多绳摩擦提升机钢丝绳张力不平衡问题探研

学术论文 2018-04-17 10:39:58
    1 概述
    多绳摩擦提升机是依靠钢丝绳与衬垫之间摩擦力来传递动力的,它承担着钢丝绳的重量、提升容器的重量、人员及物料重量、平衡尾绳重量以及在运行中出现的各种动载荷与冲击载荷。摩擦衬垫的性能及工况直接关系到提升机的工作能力、工作效率和安全可靠性,因此摩擦衬垫是多绳提升机的重要部件。钢丝绳的张力不均匀就会造成衬垫的磨损,钢丝绳寿命降低,甚至造成提升容器倾斜、卡罐、断绳等重大事故。《金属非金属矿山安全规程》(GB16423-2006)规定:6.3.3.15 运转中的多绳摩擦提升机,应每周检查一次首绳的张力,若各绳张力反弹波时间差超过10%,应进行调绳。6.3.4.8钢丝绳的钢丝有变黑、锈皮、点蚀麻坑等损伤时,不应用于升降人员。钢丝绳锈蚀严重,或点蚀麻坑形成沟纹,或外层钢丝松动时,不论断丝数多少或绳径是否变化,应立即更换。6.3.4.9多绳摩擦提升机的首绳,使用中发现有一根不合格的,应全部更换。
    玉溪矿业公司大红山铜矿2016年9月26日投运的箕斗竖井,为井塔式多绳摩擦提升机,共有6根首绳。采用徐州煤矿安全设备厂生产的张力平衡首绳悬挂装置(如图1)。
    主要技术参数: 提升机规格:JKM4.5×6(IV)井塔式提升机;导向轮直径:3600mm;提升方式:双箕斗提升;箕斗规格:15m3底卸式箕斗;箕斗自重:23550kg(不包括辅助设施);箕斗有效载重量:27000kg,核定实际载荷24000kg;提升机钢丝绳规格:6×K36WS+FC,Φ44,1670N/mm2,1220kN;提升绳数量:6根;提升绳间距:300mm;提升绳长度:1050m;平衡尾绳规格:ZAAΦ52-35(W)×7-1670,1630kN;平衡尾绳数量:4根;平衡尾绳间距:500mm;平衡尾绳长度:1040m;罐道形式:钢丝绳罐道,罐道绳数量8根(左右捻向各4根);提升高度:951m;最大提升速度:12.7m/s;最大不平衡载荷:40t。为保障提升安全,有必要对钢丝绳张力不平衡的问题进行分析,找出消除张力不平衡的方法。
    2 张力不平衡的理论
    根据虎克定律,钢丝绳的伸长量△L=FL/EA,其中:F为钢丝绳承受的拉力;L为钢丝绳悬挂长度;E为钢丝绳弹性模量;A为钢丝绳截面面积。
    6绳摩擦提升绳,若受力一致,则:
    F1L1/E1A1=F2L2/E2A2=F3L3/E3A3=F4L4/E4A4=F5L5/E5A5=F6L6/E6A6
    F1+F2+F3+F4+F5+F6=Qt
    式中:Qt為悬挂载荷;令Ki=EiAi得:Fi=KiQi/(K1+K2+K3+K4+K5+K6)
    从公式可以看出,钢丝绳作为受拉柔性构件,当绕过卷筒时钢丝绳出现附加的压应力和弯曲应力,其状态极其复杂。提升钢丝绳的载荷、弹性模量、截面积、悬挂长度都影响钢丝绳之间的张力差(表1)。钢丝绳的弹性模量与其结构、新旧程度、钢丝绳长短及钢丝绳受力大小有关。
    3 张力不平衡产生的原因
    (1)从表1可以看出,钢丝绳的弹性模量是存在差异的,绳股与绳股以及股内丝与丝之间的密实程度,很难保证绝对一致。新钢丝绳的弹性大,随拉力的增减而伸缩,在使用初期弹性特别大,随着使用时间的增加,弹性逐渐减小,直到钢丝绳破断之前为止,是一个动态变化的过程。
    (2)钢丝绳处于水平或倾斜位置时,由于其自重与集中载荷作用的影响,扰度的变化也影响其弹性性能。
    (3)更换新钢丝绳在长度上不可能绝对一致,存在长度误差。
    (4)钢丝绳加工直径上的误差,经过摩擦轮旋转后,将引起钢丝绳不同步而出现长度上的偏差。
