礦井提升機天輪襯墊的分析與應用

肖慧儒，高寶錄，何方金，施海斌，顧永剛，崔哲峰

1承德銅興礦業有限責任公司 河北承德 067250

2中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

3承德恒力機電制造有限責任公司 河北承德 067250

天 輪是單繩纏繞式礦井提升機的重要部件。天輪使用壽命在很大程度上取決于輪緣使用壽命，故延長輪緣使用壽命即可延長天輪使用壽命。在早期的天輪設計中，除了鑄鐵輪緣必須采用襯墊外，鑄鋼和焊接輪緣較少采用襯墊。為了延長天輪和鋼絲繩的使用壽命，承德銅興礦業有限責任公司 (以下簡稱“銅興公司”)從 2003 年 5 月開始，在提升機及絞車天輪的鑄鋼輪緣上均采用了襯墊，并對鑄鐵輪緣原襯墊進行了改造。當襯墊繩槽磨損到影響正常使用時，只需更換襯墊即可，避免了因輪緣過度磨損而導致天輪報廢，從而延長了天輪使用壽命。同時，襯墊使鋼絲繩處于無磨損摩擦狀態，延長了鋼絲繩使用壽命。銅興公司及其他礦山采用天輪襯墊數十年的實踐表明[1-2]，襯墊既延長了天輪和鋼絲繩的使用壽命，減小了提升中心變化，也提高了提升系統運行的可靠性。

1 天輪襯墊的應用與效果

銅興公司采用的天輪襯墊主要有以下幾種形式，現簡述其應用效果。

1.1 整體方形塊

整體方形塊襯墊如圖 1 所示。其材質原為尼龍6，1983 年 5 月改為耐油橡膠 I4，用于銅興公司副井KJ2×3×1.5D-20 型提升機 (主軸裝置與制動系統已更新為 2JK-3/20A 型提升機結構[3])φ3.0 m 鑄鐵輪緣天輪，平均使用壽命約 1.17 a。2003 年 9 月，銅興公司將襯墊材質改為聚氨酯，其平均使用壽命約 6.83 a。由于襯墊的保護作用，現用重錘和罐籠的天輪迄今分別已使用近 35 a 和 39 a。

圖1 整體方形塊襯墊Fig.1 Integral square block liner

1.2 剖分式楔形塊與整體矩形塊

剖分式楔形塊襯墊如圖 2 所示。其材質為榆木，用于銅興公司副井 2БМ×2.5-20 型提升機 (已整機更新為 2JK-2.5/20A 型提升機)φ2.5 m 鑄鐵輪緣天輪。木質襯墊的缺點是壽命短，平均使用壽命約 0.83 a。2003 年 10 月，銅興公司將襯墊改為聚氨酯整體矩形塊，如圖 3 所示，其平均使用壽命約 6.5 a，使用壽命約為木質襯墊的 7.8 倍。現用 2 個天輪均為 1975 年 5月安裝，迄今已使用近 45 a。

圖2 剖分式楔形塊襯墊Fig.2 Split wedgy liner

圖3 整體矩形塊襯墊Fig.3 Integral rectangular block liner

1.3 扇形整體塊Ⅰ與剖分式楔形塊Ⅰ

扇形整體塊Ⅰ襯墊如圖 4 所示。其為銅興公司設計，材質為聚氨酯，用于銅興公司主井 KJ2×4×1.8D-11.5 型提升機 (主軸裝置與制動系統已更新為 2JK-4/11.5A 型提升機結構[4])φ4.0 m 鑄鋼輪緣天輪。原天輪為鑄鋼與鉚焊兩半式結構，總重 7.159 t，因無襯墊，輪緣和鋼絲繩磨損嚴重。曾因此提前報廢的 1 號和 2 號天輪，其輪緣繩槽底部磨損均達 22 mm 以上。輪緣繩槽磨損較深后，槽底半徑變小，使鋼絲繩產生過度擠壓，導致其因磨損和斷絲超標而提前報廢。2個新天輪分別僅使用 9 a 和 5.67 a 時，其輪緣繩槽又分別磨損達 9、6 mm 以上。為提高天輪和鋼絲繩使用壽命，2003 年 5 月，銅興公司在 2 個天輪上均安裝了聚氨酯襯墊，其平均使用壽命約 9.5 a，鋼絲繩使用壽命也有所延長，同時提高了設備的運轉效率。

圖4 扇形整體塊Ⅰ襯墊Fig.4 Fan-shaped integral block liner I

2015 年 7 月，1 號天輪因軸瓦等原因更新時 (已使用近 22 a)，輪緣襯墊采用了如圖 5 所示的剖分式楔形塊Ⅰ系列產品。其材質為超高分子聚乙烯，使用 4 a 多來效果較好。

