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摩擦式提升機提升鋼絲繩壽命影響因素淺析
發布時間：
2023-12-20
來源：
摩擦式提升機的提升鋼絲繩在運行中承受各種應力以及沖擊載荷的綜合作用。分析了影響提升鋼絲繩使用壽命的各種因素，結合礦井提升基礎理論及國內典型礦山摩擦式提升機提升鋼絲繩的使用情況，從多個方面提出了延長提升鋼絲繩使用壽命的措施，對于新建或在用礦山有一定的參考或借鑒意義。
摩擦式提升機因提升能力強、提升高度高、提升速度快、電動機功率消耗低、使用安全可靠等優勢，在地下礦山開采中的應用越來越多。摩擦式提升機依靠提升鋼絲繩與摩擦輪襯墊間的摩擦力帶動提升容器在井筒中運行。鋼絲繩在運行中承受拉伸應力、扭轉應力、彎曲應力、接觸應力，以及各種沖擊載荷的綜合作用，同時受到井筒中淋水、潮氣的影響，使鋼絲繩產生斷絲、縮徑、銹蝕等損傷。當損傷超過標準規定時，就需要報廢或更換。提升鋼絲繩的使用壽命受多種因素的影響，需要綜合考慮礦井提升系統設計以及使用過程中的維護保養等方面的因素，以改善鋼絲繩的作業條件和受力狀況，達到延長使用壽命的目的。
1 影響提升鋼絲繩使用壽命的因素
1.1 礦井提升高度
結合國內外大量摩擦式提升機的使用情況來看，深井提升鋼絲繩的使用壽命普遍比淺井的壽命要短，究其原因有：① 隨著井深的增加，提升鋼絲繩的扭轉應力越大，扭轉疲勞增加了鋼絲繩的斷絲概率；②隨著井深的增加，提升鋼絲繩終端負載變化率(應力幅)逐漸增大，促使鋼絲繩的疲勞破壞加速。張小樓煤礦、冬瓜山銅礦主井的提升高度分別為 1 039.6、1 094.0 m，應力幅分別達到了 10.02%、11.08%，接近于文獻[1]中提出的極限值 11.5%，是導致這兩座礦山的主井提升鋼絲繩使用壽命較短的原因之一，只有6 個月左右。
1.2 D/d比
D/d 比即摩擦輪與鋼絲繩的直徑比。《煤礦安全規程》第四百一十九條規定：落地式摩擦提升裝置的摩擦輪及天輪，圍抱角大于 180°的摩擦式提升裝置的摩擦輪，其最小直徑與提升鋼絲繩直徑之比，井上安裝時不小于 90，井下安裝時不小于 80；摩擦式提升裝置的導向輪的最小直徑與鋼絲繩直徑之比，不小于 80。《金屬非金屬礦山安全規程》6.3.5.1 條款也做了類似規定。同等情況下，D/d 比值越大，提升鋼絲繩產生的彎曲應力越小，對提升鋼絲繩越有利；但繩徑比越大，提升機規格越大，設備造價越高，因此需要綜合分析，合理確定。
1.3 摩擦輪和導向輪中心高
提升鋼絲繩經過摩擦輪和導向輪(天輪)時，要不斷地承受正向和反向彎曲應力的作用。尤其是井塔上安裝有導向輪的摩擦式提升機，如果摩擦輪與導向輪間的中心高相差較小而提升速度偏大時，提升鋼絲繩的彎曲應力來不及釋放，容易造成提升鋼絲繩的疲勞斷絲。冬瓜山銅礦摩擦輪和導向輪之間的中心高差為 6 m，提升速度為 12 m/s，提升鋼絲繩使用壽命僅有 6 個月左右。張小樓煤礦摩擦輪和導向輪之間的中心高差為 5 m，當提升速度為 10 m/s 時，提升鋼絲繩的使用壽命為半年；當提升速度為 12 m/s 時，鋼絲繩壽命縮短為 3 個月。唐口煤礦提升高度為 1 050 m，提升速度為 12.36 m/s，與張小樓煤礦和冬瓜山銅礦采用相同的三角股鋼絲繩，但因其采用落地式摩擦提升機，摩擦輪和天輪之間距離較大，提升鋼絲繩承受的正向和反向彎曲應力得到了較充分的釋放，提升鋼絲繩使用壽命接近 2年。
1.4 提升鋼絲繩選型
提升鋼絲繩的選型是否合理，對其使用壽命有著直接的影響。提升鋼絲繩的選型主要包括以下內容。
(1)鋼絲繩表面狀態 如是否涂增摩脂、鍍鋅等。
