落地式多繩摩擦式提升機天輪裝置異響分析及解決方案

趙光輝，徐永福，段秋華，劉同欣

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

天輪裝置用于落地式多繩摩擦式提升機，是提升機的主要承力部件之一，其結構設計水平的高低影響著提升系統的安全運行和企業的生產效率[1]。隨著礦山生產規模的擴大和提升技術水平的提高，多繩摩擦式提升機的提升能力和規格越來越大，天輪裝置上的負載也隨之增大，如國內最大的落地式多繩摩擦式提升機 (JKMD－6.2×4 型提升機)，其單個游動輪 (或固定輪)的受力達到 821 kN[2]。過大的載荷使得天輪裝置在運行中經常出現異常響聲，甚至連接螺栓被剪斷等現象，影響礦井的安全生產，亟待解決。

1 天輪裝置的結構

落地式多繩摩擦式提升機的提升系統如圖 1 所示。天輪安裝在井架上，其作用一是改變鋼絲繩的方向；二是根據提升系統要求，調整提升容器的中心距。

圖1 落地式多繩摩擦式提升機的提升系統Fig.1 Hoisting system of floored multi-rope friction hoist

圖2 天輪裝置的結構Fig.2 Structure of head sheave

天輪裝置的結構如圖 2 所示。每套由 4 個單獨的輪子組成，其中一個輪子用平鍵與天輪軸連接，稱作固定輪；其他輪子相對天輪軸是游動的，稱作游動輪。鋼絲繩運動時帶動固定輪轉動，固定輪又帶動天輪軸一起轉動。每一個游動輪的輪轂與天輪軸之間裝有 4 個兩半式軸瓦，4 個輪子之間各有 0.2～0.5 mm的軸向間隙，當每條鋼絲繩的線速度不完全相同時，游動輪與天輪軸之間可自由地相對轉動[3-4]。

最外端游動輪用兩半式卡箍軸向定位，卡箍安裝在天輪軸環形槽內，其厚度在裝配時進行磨配，以保證各游動輪之間的間隙為 0.2～0.5 mm[5]，這樣游動輪可以發生微小的軸向位移。

2 天輪裝置異響原因分析

2.1 軸瓦的受力分析

軸瓦的受力如圖 3 所示。提升機運行時，軸瓦受力主要為摩擦力。

圖3 軸瓦受力分析Fig.3 Force analysis on bearing bush

2.1.1 軸瓦與天輪軸之間的摩擦力

單個輪體的受力

式中：Fmax為鋼絲繩最大靜張力，kN；α為鋼絲繩出繩仰角，(°)。

軸瓦與天輪軸之間的摩擦力

式中：μ為摩擦因數。

軸瓦與天輪軸之間的摩擦力由軸瓦連接螺栓承擔，力的大小與軸瓦和天輪軸間是否充分潤滑有關。潤滑充分時，f天輪軸較小，螺栓承受的剪切力較小；潤滑不佳時，f天輪軸較大，螺栓承受的剪切力較大。因此必須保證螺栓的規格和數量，才能避免螺栓因承載力不夠而被剪斷。

2.1.2 軸瓦與輪轂之間的摩擦力

連接螺栓緊固后，軸瓦與輪轂結合面之間產生摩擦力，該摩擦力

式中：k為不平衡系數，取 0.75；z為螺栓數量，個；N為螺栓預緊力，N。

2.1.3 軸瓦端面與其他游動輪、固定輪或卡箍之間的摩擦力

提升容器的非正常擺動、提升中心線偏斜 (罐道偏斜)等因素會使游動輪受到軸向力作用，使游動輪與游動輪、固定輪或卡箍間產生摩擦力，該摩擦力

式中：n為游動輪數量，n=3；β為提升機主軸中心線與天輪軸線的夾角 (偏斜角)，(°)。

天輪裝置正常運轉時，f輪轂＞f天輪軸，f端面=0。

2.2 天輪裝置異響原因分析

天輪裝置出現異常聲響，一般與軸瓦連接螺栓的斷裂有關。導致螺栓斷裂的直接原因是軸瓦和游動輪轂之間產生相對運動，這主要與以下因素有關。

(1)螺栓松動 軸瓦連接螺栓未緊固或者螺栓受力過大時，導致螺栓松動，造成f輪轂減小，使得f輪轂＜f天輪軸。此時，軸瓦會產生圓周方向的相對運動，螺栓受切向力，并且隨著相對運動的加大，螺栓所受剪切力也越來越大，直至螺栓被剪斷。剪斷的螺栓在輪轂端面形成溝槽，導致天輪運行時產生異響。

