深豎井大噸位提升機高比壓高摩擦因數襯墊的研制

趙光輝，劉同欣，杜 波

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

礦 井提升機是礦山重要的“咽喉”設備，承擔著礦物的提升、人員的上下、材料和設備的運送任務[1]。多繩摩擦式提升機利用鋼絲繩與襯墊之間的摩擦力來傳遞動力，襯墊摩擦性能的優劣，直接關系到提升機的提升能力、工作效率和安全可靠性[2]。

國內摩擦襯墊的材質經歷了聚氯乙烯[3](PVC)—聚氨酯[4](CPUR)—新型復合材料[5]的發展歷程，摩擦因數的設計值從最初的 0.20 提高到現在的 0.25。目前，國內使用較多的摩擦襯墊有：德國原裝進口的 K25，利用進口材料在國內壓制的 K25SC、GDM326，這幾種材質的摩擦襯墊均能滿足現有礦井提升機的選型要求。近年來，向地球更深處尋找礦物資源已成為國家發展的重要戰略，研發深豎井、大噸位礦井提升裝備成為行業發展的趨勢，開發能滿足此類提升裝備選型所需的高比壓、高摩擦因數襯墊迫在眉睫。

1 襯墊研制的必要性

摩擦襯墊必須有足夠的抗壓強度，以承擔兩側提升鋼絲繩運行時產生的各種動載荷和沖擊載荷。同時，摩擦襯墊與鋼絲繩之間必須具有足夠的摩擦因數，以滿足設計生產能力，并防止提升過程中的滑動。比壓和摩擦因數是衡量摩擦襯墊性能的 2 個主要參數。

摩擦襯墊的比壓

式中：Tjs為重載側鋼絲繩的靜張力，kN；Tjx為輕載側鋼絲繩的靜張力，kN；D為摩擦輪直徑，mm；d為鋼絲繩直徑，mm。

摩擦襯墊的摩擦因數

式中：α為圍抱角，常取 180°～195°。

以國家重點研發計劃《深豎井大噸位高速提升裝備與控制關鍵技術》課題任務書中參數為依據：提升深度為 2 000 m；提升速度大于 18 m/s；有效載荷大于50 t。基于這些參數，摩擦輪直徑取 6 500 mm，鋼絲繩直徑取 64 mm。利用式 (1) 計算可得P=2.17 MPa。

然而，現有襯墊比壓在工程應用中被限定為 2.0 MPa，要滿足此要求，不得不加大摩擦輪直徑或鋼絲繩直徑，或增加鋼絲繩繩數[6]，導致設備過于龐大。因此，研制深豎井大噸位礦井提升機用比壓為 2.5 MPa、摩擦因數為 0.28 的高比壓、高摩擦因數襯墊，對于深部建井和提升是十分必要的。

一方面，增大襯墊比壓可降低設備選型規格。以JKM-4×6 提升機為例，最大靜張力為 1 200 kN，最大靜張力差為 340 kN，鋼絲繩最大直徑為 44 mm，比壓計算值為 1.95 MPa。如果將比壓許用值從 2 MPa 提高至 2.5 MPa，在采用更高強度鋼絲繩且不降低鋼絲繩安全系數及繩徑比的前提下，可以采用更小規格的JKM-3.5×4 提升機，計算比壓提高至 2.23 MPa。另一方面，增大襯墊摩擦因數可提高一次有效提升量。以 JKM-4.5×4 提升機為例，最大靜張力為 980 kN，最大靜張力差為 340 kN，假定鋼絲繩圍抱角為 185°，在其他條件不變的情況下，摩擦因數由 0.25 提高至0.28，則最大靜張力差提高約 17%，可顯著提高設備一次提升量，從而提高產量。

2 高比壓、高摩擦因數襯墊研制

2.1 工況分析

從摩擦學原理來講，摩擦襯墊與鋼絲繩之間能產生犁切分量和粘著分量，犁切分量主要與材料的表面粗糙度及物理機械性能有關。工作中摩擦襯墊和鋼絲繩表面狀態是動態變化的，表面粗糙度存在難以控制的因素，犁切分量的影響存在不可預知性和不確定性，因此有效地提高粘著分量是提高襯墊摩擦性能的可靠保證。

