無導向輪塔式提升機鋼絲繩滑移量測定解決方案

陳 興

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;3.金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心)

1 問題的提出

隨著我國對礦山安全的重視，目前，我國對于提升裝置的機電控制系統，已經強制要求有過卷、過速、限速、減速等各種情況下的有效制動等保護與電氣閉鎖裝置。然而對于多繩摩擦輪提升裝置來說，除了需要注意以上安全問題外，還需要注意鋼絲繩的滑動與張力不平衡等問題。對于鋼絲繩滑動，目前在提升系統電氣控制上已經能夠實現實時監控，其監控方法為分別在提升機主軸及天輪(或導向輪)上安裝1個高速光電脈沖編碼器采集信號，然后電控系統可將2個脈沖編碼器的信號轉換成速度進行比較。其中主軸上的編碼器反映的是主軸的速度，天輪上的編碼器反映的是鋼絲繩的速度(由于天輪并無動力驅動，其轉動是通過鋼絲繩的位移摩擦來帶動天輪轉動的，因此，天輪的轉動速度換算后就相當于鋼絲繩的位移速度)。當主軸和天輪的轉速(實際為換算后主導輪和鋼絲繩的線速度)出現差值，速度的差值高于1.2 m/s，并且持續2 s的時間，便視為滑繩，電控系統便能夠報警或采取保護措施。

以上實時監控對于落地式提升機及帶導向輪的塔式提升機來說，均不存在任何問題。然而，對于無導向輪的塔式提升機來說，由于測定鋼絲繩速度的編碼器無地方安裝，因此，無法測定。由于鋼絲繩滑移實時監控是最近幾年才開始逐步實施的，而我國因許多礦山規模較小，礦山提升機直徑均不大，特別是一般盲豎井采用的塔式提升機，主導輪直徑在2.25 m以下的占相當部分，而對于這部分提升機來說，由于其直徑和提升容器中心距相當，所以相當部分都沒有導向輪。根據最新的《GB/T 10599—2010多繩摩擦式提升機》4.3.4條“提升機應設置鋼絲繩滑動監測裝置”的規定，所有多繩摩擦式提升機又都應該安裝鋼絲繩滑動監測裝置，但如何安裝目前卻還未見統一的技術解決方案，甚至連一些提升機廠家也沒有解決辦法。據了解，僅有少部分提升機廠家提供的解決方案是在井筒中緊貼提升鋼絲繩安裝1個小滑輪，將編碼器安裝在滑輪上(為稱呼更科學，本研究暫將該滑輪定義為測繩輪)。從技術上來說，這種解決方案是最簡單、有效的，也是完全可行的。但該種做法由于僅是部分廠家行為，沒有統一的技術標準，也未見相關手冊或文章涉及該方案的實施技術要點，要作為一個可靠的技術解決方案，還需要有一定的理論支撐。為此，本研究嘗試在現有相關規程規范作為依據的基礎上，對該方案從理論上進行分析、論述，并最終提出一個簡單、可行的解決方案。

從理論上來說，緊貼提升鋼絲繩安裝小滑輪測定鋼絲繩滑移需要解決以下技術問題:①該測繩輪與鋼絲繩的圍包角值多少較為合適?②該測繩輪邊沿壓鋼絲繩的水平距離值多少為宜?

2 相關技術問題論述

2.1 測繩輪與鋼絲繩圍包角計算

多繩提升機提升動力的傳遞是依靠摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力來實現的，根據柔索傳動的歐拉公式可知，在極限狀態下，摩擦輪兩側鋼絲繩張力的比值為

式中，Fz為重載側(提升側)鋼絲繩的張力，N;Fk為空載側(下放側)鋼絲繩的張力，N;μ為鋼絲繩與輪之間的摩擦系數，通常取μ=0.2～0.25;α為鋼絲繩對測繩輪的圍包角，rad。

同理，測繩輪要實現轉動，也需要借助于鋼絲繩與輪本身的摩擦力帶動測繩輪轉動，因此，測繩輪與鋼絲繩的圍包角可通過歐拉公式反算，即

將圍包角α弧度換算成角度后，則為

根據金屬非金屬礦山安全規程第6.3.5.21條要求“多繩摩擦提升系統，……，重載側和空載側的靜張力比，應小于1.5”可知，Fz/Fk最大值只能為1.5，而最小值即為兩邊靜張力相等，也即其值為1。而鋼絲繩與輪之間的摩擦系數μ因輪襯的材料不同而不同，國內常用輪襯材料對應摩擦系數見表1。

表1 輪襯常用材料對應摩擦系數

根據以上分析，可計算出采用不同輪襯材料的測繩輪與鋼絲繩的圍包角，其結果如表2。

表2 各種輪襯材料的圍包角范圍

2.2 測繩輪邊沿壓迫鋼絲繩水平距離計算

通過2.1節雖然已經計算出測繩輪與鋼絲繩的圍包角，但測繩輪實際安裝的話，一般很難通過圍包角來給測繩輪安裝定位，現實中比較好操作的就是計算出測繩輪壓迫鋼絲繩水平距離來給鋼絲繩定位，如圖1所示，也即計算出圖1中x的值。

圖1 測繩輪定位

從圖1通過三角函數，可以很容易地計算得出

式中，r為測繩輪半徑，mm。

從表2可知，圍包角最小為0;摩擦系數為0.2時，圍包角最大為116.157°;摩擦系數為0.25時，圍包角最大為92.926°。以上3種情況下求出的x分別為0、0.47r、0.31r。

3 測繩輪的制作與安裝

由于測繩輪僅僅用于測定鋼絲繩的位移速度，因此，其大小并不需要太大，含輪襯材料直徑以200～500 mm為宜，厚度以40～90 mm為宜。這種輪子加工制作簡單，制作好后，再在輪子表面加上耐磨的輪襯材料即可。如果企業沒有自己的機修加工設施或為省事，也可直接購買罐籠上所使用的滾輪(如圖2)。一般罐籠滾輪上的聚胺脂厚度有70～80 mm，但露出的部分只有30～40 mm，當聚胺脂磨損到鑄鐵邊沿時即需更換，里邊還剩有一半厚度的聚胺脂。因此，從節省費用的角度考慮，甚至可以將罐籠使用更換下來廢棄不用的滾輪用來作為測繩輪使用。

圖2 罐籠用滾輪

測繩輪的安裝位置，可以選擇安裝于提升機硐室下的潤滑站層，在潤滑站底板埋設螺栓，然后將滾輪邊沿超出鋼絲繩＜0.31r固定即可。當使用一段時間，滾輪聚胺脂磨損后，再松開螺栓，將滾輪前移。而編碼器，則安裝于滾輪固定架的另一側即可。

4 結語

對于我國目前正在使用的大量?2.25 m以下的多繩塔式提升機來說，隨著《GB/T 10599—2010多繩摩擦式提升機》新標準的實施，均存在要求增加鋼絲繩位移滑移量監測裝置，而采用本研究推薦的技術解決方法，可以說是簡單、方便，又可以廢物利用，有其應用推廣的價值。

［1］ 侯樹德.多繩摩擦輪提升機輪襯的使用與維護［J］.煤礦機電，1999(5):39-40.

［2］ 馬 軍，封仕彩.多繩摩擦式提升機鋼絲繩防滑在線監測系統的開發［J］.煤炭科學技術，2004(1):25-27.

［3］ GBl6423—2006 金屬非金屬礦山安全規程［S］.北京:中國標準出版社，2006.

［4］ GB/T10599—2010 多繩摩擦式提升機［S］.北京:中國標準出版社，2011.