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摩擦式提升机提升钢丝绳寿命影响因素浅析


    摩擦式提升机的提升钢丝绳在运行中承受各种应力以及冲击载荷的综合作用。分析了影响提升钢丝绳使用寿命的各种因素,结合矿井提升基础理论及国内典型矿山摩擦式提升机提升钢丝绳的使用情况,从多个方面提出了延长提升钢丝绳使用寿命的措施,对于新建或在用矿山有一定的参考或借鉴意义。

    摩擦式提升机因提升能力强、提升高度高、提升速度快、电动机功率消耗低、使用安全可靠等优势,在地下矿山开采中的应用越来越多。摩擦式提升机依靠提升钢丝绳与摩擦轮衬垫间的摩擦力带动提升容器在井筒中运行。钢丝绳在运行中承受拉伸应力、扭转应力、弯曲应力、接触应力,以及各种冲击载荷的综合作用,同时受到井筒中淋水、潮气的影响,使钢丝绳产生断丝、缩径、锈蚀等损伤。当损伤超过标准规定时,就需要报废或更换。提升钢丝绳的使用寿命受多种因素的影响,需要综合考虑矿井提升系统设计以及使用过程中的维护保养等方面的因素,以改善钢丝绳的作业条件和受力状况,达到延长使用寿命的目的。

1 影响提升钢丝绳使用寿命的因素 

1.1 矿井提升高度

    结合国内外大量摩擦式提升机的使用情况来看,深井提升钢丝绳的使用寿命普遍比浅井的寿命要短,究其原因有:① 随着井深的增加,提升钢丝绳的扭转应力越大,扭转疲劳增加了钢丝绳的断丝概率;②随着井深的增加,提升钢丝绳终端负载变化率(应力幅)逐渐增大,促使钢丝绳的疲劳破坏加速。张小楼煤矿、冬瓜山铜矿主井的提升高度分别为 1 039.6、1 094.0 m,应力幅分别达到了 10.02%、11.08%,接近于文献[1]中提出的极限值 11.5%,是导致这两座矿山的主井提升钢丝绳使用寿命较短的原因之一,只有6 个月左右。

1.2 D/d比

    D/d 比即摩擦轮与钢丝绳的直径比。《煤矿安全规程》第四百一十九条规定:落地式摩擦提升装置的摩擦轮及天轮,围抱角大于 180°的摩擦式提升装置的摩擦轮,其最小直径与提升钢丝绳直径之比,井上安装时不小于 90,井下安装时不小于 80;摩擦式提升装置的导向轮的最小直径与钢丝绳直径之比,不小于 80。《金属非金属矿山安全规程》6.3.5.1 条款也做了类似规定。同等情况下,D/d 比值越大,提升钢丝绳产生的弯曲应力越小,对提升钢丝绳越有利;但绳径比越大,提升机规格越大,设备造价越高,因此需要综合分析,合理确定。

1.3 摩擦轮和导向轮中心高

    提升钢丝绳经过摩擦轮和导向轮(天轮)时,要不断地承受正向和反向弯曲应力的作用。尤其是井塔上安装有导向轮的摩擦式提升机,如果摩擦轮与导向轮间的中心高相差较小而提升速度偏大时,提升钢丝绳的弯曲应力来不及释放,容易造成提升钢丝绳的疲劳断丝。冬瓜山铜矿摩擦轮和导向轮之间的中心高差为 6 m,提升速度为 12 m/s,提升钢丝绳使用寿命仅有 6 个月左右。张小楼煤矿摩擦轮和导向轮之间的中心高差为 5 m,当提升速度为 10 m/s 时,提升钢丝绳的使用寿命为半年;当提升速度为 12 m/s 时,钢丝绳寿命缩短为 3 个月。唐口煤矿提升高度为 1 050 m,提升速度为 12.36 m/s,与张小楼煤矿和冬瓜山铜矿采用相同的三角股钢丝绳,但因其采用落地式摩擦提升机,摩擦轮和天轮之间距离较大,提升钢丝绳承受的正向和反向弯曲应力得到了较充分的释放,提升钢丝绳使用寿命接近 2年。

1.4 提升钢丝绳选型

    提升钢丝绳的选型是否合理,对其使用寿命有着直接的影响。提升钢丝绳的选型主要包括以下内容。

    (1)钢丝绳表面状态 如是否涂增摩脂、镀锌等。

    (2)钢丝绳结构形式 如股数、绳股中钢丝间接触形式、外层钢丝直径,是否为密封绳或压实股绳等。对于提升钢丝绳磨损比较严重的矿井,若选用提升钢丝绳绳股外层钢丝直径较细时,则容易因磨损引发断丝,使钢丝绳过早受损;当选用点接触钢丝绳时,会由于绳股中钢丝间、股间较大的接触应力引起钢丝绳断丝。

