装如图 2 所示。塑衬安装在两挡绳板之间，用螺栓组件固定在卷筒上。
图1 缠绕式提升机的结构
1.制动器 2.主轴装置 3.塑衬 4.润滑站 5.减速器 6.电动机 7.深度指示器 8.液压站
图2 塑衬的结构及其在卷筒上的安装示意
1.2 塑衬的生产与装配
塑衬生产及安装的主要步骤如下：
(1) 调配塑衬材料，装入挤出机；
(2) 加热挤出机；
(3) 将塑衬材料从挤出机中挤出；
(4) 将挤出的塑衬材料放入模具中压制；
(5) 削除塑衬飞边；
(6) 压制塑衬绳槽；
(7) 划线，采用锯床将塑衬加工出所需长度；
(8) 加工塑衬底部倒角；
(9) 给每块塑衬编号；
(10) 将塑衬运输至提升机安装车间；
(11) 在塑衬上钻孔，逐块将塑衬安装到卷筒上；
(12) 修配安装最后一块塑衬。至此，塑衬安装完毕。
塑衬应用于缠绕式矿井提升机上，塑衬的主要参数有塑衬长度 L、节距 T、绳槽半径 R、上表面宽度B、下表面宽度 b 等。缠绕式提升机应在无爆炸介质、空气温度为 5～ 40℃ 的环境中工作。可见，塑衬应用的最低温度为 5℃，最高温度为 40℃。同时，根据相关标准，塑衬尺寸要在标准温度 23±2℃ 的状态下静置 24 h 后再进行测量。根据塑衬的加工过程，上述参数采用的工序和测量时的温度如表 1 所列。
表1 塑衬主要参数所采用的工序、检测与应用温度
由表 1 可知，以平均检测温度 23℃ 考虑，塑衬最高应用温度为 40℃，比检测温度高 17℃；最低应用温度为 5℃，比检测温度低 18℃。以此为条件，计算随温度变化时塑衬与卷筒的相对变形量。
需要注意的是，采用锯床加工塑衬长度时，如果环境温度并不是国标规定的 23±2℃，而是低于该温度 (这种情况在冬季加工塑衬时较容易出现)，则可能出现温升变化大于 17℃ 的情况；如在环境温度为5℃ 的情况下，锯出塑衬长度，而提升机现场最高温度达到 40℃，则温升可能高达 35℃。
2 塑衬与卷筒材料的相对变形
塑衬采用工程塑料，安装在金属材质 (Q345) 的卷筒上，两种材质的线膨胀系数存在显著不同。温度变化时，因工程塑料的线膨胀系数大于 Q345 的线膨胀系数，两种材料存在变形，其计算公式如下：
两种材料之间的相对变形
式中：ΔL塑 为塑衬的变形量，mm；α塑 为工程塑料的线膨胀系数，α塑=(10.8～ 11.2)×10-5/℃；αQ345 为Q345 的线膨胀系数，αQ345=(10.6～ 12.2)×10-6/℃；Ly 为材料初始长度，mm；Δt 为温度变化量，℃。
3 线膨胀系数对塑衬长度的影响
3.1 塑衬长度的设计及影响因素
塑衬安装在提升机卷筒的两挡绳板之间，其长度的设计公称尺寸与卷筒宽度尺寸相同。考虑到挡绳板本身的形位公差以及可能发生的变形、挡绳板和卷筒表面的洁净度、塑衬安装时可能发生倾斜等因素，目前塑衬的设计与生产单位通常按照提升卷筒宽度减去 5～ 10 mm 来设计塑衬长度的极限尺寸。这也符合 JB/T 10994—2010《缠绕式矿井提升设备用塑料衬板》中对塑衬长度的规定。经与标准制定单位的交流，了解到该规定并未考虑温度变化对塑衬长度的影响。
3.2 温度变化及相对变形量
塑衬长度由锯床加工，检测温度为加工时车间的环境温度。若冬天加工而成，则环境温度为 5 ℃ 左右，和使用温度相比，温差为 35 ℃。由式 (1)～ (3)可计算塑衬长度与相对变形量的关系，如图 3 所示。
图3 塑衬长度与卷筒宽度的相对变形
3.3 选择与建议
在温升达到 35 ℃ 时，3.0、3.5 m 两种宽度规格的卷筒 (相当于塑衬长度为 3 000、3 500 mm) 的相对变形都大于 10 mm。按照现有标准规定和设计习惯，这必然会出现塑衬挤压挡绳板的现象 (见图 4)。挡绳板的设计主要考虑多层缠绕时钢丝绳对挡绳板的轴向推力，未考虑温升后塑衬对挡绳板的挤压作用。塑衬的挤压可能会导致挡绳板变形损坏，并对提升系统的安全造成不利影响。
图4 塑衬膨胀对挡绳板的挤压
1.筒壳 2.挡绳板 3.塑衬
根据图 3，建议采用式 (4) 计算并确定塑衬长度的上极限偏差：
式中：A 为塑衬长度的上极限偏差，mm；L 为卷筒宽度，mm。
上极限偏差确定后，再根据提升机挡绳板及筒壳的具体情况确定下极限偏差。根据车间安装经验，推荐下极限偏差为 (A-2)～ (A-3)。
4 线膨胀系数对塑衬节距的影响
4.1 节距的设计及影响因素