(2)軸瓦潤滑不良 軸瓦潤滑不良，導致軸瓦與主軸之間產生粘連，造成f天輪軸增大，使得f輪轂＜f天輪軸。反復的正反向剪切力，使得連接螺栓逐漸被剪斷。與此同時，軸瓦與天輪軸之間由充分潤滑變為干摩擦，導致天輪運行時產生異響。

(3)提升中心線偏斜 提升容器的非正常擺動、罐道偏斜等使得提升機主軸中心線與天輪軸線之間存在一定的夾角，軸瓦端面會受到f端面的作用。此時，f端面≠0，從而引起軸瓦摩擦加劇，發出異響，連接螺栓出現松動而被剪斷。

3 解決方案

筆者從提高軸瓦螺栓抗剪切力、改善軸瓦耐磨特性等角度，提出以下解決方案。

3.1 加裝定位鍵

在游動輪轂和軸瓦上分別加工出鍵槽，在鍵槽處加裝定位鍵，利用 2 個螺栓將其分別固定在游動輪轂和軸瓦上，如圖 4 所示。定位鍵可承受軸瓦與游動輪轂之間的切向力，防止螺栓因受剪切力而被剪斷。

圖4 加裝定位鍵Fig.4 Addition of positioning key

(1)設計時，以鍵槽中心線N-N為基礎線進行尺寸標注，鍵槽與定位鍵之間采用過盈配合，游動輪轂和軸瓦上的軸瓦連接螺栓孔使用鉆模加工，這樣可避免軸瓦連接螺栓孔、注油孔出現過約束，確保定位鍵能正確定位。

(2)根據各規格天輪裝置的受力情況，以及游動輪、軸瓦結構尺寸，合理確定定位鍵的尺寸及安裝螺栓的規格，結果如表 1 所列。

表1 定位鍵的尺寸及螺栓規格Tab.1 Size of positioning key and bolt

3.2 應用鋅基合金軸瓦

(1)鋅基合金 (ZA-27)的強度和硬度高，對潤滑脂的親和力強，自潤滑性能好，抗黏著性強，減摩耐磨性能突出，具有較高的阻尼特性以及減振、抗噪強等特點。

(2)鋅基合金的摩擦因數低，使用該材料的軸瓦磨損小，使用壽命長，在同等使用條件下，其使用壽命是銅合金軸瓦壽命的 2 倍以上。

鋅基合金與銅合金 (ZCuZn38Mn2Pb2)的物理特性的對比如表 2 所列。由表 2 可知，鋅基合金性能優于銅合金。采用鋅基合金軸瓦能滿足提升機天輪裝置的使用要求，可完全替代銅合金軸瓦。

表2 鋅基合金與銅合金的物理特性對比Tab.2 Contrast between zinc-matrixed alloy and copper alloy in physical properties

3.3 改善天輪裝置結構

(1)增大螺栓規格或增加螺栓數量，降低軸瓦固定螺栓斷裂的概率。

(2)將固定輪與天輪軸的公差配合由 H8/js6 調整為 H7/n6，以提高裝配的配合精度，避免運行時出現異響。

(3)改進兩半式軸瓦的加工工藝，由單獨加工改為整體加工后剖分，使同一游動輪的軸瓦內徑和外徑尺寸一致，保證受力均衡。

(4)取消兩半式軸瓦之間的 3 mm 間隙，改善軸瓦圓周的相對運動，減小螺栓所受剪切力。

(5)改進卡箍結構，確保連接螺栓能夠被卡箍全部或局部遮擋，避免螺栓因露出而被卡箍切斷。

(6)改進軸瓦潤滑油槽結構，加大油槽深度，以改善潤滑狀態。

(7)增加軸瓦上沉孔的剩余厚度，以增加強度。

(8)要求裝配時擰緊軸瓦連接螺栓，并且涂抹樂泰防松膠，消除松動隱患。

(9)增加天輪裝置輻條數量或加大輻條規格，提高天輪裝置的整體剛度和強度，從而提高其承載能力。

(10)增加清洗軸瓦的放油口，以便在必要時利用稀油對銅瓦進行清理，恢復其正常工作狀態。

3.4 其他措施

(1)安裝時，確保天輪中線、罐道中心線、提升機中心線對正，防止鋼絲繩發生偏斜。

(2)運行時，經常檢查各鋼絲繩的張力狀態，并及時調整保證張力平衡，避免天輪裝置出現故障。

(3)使用中，經常檢查天輪的潤滑狀況，按要求加油或清洗潤滑管路，確保天輪裝置處于良好的潤滑狀態。

4 結語

通過對天輪裝置異響形成的原因進行分析，提出了異響問題的解決方案。方案已廣泛用于多種規格的天輪裝置，效果很好，異響問題基本解決。這些解決方案對于舊結構天輪裝置的升級改造及返廠維修具有一定的指導意義。