圖5 剖分式楔形塊Ⅰ襯墊Fig.5 Split wedgy liner I

2019 年 9 月，2 號天輪因轂軸連接失效進行更新時 (已使用 22.58 a)，輪緣襯墊仍采用剖分式楔形塊Ⅰ，為提高其使用壽命，材質采用了聚氨酯。

1.4 扇形整體塊Ⅱ與剖分式楔形塊Ⅱ

扇形整體塊Ⅱ襯墊如圖 6 所示。其為銅興公司設計，材質為聚氨酯，圖 6(a)襯墊用于銅興公司盲主井 2JK-2.5/20 型提升機φ2.5 m 鑄鋼輪緣天輪，其平均使用壽命約 7.5 a；圖 6(b)襯墊用于銅興公司盲副井 2JK-3/11.5 型提升機φ3.0 m 鑄鋼輪緣天輪，其平均使用壽命 10 a 以上。原天輪均無襯墊，造成輪緣和鋼絲繩磨損嚴重。2003 年 7 月，銅興公司在 4 個天輪上均安裝了襯墊，迄今 3 個天輪仍正常使用，其中 2個副井天輪均已使用 35 a 以上，主井 1 號天輪已使用30 a 以上。

圖6 扇形整體塊Ⅱ襯墊Fig.6 Fan-shaped integral block liner II

2018 年 5 月，因轂軸連接失效更新主井 2 號天輪時 (已使用 28.5 a)，輪緣襯墊采用了如圖 7 所示的剖分式楔形塊Ⅱ，材質為超高分子聚乙烯。4 個天輪采用襯墊后，鋼絲繩使用壽命均有所延長。

圖7 剖分式楔形塊Ⅱ襯墊Fig.7 Split wedgy liner II

1.5 剖分式楔形塊系列

2017 年 9 月，銅興公司斜井 JTP-1.6×1.2/20 型提升絞車天輪采用剖分式楔形塊系列產品，材質仍為超高分子聚乙烯。

綜上所述，天輪是否采用襯墊及其材質的不同，對天輪、鋼絲繩及襯墊的使用壽命均影響較大。采用襯墊可延長天輪和鋼絲繩的使用壽命；合理選用襯墊材質，是延長其使用壽命、減少更換頻次及提高設備效率等的關鍵。

2 天輪襯墊應用的標準及要求

《金屬非金屬礦山安全規程》[5](以下簡稱《規程》)規定：“6.3.5.7 天輪的輪緣應高于繩槽內的鋼絲繩，高出部分應大于鋼絲繩直徑的 1.5 倍。帶襯墊的天輪，襯墊應緊密固定。襯墊磨損深度相當于鋼絲繩直徑，或沿側面磨損達到鋼絲繩直徑的一半時，應立即更換”。銅興公司及其他礦山采用天輪襯墊數十年的實踐表明，采用襯墊須嚴格執行《規程》規定并應符合以下標準及要求。

2.1 襯墊的安裝與更換標準

根據《規程》規定，襯墊的軸向和徑向外形尺寸應大于其安裝槽的尺寸，使其裝配后產生一定的過盈而緊密固定，其公差G的值應視襯墊材質而定。熱塑性聚氯乙烯塑料 (PVC)及新型 PVC、尼龍 6 和超高分子聚乙烯應較小，G值＜1.0 mm 為宜；聚氨酯宜居中，G值為 1.0～ 1.8 mm 合適；利用報廢的運輸膠帶或由一般橡膠的制成品可稍大，G值 ＞ 1.8 mm 為宜。此外，為緊密排列，還應根據襯墊安裝的最后周向間隙值，制作合適的“間隙襯墊”，以手錘打入，保證襯墊的周向緊密固定。

襯墊的更換要嚴格按《規程》規定執行，以盡量減小提升中心的變化，減輕罐道及其導向槽 (器)的磨損，延長天輪使用壽命，保護鋼絲繩等。

2.2 襯墊徑向厚度

無襯墊的天輪由礦山自行安裝襯墊后，鋼絲繩提升中心的變化一般在 28～40 mm。這是因為，天輪直徑在 2.5～4.0 m，其鋼絲繩直徑d為 28～40 mm。《規程》6.3.3.8 對提升容器的導向槽 (器)與罐道之間的間隙做出規定，《規程》6.3.3.9 對導向槽 (器)和罐道之間的磨損更換程度做出規定。這些間隙和磨損的累計之和，如木罐道的最大值為 10＋15=25 mm，仍然無法彌補因安裝襯墊而產生的鋼絲繩提升中心的變化值，因此必將增加容器在罐道上的摩擦力，加劇容器導向裝置與罐道的磨損。對于鋼絲繩罐道單繩多段提升而言，提升中心的變化也是造成“卡罐”的原因之一[1]。

減輕導向裝置與罐道磨損的有效方法，就是選擇一個比較合理的襯墊徑向厚度H，以盡量縮小鋼絲繩提升中心的變化值。H值應為d與襯墊更換前的最小厚度e之和，即H＝d＋e。筆者根據經驗認為，若天輪原無襯墊，e取 0～10 為宜；若天輪原有襯墊，考慮到新襯墊性能一般優于原襯墊，故取新襯墊更換前的最小厚度e′＜e。顯然，當H或H′值居中時，鋼絲繩提升中心與提升容器設計提升中心相重合 (原有襯墊時)或接近 (原無襯墊時)。采用聚氨酯時，當H′與H相差較大時，襯墊減薄值f(f＝e－e′=H－H′)可安裝為“固定墊層”，這樣既可保持鋼絲繩提升中心不變或少變，又可減薄新襯墊厚度，以降低其購價。

