多繩摩擦輪提升機失效情況分析及發展展望

許未明

（山西潞安集團余吾煤業責任有限公司， 山西 長治 046100）

引言

提升機作為礦山機電的重要組成設備，直接影響到礦井的安全生產作業。多繩摩擦輪提升機由于其獨特的優勢被用于國內煤礦及非煤礦山立井的提升工作中，300～1 400 m 的礦井更是多采用該種提升設備。多繩摩擦輪提升機通過利用鋼絲繩與摩擦輪之間的摩擦力完成升降作業，但從實際生產情況來看，由于使用不當造成摩擦傳動失效，從而發生鋼絲繩打滑的情況屢見不鮮。

1 摩擦輪失效情況分析

目前，多繩摩擦輪提升機發生事故的主要原因是由鋼絲繩打滑引起的，因此對礦井提升機防滑的研究工作備受行業關注。提升機處于作業中時，當鋼絲繩與主導輪間的摩擦力與主導輪兩邊鋼絲繩的張力差大于Fmax時，鋼絲繩動力無法被及時傳輸，從而發生打滑。在此過程當中，也可以將鋼絲繩與摩擦輪看作為一體發生了相對滑動，現就三種摩擦輪傳動打滑失效的情況加以分析[1]。

1.1 彈性滑動

彈性滑動是指摩擦輪受壓，造成材料的形變從而在兩輪接觸區壓出小部分的平面區域。當提升機啟動時，平面區域在摩擦輪動力傳遞時會受到摩擦力影響，從而造成主導輪表面的磨損，由壓縮狀態逐漸變為拉伸；反之，次動輪平面上對應區域則由拉伸狀態變為壓縮。因此在兩摩擦輪表面處會受切向力的影響產生不同程度的彈性變形，繼而彼此相對滑動。由于彈性滑動的影響，會造成提升機在提升工作時速度減緩和功率損失。

1.2 幾何滑動

摩擦輪在傳動時，其與鋼絲繩所接觸面上各位置有不同情況的速度差，從而在兩輪間造成相對滑動，這種由于幾何關系造成的滑動現象稱為幾何滑動。可以看出，傳動裝置本身的結構是造成提升機幾何滑動的根本原因，不僅會造成傳動比精確度的降低，還會加劇輪面磨損程度，降低工作效率。

1.3 打滑

如圖1 所示，對提升機三種工況條件下，鋼絲繩打滑的特性進行效果展示，分別為提升重載緊急制動工況、空運行緊急制動工況和下放重載緊急制動[2]。

打滑不僅會造成摩擦輪表面的磨損加劇導致使用壽命的縮短，在打滑發生瞬間，還會由于慣性力的影響引發生產安全事故。

1.4 制動失效

制動失效（跑車）是所有提升機普遍存在的失效形式之一，相較于打滑會產生更加嚴重的后果。提升機的機械制動過程是由摩擦產生的機械能克服系統動能和勢能的過程。由于此過程也是通過摩擦實現，因此，摩擦失效的情況同樣無法避免[3]。當制動器被頻繁使用時，所產生的高溫高壓會降低摩擦輪制動盤和制動器襯墊間的摩擦系數，當摩擦力矩不足以克服靜力矩時，便會引起制動失效。

2 國內外礦井的主要提升設備

摩擦式提升機主要有塔式提升機與落地式提升機兩種布置形式。國內提升機主要是根據國家標準GB/T 20961《單繩纏繞式礦井提升機》和GB/T 10599《多繩摩擦式礦井提升機》生產制造[4]，此標準中對落地式摩擦輪提升機和塔式摩擦輪提升機的最大規格有明確規定，分別為JKM6×4 和JKM5×6；拖動方式有直連或減速器兩種選擇，塔式提升方面沒有8 繩提升機，落地式提升方面沒有2 繩及6 繩提升機，目前國內提升機設備生產商主要包括中信重工機械股份有限公司、錦州礦山機器（集團）有限公司、四川礦山機器（集團）有限責任公司等；而在國際方面，德國西馬格、瑞典ABB 公司與加拿大（INCO）公司已可制造8 繩摩擦輪提升機，電動機最大功率可達11 000 kW，由此可見，在提升機的設計和制造方面國內外還存在一定的差距。