    (3)钢丝绳捻向 深井提升时,若采用同向捻钢丝绳,会因钢丝绳在井筒中比较剧烈的旋转引起绳股中钢丝疲劳断丝。

    (4)钢丝绳强度等级 钢丝绳抗拉强度等级越高,其钢丝韧性就越差,抗弯曲疲劳的能力相应有所降低,会直接影响提升钢丝绳的使用寿命。

1.5 运行时的冲击载荷及弹性振动

    提升钢丝绳在运行过程中,要承受启动加速、制动减速、装卸载以及发生过卷、卡罐、托罐、操作失误等情况时产生的冲击载荷及弹性振动。提升机启动加速时,如果启动加速度从零突然上升到最大,启动冲击值(启动加速度变化率)就会很大,在提升钢丝绳中造成很大的动张力。尤其是采用恒力矩制动的提升系统,在重载提升、空载运行、重载下放等不同的工况下,制动减速度的变化范围较大,提升系统相应会产生较大的冲击载荷,加剧提升钢丝绳的疲劳损伤。

1.6 钢丝绳的制造质量

    钢丝绳制造使用的原材料的质量等级,拉丝、表面处理、捻股、合股等制造设备以及制造工艺均会影响提升钢丝绳的质量。若提升钢丝绳制造质量较差,就会过早地产生断丝损伤,直接影响其使用寿命。

1.7 安装及使用维护方面的影响

    提升钢丝绳在安装或更换时,新绳与尖锐物体相碰或新旧钢丝绳打卡子固定过程中,会对新绳绳股外层钢丝产生一定程度的损伤,成为钢丝绳投入运行之后的薄弱环节。此外,摩擦轮上衬垫绳槽直径不同、各绳提升速度不同,或提升钢丝绳张力自动平衡悬挂装置失效等,都会造成某根提升钢丝绳受力偏大,可能会提前破坏。摩擦轮、导向轮绳槽的断面形状不合适或粘有附着物,也会使提升钢丝绳受到额外挤压,产生额外的接触应力,进而对提升钢丝绳造成损坏。

2 延长提升钢丝绳使用寿命的措施

    提升钢丝绳在使用过程中难免受到各种因素的影响,但是通过对提升系统合理的设计及钢丝绳选型,加强使用维护管理,改善提升钢丝绳作业条件,趋利避害,可以在一定程度上延长钢丝绳的使用寿命。

2.1 提升系统合理设计

    新建矿井要进行科学合理的设计,主要应注意以下方面。

    (1)条件允许时,采用较大的 D/d 比、较小的衬垫比压,降低提升钢丝绳弯曲应力和接触应力。

    (2)采用井塔式提升机时,摩擦轮与导向轮中心高差宜在 0.5~1.0 倍提升速度值或 200~400 倍提升钢丝绳直径范围内合理选取(按两种方法下限计算出的较大值和按两种方法上限计算出的较小值之间,合理取值),减缓正反向弯曲对提升钢丝绳的疲劳破坏。

    (3)在满足防滑计算要求的前提下,在摩擦轮上提升钢丝绳采用较小的围抱角,降低提升钢丝绳弯曲疲劳程度。

    (4)重视提升系统冲击限制,常用的有矩形加/减速度控制和梯形加/减速度控制,分别如图1、2所示。采用梯形加/减速度控制曲线,并且加/减速度的变化率不宜大于 0.3 m/s3,以减少加/减速过程中提升钢丝绳所受的动张力及弹性振动。新建矿井尤其是深井提升系统宜采用恒减速制动,可有效控制紧急制动过程中提升钢丝绳的动张力,同时避免提升钢丝绳打滑现象。

 

图1 矩形加/减速度控制曲线

    (5)条件允许时,主井提升优先采用重尾绳提升系统,可减少启动力矩、启动冲击和制动冲击。

    (6)大型副井上下大件设备时,应采用机械或电气锁罐系统,减少大件设备进出罐笼引发的对提升钢丝绳的弹性冲击和振动;深井大负载箕斗装载时,在装载站配置深井箕斗支撑系统,减少装载时提升钢丝绳的弹性动张力。