(2)鋼絲繩結構形式 如股數、繩股中鋼絲間接觸形式、外層鋼絲直徑，是否為密封繩或壓實股繩等。對于提升鋼絲繩磨損比較嚴重的礦井，若選用提升鋼絲繩繩股外層鋼絲直徑較細時，則容易因磨損引發斷絲，使鋼絲繩過早受損；當選用點接觸鋼絲繩時，會由于繩股中鋼絲間、股間較大的接觸應力引起鋼絲繩斷絲。
(3)鋼絲繩捻向 深井提升時，若采用同向捻鋼絲繩，會因鋼絲繩在井筒中比較劇烈的旋轉引起繩股中鋼絲疲勞斷絲。
(4)鋼絲繩強度等級 鋼絲繩抗拉強度等級越高，其鋼絲韌性就越差，抗彎曲疲勞的能力相應有所降低，會直接影響提升鋼絲繩的使用壽命。
1.5 運行時的沖擊載荷及彈性振動
提升鋼絲繩在運行過程中，要承受啟動加速、制動減速、裝卸載以及發生過卷、卡罐、托罐、操作失誤等情況時產生的沖擊載荷及彈性振動。提升機啟動加速時，如果啟動加速度從零突然上升到最大，啟動沖擊值(啟動加速度變化率)就會很大，在提升鋼絲繩中造成很大的動張力。尤其是采用恒力矩制動的提升系統，在重載提升、空載運行、重載下放等不同的工況下，制動減速度的變化范圍較大，提升系統相應會產生較大的沖擊載荷，加劇提升鋼絲繩的疲勞損傷。
1.6 鋼絲繩的制造質量
鋼絲繩制造使用的原材料的質量等級，拉絲、表面處理、捻股、合股等制造設備以及制造工藝均會影響提升鋼絲繩的質量。若提升鋼絲繩制造質量較差，就會過早地產生斷絲損傷，直接影響其使用壽命。
1.7 安裝及使用維護方面的影響
提升鋼絲繩在安裝或更換時，新繩與尖銳物體相碰或新舊鋼絲繩打卡子固定過程中，會對新繩繩股外層鋼絲產生一定程度的損傷，成為鋼絲繩投入運行之后的薄弱環節。此外，摩擦輪上襯墊繩槽直徑不同、各繩提升速度不同，或提升鋼絲繩張力自動平衡懸掛裝置失效等，都會造成某根提升鋼絲繩受力偏大，可能會提前破壞。摩擦輪、導向輪繩槽的斷面形狀不合適或粘有附著物，也會使提升鋼絲繩受到額外擠壓，產生額外的接觸應力，進而對提升鋼絲繩造成損壞。
2 延長提升鋼絲繩使用壽命的措施
提升鋼絲繩在使用過程中難免受到各種因素的影響，但是通過對提升系統合理的設計及鋼絲繩選型，加強使用維護管理，改善提升鋼絲繩作業條件，趨利避害，可以在一定程度上延長鋼絲繩的使用壽命。
2.1 提升系統合理設計
新建礦井要進行科學合理的設計，主要應注意以下方面。
(1)條件允許時，采用較大的 D/d 比、較小的襯墊比壓，降低提升鋼絲繩彎曲應力和接觸應力。
(2)采用井塔式提升機時，摩擦輪與導向輪中心高差宜在 0.5～1.0 倍提升速度值或 200～400 倍提升鋼絲繩直徑范圍內合理選取(按兩種方法下限計算出的較大值和按兩種方法上限計算出的較小值之間，合理取值)，減緩正反向彎曲對提升鋼絲繩的疲勞破壞。
(3)在滿足防滑計算要求的前提下，在摩擦輪上提升鋼絲繩采用較小的圍抱角，降低提升鋼絲繩彎曲疲勞程度。
(4)重視提升系統沖擊限制，常用的有矩形加/減速度控制和梯形加/減速度控制，分別如圖1、2所示。采用梯形加/減速度控制曲線，并且加/減速度的變化率不宜大于 0.3 m/s3，以減少加/減速過程中提升鋼絲繩所受的動張力及彈性振動。新建礦井尤其是深井提升系統宜采用恒減速制動，可有效控制緊急制動過程中提升鋼絲繩的動張力，同時避免提升鋼絲繩打滑現象。
圖1 矩形加/減速度控制曲線
(5)條件允許時，主井提升優先采用重尾繩提升系統，可減少啟動力矩、啟動沖擊和制動沖擊。
(6)大型副井上下大件設備時，應采用機械或電氣鎖罐系統，減少大件設備進出罐籠引發的對提升鋼絲繩的彈性沖擊和振動；深井大負載箕斗裝載時，在裝載站配置深井箕斗支撐系統，減少裝載時提升鋼絲繩的彈性動張力。
2.2 鋼絲繩合理選型