圖1 摩擦提升滑動示意圖

圖2 兩種摩擦式提升機布置示意圖

余吾煤業主井布置兩套西馬格公司生產的四繩落地式摩擦輪提升機，主井裝載站可實現定容、定時、定量裝載，在卸載站對應每個箕斗都安裝有一套紅外線卸空監控保護裝置，液壓站可實現恒減速轉恒力矩，摩擦輪襯墊為進口K25 襯墊，鋼絲繩選用德國WDI 公司生產的鋼絲繩，南進風立井副井布置一套西馬格公司生產的四繩落地式摩擦輪提升機，上下井口各安裝一套德國西馬格鎖罐搖臺，液壓站選用西馬格公司生產的現階段國際最先進的雙恒減速液壓站，摩擦輪襯墊及鋼絲繩配置與主井相同，中央區副立井布置兩套瑞典ABB 公司生產的四繩落地式摩擦輪提升機，液壓站可實現恒減速轉恒力矩，摩擦輪襯墊為進口K25 襯墊，鋼絲繩選用南非哈吉公司生產的鋼絲繩，以上提升機控制系統均可實現電氣制動，這些關鍵設備、設施選擇有效抑制余吾煤業提升設備的滑繩及制動失效事故的發生，保證礦井提升設備安全穩定運行。

3 礦井提升設備未來發展方向

3.1 提升機液壓制動系統的發展方向

液壓制動系統是提升機提升工作時的一道重要防線，主要由液壓站、彈簧制動器、閘架、管道及連接件組成，分為恒力矩、恒減速和多通道恒減速三種制動系統。近年來由于制動系統的故障已引起多起機電事故的發生，包括過卷、跑車等事故類型。

余吾煤業公司是一座集煤炭開采、洗選加工為一體的特大型礦井，礦井核定產能750 t/年。副立井布置兩套提升容器，一套為雙層四車寬罐和雙層四車窄罐；一套為帶平衡錘可下長材的乘人交通罐。為了預防提升工作完畢時液壓站可能發生的故障而引起的制動失效，故在設計中選用了單泵雙站恒減速液壓站。正常提升時，分別在兩套液壓站設置獨立的進回油管道同時工作，各負責一半的制動器。這樣可以有效降低提升結束時發生跑車事故的概率。

綜上認為，高效可靠的恒減速、多通道、振動沖擊限制技術將成為未來提升機液壓制動系統發展的主要方向，并結合科技智能化控制用以彌補電氣控制的缺陷，在提升結束時可以實現智能停車制動，防止事故擴大。

3.2 副井罐籠的操車及鎖罐設備的發展方向

副井提升承擔上下材料、設備、乘人等工作，大型設備的運輸直接影響礦井的安全。根據實際情況發現，罐籠鎖緊裝置在大型設備裝卸時需反向開車，在其傳感器失靈時易發生卡罐事故。建議在副立井鎖罐設備中積極推廣并不斷完善自適應穩罐搖臺裝置，通過初始托罐力不僅可以對鋼絲繩變型拉力起到緩沖保護作用；其次，罐籠可以使托爪向下翻轉，當罐籠高速下落時避免卡罐事故。同時建議在副井軌道運輸的操車中推廣使用銷齒操車裝置，優化系統配置，有效控制罐籠尺寸。

3.3 過卷緩沖裝置的發展方向

傳統的過卷緩沖裝置由于被長時間閑置，當提升容器出現過卷時其摩擦片已經銹死，難以起到安全防護作用。目前在國內積極推廣的HGJ－D 和HGF－D 型過卷緩沖裝置，可以有效利用鋼帶式材質不易生銹、塑性變形并有效吸能緩沖的特點防止過卷。當提升容器過卷時推動橫梁，連帶滑柱運動，壓輥受曲軌影響出現水平位移，鋼帶受迫吸能緩沖，發生“S”變形。隨著鋼帶式過卷緩沖裝置的不斷完善，已在國內創造過多起成功防過卷案例。

3.4 鋼絲繩無損檢測技術的發展方向

基于鋼絲繩漏磁感應強度與鋼絲繩表面距離呈指數性衰減的原理，剩磁與弱磁技術現已發展為鋼絲繩無損檢測的兩大核心技術，但從實際情況來看，由弱磁技術生產出來的無損檢測設備在國內的使用情況并不好，由于其準確性較差、實用性不強，大部分被礦山買回做閑置處理。

基于強磁原理，近年來俄羅斯INTROS 磁性鋼索測試儀被國內架空索道行業的鋼絲繩檢測引進，繼而推廣于礦井提升鋼絲繩的無損檢測。由于其具有較好的重復性和準確性，成功為礦井鋼絲繩的更換和報廢提出了指導意見，將是未來鋼絲繩無損檢測技術的發展和推廣方向。

4 結語

礦井提升機是礦山機電中的關鍵設備之一，熟悉并掌握提升機失效及原因及防治措施，對于保障提升機長期安全高效的工作有非常重要的意義。通過對國內外礦井提升機摩擦輪失效的情況進行分析，并結合余吾煤業落地式摩擦輪提升機的使用情況，為多繩摩擦式提升機系統的優化提供建議并對未來關鍵技術的發展方向提出了展望。