2.2.1 襯墊擬減薄示例 1

圖1 括號內 40.5 為襯墊減薄后數值。原e＝Hd＝86.5－37＝49.5，太厚；故取e′=H′-d＝40.5 -37=3.5，合適；則f＝e-e′=H-H′=46。

f安裝為固定墊層后，既可保持鋼絲繩提升中心不變，亦可減薄新襯墊厚度，減少聚氨酯用料，降低采購成本。廉價材質的襯墊不必考慮安裝固定墊層。

2.2.2 襯墊擬減薄示例 2

由圖 2 可得，tan 30°=x/13，x=7.5。H=40 -7.5=32.5，d=28，e＝H－d＝4.5；則圖 3 括號內 32為襯墊減薄后數值。原e＝H－d＝50－28＝22，較厚；故取e′=H′-d＝32－28＝4，合適；則f＝ee′=H-H′=18。

應當指出，圖 1 襯墊中繩槽深度與繩槽半徑均設計為 50%d＝18.5 不合理。根據有關文獻和銅興公司近 30 a 的實踐經驗可知：

(1)繩槽深度取 25%d[6]＝9.25 或 30%d[7]＝11.1，較合理，原設計 18.5 比 9.25 或 11.1 分別深 9.25 或7.40，不合理。襯墊高度可減小至 95.75 或 93.9，H與H′均不改變；

(2)繩槽半徑取 55%d[8]＝20.35 較合理，原設計18.5 比 20.35 小 1.85，鋼絲繩會產生一定程度的擠壓；

(3)天輪襯墊與卷筒襯木 (塑襯)的繩槽深度與繩槽半徑的技術要求相同。

2.3 繩槽尺寸

2.3.1 繩槽深度

按文獻 [7]要求，“卷筒襯木繩槽深度應為鋼絲繩直徑的 30%”。根據銅興公司經驗，當繩槽深度約為 25%d時，即可滿足使用要求。原洛陽礦山機器廠設計的繩槽深度僅為 18%d。繩槽隨著使用會逐漸加深，不會出現鋼絲繩“跳槽”現象。銅興公司 5 臺提升機按 (20%～25%)d銑削的卷筒襯木或定制的卷筒塑襯，使用 30 余年從未出現過鋼絲繩跳槽現象，故繩槽深度取 (20%～25%)d比較合理。

2.3.2 繩槽半徑

繩槽半徑過小會引起鋼絲繩過度擠壓而提前斷絲；過大又會使鋼絲繩支撐面積減小，增大其接觸應力而導致繩與繩槽的加速磨損。合理的繩槽半徑，應使鋼絲繩與槽底緊密貼合并保持必要的間隙，此間隙是考慮到鋼絲繩在工作時有向兩側分開的傾向。根據文獻 [8]，繩槽半徑取 55%d比較合理。

2.4 襯墊材質的選擇

天輪襯墊的主要功能是避免天輪與鋼絲繩之間直接接觸而產生互相磨損，因而性能指標要求少且低。我國從 20 世紀 80 年代初開始使用熱塑性聚氯乙烯(PVC)襯墊，由于其價格低，沿用近 30 a。由于 PVC襯墊是硬質無彈性塑料制品，使用中襯墊間出現較大的間隙，噪聲大，安全性能受影響。后在原生產工藝及配方的基礎上加以改進，研制出新型的 PVC 襯墊，比原 PVC 襯墊性能提高 20%，同時推出聚氨酯及超高分子聚乙烯襯墊，解決了 PVC 材料的不足，成為天輪襯墊的首選材質[9]。根據銅興公司采用襯墊數十年的經驗和有關文獻及廠家的介紹，筆者認為，聚氨酯襯墊雖價格較高，但使用壽命較長；超高分子聚乙烯襯墊雖價格便宜，但使用壽命不如前者。各礦山可依據使用環境及工況，將二者作為天輪襯墊的首選材質。

3 結語

為了延長輪緣和鋼絲繩的使用壽命，銅興公司在提升機及絞車天輪的鑄鋼輪緣上均采用了襯墊，對鑄鐵輪緣上早期的襯墊亦進行了改造，均取得了很好的應用效果，可供同仁借鑒與參考。天輪改造或更新時應采用襯墊。

(1)襯墊的安裝與更換標準須嚴格按《規程》規定執行，以保證在減小提升中心的變化、減輕罐道及其導向槽 (器)的磨損、延長天輪使用壽命以及保護鋼絲繩等方面均取得較好的應用效果。

(2)襯墊材質應依據使用環境及工況進行選擇，以延長其使用壽命周期、減少更換頻次、提高設備運轉效率為目標。

(3)合理的襯墊徑向厚度、繩槽深度與繩槽半徑等技術參數是襯墊優化的關鍵。