按照 GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》和 GB/T 33955—2017《礦井提升用鋼絲繩》選用提升鋼絲繩。在滿足安全系數要求的前提下，提升鋼絲繩抗拉強度不宜超過 1 870 MPa。強度過大的鋼絲繩韌性差，耐疲勞能力差。對于井筒淋水大、酸堿性腐蝕較強的礦井，選擇耐酸堿腐蝕性能較好的合成纖維芯的鍍鋅鋼絲繩。對于提升高度大于 800 m 的礦井，宜選用抗旋轉能力好的交互捻鋼絲繩或多層不旋轉鋼絲繩。如謝橋煤礦主井使用交互捻鋼絲繩，其壽命比張集煤礦和丁集煤礦使用同向捻三角股的壽命長，其對比如表1所列。
表1 3 種提升鋼絲繩的使用壽命對比
2.3 確保鋼絲繩制造質量
提升鋼絲繩的質量優劣對其使用壽命的影響很大，鋼絲繩的拉絲、捻制工藝、制繩鋼絲批號、熱處理工藝、麻芯質量、預張拉工藝、增摩脂質量及浸涂質量，都會影響提升鋼絲繩的質量。盡量使用技術成熟、質量可靠、信譽較好的生產廠家制造的鋼絲繩，避免使用劣質繩；同時做好進場驗收和掛繩前的試驗，杜絕使用試驗不合格的鋼絲繩。
2.4 避免安裝或更換過程中產生損傷
提升鋼絲繩在進行安裝或更換時，要采取保護措施避免對提升鋼絲繩產生損傷。傳統換繩方法是舊繩帶新繩，舊繩與新繩每間隔 20～25 m 打一道卡子進行固定，會對新繩的局部產生損傷。近年來，朱集煤礦、招遠玲瓏金礦、北洺河鐵礦等多個礦山使用國內研發的換繩車更換提升鋼絲繩，避免了傳統方法對新繩造成的損傷，有利于延長鋼絲繩使用壽命，而且換繩作業人員少、工人勞動強度小、換繩時間短，符合國家安監總局“機械化換人，自動化減人”的要求，值得國內礦山借鑒和推廣。
2.5 保持鋼絲繩張力平衡
對提升鋼絲繩張力自動平衡裝置加強日常檢查、維護，確保完好有效。一是避免懸掛裝置的液壓缸滲漏；二是要經常調繩打壓，保證鋼絲繩張力自動平衡裝置液壓缸活塞桿伸出長度均勻，并在有效范圍內，使各繩在運行中均衡受力，避免單根繩受力過大。
2.6 加強對繩槽襯墊的維護管理
摩擦襯墊繩槽與鋼絲繩之間應有適當的間隙，繩槽半徑應比鋼絲繩公稱半徑大 7.5% 左右，并使繩槽以 33% 的圓周(接觸角 120°)形成對鋼絲繩的環形支撐，減少對鋼絲繩的擠壓。提升鋼絲繩和繩槽間的關系如圖3所示。在襯墊繩槽磨損到一定程度或更換新繩前，及時車削繩槽，使繩槽與提升鋼絲繩有較好的斷面配合和良好接觸，并使各繩槽的直徑偏差控制在 0.8 mm 范圍內。
圖3 提升鋼絲繩與襯墊繩槽之間的關系
2.7 加強提升系統使用維護管理
加強對提升系統包括機械部分、制動系統、電控系統、鋼絲繩、井筒罐道、尾繩隔離裝置、井筒開關等的使用、檢查和維護管理，使提升系統各部件均處于良好狀態，避免失管失修，避免過卷、跑車等事故，避免井筒墜物，避免提升鋼絲繩的意外損傷和額外受力。北方地區冬季寒冷，提升鋼絲繩上的增摩脂黏度增大，粘附在提升鋼絲繩上，經過摩擦輪時易造成提升鋼絲繩脫槽，因而要及時清理；同時要避免井筒結冰，防止冰塊墜落對鋼絲繩造成損傷。
2.8 準確檢測提升鋼絲繩損壞情況
對在用提升鋼絲繩進行無損檢測，及時發現其存在的缺陷和隱患，在保證安全的前提下，適當延長提升鋼絲繩的使用壽命，避免鋼絲繩的過早報廢和成本浪費。近年來，國內架空索道行業一直依據俄羅斯INTROS 磁性鋼索測試儀的檢測結果來判斷是否報廢鋼絲繩，這種儀器基于強磁原理可實時直觀地顯示出鋼絲繩損傷部位、載面積損失、斷絲數量，檢測準確度比較高。國內淮南顧橋煤礦、國投新集一礦、李樓鐵礦、金川龍首鎳礦等單位已采用該測試儀來檢測鋼絲繩。
3 結語
摩擦式提升機的提升鋼絲繩在使用過程中承受著各種應力的綜合作用，應采取各種有效措施，減緩提升鋼絲繩在使用過程中的受力，新建礦井尤其要避免提升系統設計的缺陷。通過對提升系統合理的設計、對提升鋼絲繩正確的選型、良好的維護及準確可靠的狀態檢測，能夠有效地延長提升鋼絲繩的使用壽命，對降低礦山生產成本有著較強的現實意義。
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