2.2 钢丝绳合理选型

    按照 GB 8918—2006《重要用途钢丝绳》和 GB/T 33955—2017《矿井提升用钢丝绳》选用提升钢丝绳。在满足安全系数要求的前提下,提升钢丝绳抗拉强度不宜超过 1 870 MPa。强度过大的钢丝绳韧性差,耐疲劳能力差。对于井筒淋水大、酸碱性腐蚀较强的矿井,选择耐酸碱腐蚀性能较好的合成纤维芯的镀锌钢丝绳。对于提升高度大于 800 m 的矿井,宜选用抗旋转能力好的交互捻钢丝绳或多层不旋转钢丝绳。如谢桥煤矿主井使用交互捻钢丝绳,其寿命比张集煤矿和丁集煤矿使用同向捻三角股的寿命长,其对比如表1所列。

表1 3 种提升钢丝绳的使用寿命对比

 

2.3 确保钢丝绳制造质量

    提升钢丝绳的质量优劣对其使用寿命的影响很大,钢丝绳的拉丝、捻制工艺、制绳钢丝批号、热处理工艺、麻芯质量、预张拉工艺、增摩脂质量及浸涂质量,都会影响提升钢丝绳的质量。尽量使用技术成熟、质量可靠、信誉较好的生产厂家制造的钢丝绳,避免使用劣质绳;同时做好进场验收和挂绳前的试验,杜绝使用试验不合格的钢丝绳。

2.4 避免安装或更换过程中产生损伤

    提升钢丝绳在进行安装或更换时,要采取保护措施避免对提升钢丝绳产生损伤。传统换绳方法是旧绳带新绳,旧绳与新绳每间隔 20~25 m 打一道卡子进行固定,会对新绳的局部产生损伤。近年来,朱集煤矿、招远玲珑金矿、北洺河铁矿等多个矿山使用国内研发的换绳车更换提升钢丝绳,避免了传统方法对新绳造成的损伤,有利于延长钢丝绳使用寿命,而且换绳作业人员少、工人劳动强度小、换绳时间短,符合国家安监总局“机械化换人,自动化减人”的要求,值得国内矿山借鉴和推广。

2.5 保持钢丝绳张力平衡

    对提升钢丝绳张力自动平衡装置加强日常检查、维护,确保完好有效。一是避免悬挂装置的液压缸渗漏;二是要经常调绳打压,保证钢丝绳张力自动平衡装置液压缸活塞杆伸出长度均匀,并在有效范围内,使各绳在运行中均衡受力,避免单根绳受力过大。

2.6 加强对绳槽衬垫的维护管理

    摩擦衬垫绳槽与钢丝绳之间应有适当的间隙,绳槽半径应比钢丝绳公称半径大 7.5% 左右,并使绳槽以 33% 的圆周(接触角 120°)形成对钢丝绳的环形支撑,减少对钢丝绳的挤压。提升钢丝绳和绳槽间的关系如图3所示。在衬垫绳槽磨损到一定程度或更换新绳前,及时车削绳槽,使绳槽与提升钢丝绳有较好的断面配合和良好接触,并使各绳槽的直径偏差控制在 0.8 mm 范围内。

图3 提升钢丝绳与衬垫绳槽之间的关系

2.7 加强提升系统使用维护管理

    加强对提升系统包括机械部分、制动系统、电控系统、钢丝绳、井筒罐道、尾绳隔离装置、井筒开关等的使用、检查和维护管理,使提升系统各部件均处于良好状态,避免失管失修,避免过卷、跑车等事故,避免井筒坠物,避免提升钢丝绳的意外损伤和额外受力。北方地区冬季寒冷,提升钢丝绳上的增摩脂黏度增大,粘附在提升钢丝绳上,经过摩擦轮时易造成提升钢丝绳脱槽,因而要及时清理;同时要避免井筒结冰,防止冰块坠落对钢丝绳造成损伤。

2.8 准确检测提升钢丝绳损坏情况

    对在用提升钢丝绳进行无损检测,及时发现其存在的缺陷和隐患,在保证安全的前提下,适当延长提升钢丝绳的使用寿命,避免钢丝绳的过早报废和成本浪费。近年来,国内架空索道行业一直依据俄罗斯INTROS 磁性钢索测试仪的检测结果来判断是否报废钢丝绳,这种仪器基于强磁原理可实时直观地显示出钢丝绳损伤部位、载面积损失、断丝数量,检测准确度比较高。国内淮南顾桥煤矿、国投新集一矿、李楼铁矿、金川龙首镍矿等单位已采用该测试仪来检测钢丝绳。

3 结语

    摩擦式提升机的提升钢丝绳在使用过程中承受着各种应力的综合作用,应采取各种有效措施,减缓提升钢丝绳在使用过程中的受力,新建矿井尤其要避免提升系统设计的缺陷。通过对提升系统合理的设计、对提升钢丝绳正确的选型、良好的维护及准确可靠的状态检测,能够有效地延长提升钢丝绳的使用寿命,对降低矿山生产成本有着较强的现实意义。

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