根據粘著摩擦理論，摩擦副表面的接觸主要發生在微凸體的頂端，在法向力的作用下形成接點，切向力的作用使接點長大和滑脫。在金屬配對副中，接點是具有“冷焊”性質的高強度接點，接點的化學粘接是形成接點的主要機理。按照化學粘接的假設，提高正壓力會增大接觸面積，提高摩擦力；提高溫度有利于提高分子的密切接觸，提高粘接強度；添加少量強基性基團，可提高粘接強度。

2.2 襯墊參數設計

2.2.1 襯墊比壓

襯墊的比壓分為測試值、許用值和設計值，且測試值的 70% 為許用值，許用值的 70% 為設計值，該現象是鋼絲繩的特殊表面結構造成的。當襯墊比壓的設計值為 2.5 MPa 時，許用值應為 5.1 MPa，測試值應為 7.2 MPa。

2.2.2 襯墊摩擦因數

襯墊摩擦因數也分為測試值、許用值和設計值。摩擦襯墊測試值為在專用試驗機上進行連續測試，取值是所有測試數據的平均值。許用值由測試值經過計算得出，考慮因素包括最大值、最小值、數據出現的概率等。數據離散度越大，許用值下降幅度越大，一般比測試值低 10%～ 15%。設計值是設備設計采用的摩擦因數值。摩擦因數與材料的組織結構有關，也就是說材料確定，摩擦因數即確定。現代摩擦因數理論認為：一種材料的摩擦因數不是固定不變的，在正常使用情況下，它隨著使用工況的變化而變化，工況突變，變化較大，波動范圍在±10%。

當摩擦因數設計值取 0.28 時，許用值約為 0.33，考慮到材料系數波動，測試值必須大于 0.36。

2.3 襯墊研制

襯墊材料主要成分包括基體材料、添加劑和填充劑。基體材料選用粉末丁腈橡膠和酚醛樹脂；添加劑選用不溶性硫磺和 DTDM；填充劑包括氣相白炭黑、氧化鋁和硫酸鈣晶須等。

襯墊研制的過程：①按照密煉、開煉、破碎、壓制的工藝進行產品的試制；② 通過硬度測試，密度測試，拉伸、彎曲、壓縮性能測試，疲勞彎曲性能測試，摩擦磨損性能測試，摩擦因數及磨損率測試，優化試驗配方及試制工藝；③重復以上步驟進行反復試驗，最終得到滿足性能需求的摩擦襯墊。

最終得到的襯墊摩擦因數測試結果如圖 1 所示。干凈狀態下，最大摩擦因數為 0.680，最小摩擦因數為 0.499，平均摩擦因數為 0.547；淋水狀態下，最大摩擦因數為 0.726，最小摩擦因數為 0.588，平均摩擦因數為 0.649；涂脂狀態下，最大摩擦因數為 0.455，最小摩擦因數為 0.373，平均摩擦因數為 0.404。可見，新襯墊的摩擦因數滿足測試值必須大于 0.36 的要求。

圖1 3 種狀態下襯墊摩擦因數測試結果Fig.1 Test results of friction coefficient of liner in three modes

2.4 襯墊穩定性試驗

單憑一次試驗遠遠不夠，可能會因偶然因素導致試驗結果偏高或偏低。在一定時間內進行了多次試驗，試驗狀態為涂增摩脂，試驗結果如圖 2 所示。

圖2 涂脂狀態下襯墊穩定性試驗結果Fig.2 Test results of liner stability in greasing mode

由圖 2 可以看出，在涂脂狀態下，襯墊摩擦性能較好且穩定，平均摩擦因數為 0.45，滿足測試值必須大于 0.36 的要求。

2.5 襯墊比壓試驗

制成 3 塊試樣，編號為 1～ 3 號。在相同試驗條件下，對摩擦襯墊施加一定的壓力，設定試驗結束條件為壓縮變形 5 mm。試驗結束后計算比壓值，結果如表 1 所列。由表 1 可知，平均比壓為 8.8 MPa，滿足測試值必須大于 7.2 MPa 的要求。