钢丝绳在塑衬上的缠绕及塑衬节距如图 5 所示。钢丝绳在塑衬上缠绕，若节距过小，则钢丝绳绳圈之间易发生接触，加剧钢丝绳磨损；若节距过大，则影响缠绕的平稳性。JB/T 10994—2010《缠绕式矿井提升设备用塑料衬板》对节距进行了推荐，如表 2 所列。
图5 钢丝绳的缠绕情况与塑衬节距
1.钢丝绳 2.塑衬
表2 推荐节距
南非等国的相关规程规定缠绕式提升系统的绳槽节距
式中：a 为系数，一层以上缠绕时取 1.055～ 1.070；φ为钢丝绳直径，mm。
4.2 温度变化及节距变形量
塑衬节距是在绳槽压制完成后、在规定温度下测量的，将式 (5) 代入式 (1)，可得：
式中：α塑 为工程塑料的线膨胀系数，本次计算取11.2×10-5/℃；Δt 为温度变化量，分别取 17 ℃ 和-18 ℃。
计算可得，温差为 17 ℃ 时，ΔT塑1=0.002 φ；温差为 -18 ℃ 时，ΔT塑2=-0.002 2 φ。
由此可得，在常用规格钢丝绳直径条件下，在温度变化时线膨胀系数对塑衬节距相对变形量的影响如表 3 所列。
表3 线膨胀系数对塑衬节距的影响
4.3 选择与建议
缠绕式提升机塑衬节距的设计，一般要大于钢丝绳的直径偏差。GB 8918—2006《重要用途钢丝绳》中 6.2.3.2 规定，“钢丝绳的实测直径，其偏差为：圆股，异形股”。根据计算结果并经过与塑衬生产厂家讨论，建议在按照式 (5) 设计塑衬节距时，将系数 a 修正为 1.057～ 1.068；同时，建议厂家根据提升机所配套的钢丝绳型号考虑钢丝绳的直径偏差，来决定具体节距值。
5 线膨胀系数对塑衬宽度的影响
5.1 塑衬宽度的设计及影响因素
塑衬在卷筒上的分布如图 6 所示。通常，主要根据提升机的规格、塑衬根数、塑衬厚度等参数，来设计塑衬宽度 B 和b 的公称尺寸
根据 JB/T 10994—2010《缠绕式矿井提升设备用塑料衬板》中规定的提升机规格、塑衬根数和厚度，计算 B 和 b 的公称尺寸，如表 4 所列。
图6 塑衬在卷筒上的分布
1.挡绳板 2.塑衬 3.安装螺栓组件 4.卷筒筒壳
表4 不同规格的提升机所采用的塑衬参数
在宽度尺寸 B和 b 的公差设计方面，目前塑衬生产厂家在设计塑衬时，习惯将公差定为 提升机出厂前，塑衬在装配车间逐块安装到提升机卷筒上，为了保证排列紧密，安装时每块塑衬之间尽量压紧，最后一块塑衬需要进行修配。
5.2 温度变化及变形量
塑衬通常在车间内完成安装。塑衬如果在冬天安装，夏天时，则温升为 35℃，塑衬将发生膨胀变形。
线膨胀系数对塑衬宽度公差的影响分为两种情况，一种是单块塑衬的宽度变化；另一种是整个圆周方向累积塑衬的宽度变化。根据表 4 数值，利用式(3) 进行相关计算，可得塑衬宽度 B 和 b 的相对变形量如表 5 所列。
表5 线膨胀系数对塑衬宽度及卷筒圆周变形的影响
由表 5 可知，卷筒规格为 3.5 m 时，单块塑衬变形最大，上宽度 B 的相对变形量为 0.30 mm，下宽度b 的相对变形量为 0.28 mm；卷筒规格为 1.6 m 时，单块塑衬变形最小，上宽度 B 的相对变形量为 0.22 mm，下宽度 b 的相对变形量为 0.20 mm。提升机卷筒直径越大，塑衬的外圆周累积变形越大，4 m 规格提升机的塑衬累积变形最大，外圆周变形为 44.51 mm，内圆周变形为 42.4 mm。
5.3 选择与建议
目前塑衬生产厂家在设计塑衬时，习惯将塑衬宽度公差定为 。在塑衬安装时，装配车间反映安装及修配困难。根据表 5 所列，单块塑衬的变形量较小，但其在圆周上的累积变形量不可忽略。这个变形量可能导致塑衬的挤压变形，对卷筒和塑衬的使用寿命带来不利影响。
因此，建议生产厂家将该塑衬的宽度 B 和 b 的公差改为 同时，塑衬安装时，要保证各块塑衬之间留有均匀的间隙，避免温升以后塑衬膨胀出现相互挤压的现象。
6 结论
(1) 温度变化时，塑衬的长度变化与其尺寸线性相关。建议塑衬生产厂家按照式 (3) 来设计塑衬长度的上极限偏差，避免出现塑衬挤压挡绳板的现象。
(2) 生产厂家在设计塑衬节距时，将系数 a 进行修正，避免塑衬的节距偏小导致提升钢丝绳发生挤压，或者节距偏大出现钢丝绳缠绕不平稳的情况。
(3) 塑衬宽度公差建议改为。安装时各块塑衬之间的间隙应均匀分布，避免温升以后塑衬膨胀相互挤压。
需要指出，不同厂家生产的塑衬所采用的材料可能会存在区别，其应用的提升机具体规格和系统参数、钢丝绳种类及受力情况等也不尽相同。因此，塑衬厂家在设计塑衬公差时，应按照具体参数进行设计。
引文格式：
[1]刘劲军， 马乐， 徐永福， 等.提升机塑衬线膨胀系数对公差的影响.[J].矿山机械,2023,51(6):22-26.