    (5)摩擦衬垫的直径不可能完全一致。一是车削过程中的误差;二是提升钢丝绳张力不等,造成绳槽衬垫径向受压弹性变形,加剧张力不平衡;运行过程中由于受力程度的不一致,绳槽磨损也不一致,钢丝绳每经过摩擦衬垫一次时,都承受拉伸a和压缩b(如图2),直径发生变化。
    可以看出,多绳摩擦提升机张力不平衡是由于钢丝绳的弹性模量E、截面积A和长度L之间不相等造成的,且相互影响,相互作用,共同加剧钢丝绳张力不平衡。钢丝绳的弹性模量随着卷绕长度、工作寿命、受拉载荷、载荷交变次数以及载荷频率值得以增加而提高。
    4 张力自动平衡装置
    玉溪矿业公司大红山铜矿JKM4.5×6(IV)井塔式提升机钢丝绳张力自动平衡装置采用密闭自动连通方式,是一个能够实现张力平衡的液压自动平衡系统。
    悬挂装置的工作原理(如图1):液压系统通过加压泵将液压油注入液压自动平衡装置油缸内,平衡装置利用串联方式将液压缸连接起来,使油缸相互连通,6根钢丝绳分别悬挂在6个液压自动平衡装置上,提升过程中钢丝绳张紧或放松,从而实现调绳的目的。该液压系统能够实现6个油缸同步运行,满足控制多绳摩擦提升机调绳的工作,从而使张力达到平衡。
    5 存在问题
    多绳摩擦提升机虽然采用了张力平衡装置,但由于在点巡检和日常维护检查中,发现问题不及时,检修维护不到位,经常会造成钢丝绳张力差超限,钢丝绳出现断丝、松绳现象(图3)从而导致钢丝绳失效。其原因主要有以下几个方面:
    (1)摩擦衬垫的磨损量不一,绳槽直径的差异,造成张力不一致。
    (2)平衡油缸在每次提升过程中的液压油的压力不可能完全一致,张力始终处于不平衡到平衡这样一个周而复始的过程,从而造成张力不一致。
    (3)箕斗提升过程中的摆动,也会造成张力不平衡。
    (4)由于该竖井为回风井,井筒内温差和湿度大(湿度大于90),形成冷凝水附在鋼丝绳上,其锈蚀程度、伸长的长度也不相同,也会造成张力不一致。
    (5)钢丝绳制造时不可能保证每根钢丝绳质量、材质完全一致,使用过程中磨损、断丝也不可能完全相同,也会造成张力不平衡。
    6 消除张力不平衡方法
    (1)选择优质的摩擦衬垫。摩擦衬垫应当具有高强度、耐磨性好、较高的摩擦系数,弹性好等特点。
    (2)选择性能好的钢丝绳,包括整绳的破断拉力,单丝抗拉强度,单丝扭转和反复弯曲等符合检验规范要求。采用同期生产的同一几何参数和机械性能的钢丝绳。
    (3)微小的绳槽直径变化都会产生较大的张力差,加剧绳槽的磨损。《金属非金属矿山安全规程》(GB16423-2006)6.3.3.15……对主导轮和导向轮的摩擦衬垫,应视其磨损情况及时车削绳槽。绳槽直径差应不大于0.8mm。衬垫磨损达2/3,应及时更换。
    (4)定期检查油缸的使用情况,检查油管接头、油管部位是否有渗漏现象,发现问题及时处理。
    (5)改善矿井通风条件,加强对井筒设施的检查和维修工作,定期加强对罐道、罐道绳、罐耳的检查和防腐工作,做好润滑保养工作。
    (6)完善钢丝绳张力差监测系统,及时预报预警。
    7 结束语
    通过上述分析可以看出,多绳摩擦提升机张力不平衡不是单一原因造成的,它与钢丝绳的弹性模量、截面积、悬挂长度等有直接的关系,它们相互影响、相互作用,加剧钢丝绳张力的不平衡。在今后矿山提升系统实际使用过程中,还要不断探索和分析,总结经验和不足,通过有效的管理手段,不断消除张力不平衡的问题,延长钢丝绳的使用寿命,确保矿山提升系统的安全运行。
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