表1 襯墊比壓的試驗結果Tab.1 Test results of specific pressure of liner

2.6 襯墊抗比壓能力試驗

將新襯墊與 K25、K25SC 一起，分別進行 5、6、7、8、9、10、11 和 12 MPa 條件下抗比壓能力試驗，以驗證新襯墊的抗比壓能力。根據實際情況可調整壓力工況，調整到 K25、K25SC 不能承受的比壓為宜。試驗結果如表 2 所列。

表2 襯墊抗比壓能力試驗結果Tab.2 Test results of specific pressure resistant capacity of liner

由表 2 可以看出，與 K25、K25CS 相比，新襯墊在不同壓力下的變形較小；在 K25、K25CS 開裂的情況下，新襯墊依然具有較好的抗比壓能力。可見新襯墊適用于超深井、高比壓工況。

2.7 硬度的溫度特性試驗

為考察溫度對襯墊性能的影響，在不同溫度下對新襯墊和 K25、K25SC 的硬度進行了測試，將測試數據繪制成襯墊溫度特性曲線，如圖 3 所示。需要說明的是，硬度值為多點平均值。

由圖 3 可以看出，新襯墊的硬度比 K25 和 K25SC高；硬度隨溫度的變化趨勢與 K25 和 K25SC 相似；新襯墊的耐高溫性能較好。

2.8 壓力特性試驗

圖3 襯墊溫度特性試驗結果Fig.3 Test results of temperature characteristics of liner

為考察新襯墊的摩擦性能隨壓力變化的情況，測試了新襯墊的壓力特性，試驗條件為表面干凈狀態，結果如表 3 所列。從表 3 可以看出，不同壓力下，新襯墊完全滿足摩擦因數測試值大于 0.36 的要求；試驗結果和摩擦理論中壓力增加摩擦因數降低的規律相吻合。

表3 襯墊壓力特性試驗結果Tab.3 Test results of pressure characteristics of liner

2.9 磨損試驗

為考察新襯墊的耐磨性能，進行了磨損試驗。將新襯墊與 K25、K25SC 試樣在相同條件下進行試驗。試驗條件為：室溫為 24 ℃，壓力為 2.5 MPa，滑速為8 mm/s，繩徑為 28 mm，滑動距離為 5 m，表面狀態為干凈。試驗結果如表 4 所列。

表4 襯墊磨損試驗結果Tab.4 Test results of wearing of liner

從表 4 可以看出，同等條件下，新襯墊具有較好的耐磨性能。

3 第三方驗證

委托黎明化工院新材料檢測中心對襯墊比壓進行檢測。對襯墊施加一定的壓力，設定結束條件為壓縮變形 5 mm，試驗結束后計算比壓值。經檢測，比壓值達到 9.8 MPa，滿足測試值大于 7.2 MPa 的要求。

委托國家礦山機械質量監督檢驗中心對襯墊摩擦因數進行檢測，試驗條件如下。

(1) 襯墊及鋼絲繩表面狀態為涂增摩脂，增摩脂為摩擦提升專用愛麗絲 400 型鋼絲繩脂；

(2) 襯墊壓力為 2.5 MPa；

(3) 襯墊相對于鋼絲繩的滑動速度為 1 m/s；

(4) 試驗時的環境溫度為 24 ℃。

試驗結果如圖 4 所示。經檢測，襯墊最大摩擦因數為 0.453，最小摩擦因數為 0.370，平均摩擦因數為 0.411，許用摩擦因數為 0.381，滿足測試值大于0.36 的要求。

圖4 襯墊摩擦因數檢測結果Fig.4 Test results of friction coefficient of liner

4 結語

研制了一種深豎井、大噸位礦井提升機用比壓為2.5 MPa、摩擦因數為 0.28 的摩擦襯墊，通過對襯墊進行第三方驗證，摩擦因數達到 0.381，比壓值達到 9.8 MPa，滿足該類礦井提升機對襯墊高比壓、高摩擦因數的要求。