智能換繩裝置及關鍵技術應用

王輝,操禮發,王全效,方祝友

(淮河能源集團安裝工程分公司， 安徽 淮南 232001)

0 引言

自1877年法國人戈培發明摩擦提升機之后，摩擦提升方式已經成為我國立井提升的主要提升方式。《煤礦安全規程》第四百一十二條規定，“摩擦式提升鋼絲繩的使用期限應不超過2年”，“如果鋼絲繩的斷絲、直徑縮小和銹蝕程度不超過規程第四百一十五條的規定，可繼續使用，但不超過1年”[1]。在更換過程中，如果設備選用不當或操作錯誤，將會造成鋼絲繩扭勁、擰死彎、新鋼絲繩與舊鋼絲繩、新鋼絲繩與新鋼絲繩扭在一起，導致新繩受損。這將嚴重影響換繩質量，甚至可能導致鋼絲繩打滑、斷裂，造成墜罐等惡性事故。因此，換首繩工作是一項操作難度大、技術性強、危險性高的機電安裝工程，特別是隨著立井向大提升量、超深井方向的發展，首繩的繩徑越來越粗，單繩重量越來越重，使得這項工作變得更加困難。因此使用合適的裝備和先進的技術就顯得非常重要。

1 首繩更換現狀

目前國內首繩更換技術主要有以提升絞車為動力的人工換繩、穩車換繩和專用換繩設備換繩3種換繩技術。第一種以提升絞車為動力的換繩技術又分為舊繩帶新繩和新舊交替互換兩種技術，這兩種技術均需要通過長板卡固定井筒段的新舊首繩，人工操作量大，井筒作業多，施工時間長。第二種穩車換繩是一種傳統的換繩方式，存在以下主要問題:一是換繩時每臺穩車只能操作一根首繩，穩車纏繩和取繩速度很慢，換繩工作量大，施工時間較長；二是鋼絲繩在井筒內沒有導向，井筒內存在纏繩的風險；三是當單根繩重超過10 t后，需要的穩車噸位變大，特別是向下放繩時，穩車的剎車容易發熱，有溜繩的風險。第三種專用換繩設備換繩是近幾年發展起來的最新方法，其目的是提高換繩的自動化程度，減輕工人的勞動強度。國內外能夠進行工業應用的設備主要有德國西瑪格公司研制的移動式摩擦絞車、太原市博世通機電液工程有限公司的BHS型[2]多繩摩擦提升首繩快速更換裝置、九益科技公司研制的HSC換繩裝備及淮河能源集團與工大三森合作研制的YHC型換繩裝備。上述裝備在設計制作時專門針對換繩工作，具有良好的適用性，工作能力強。國內的專用設備在2017年以前因配套的換繩工藝技術不成熟，設備功能無法充分發揮，從而導致換繩效率無法提高。

2012年淮河能源集團安裝工程分公司首次采用與工大三森合作研發的智能換繩裝置在朱集東礦主井進行換繩，應用效果較好，省去了拆裝板卡工序，但當時的換繩技術依然復雜，采用的是一次更換兩根首繩，且收繩與放繩同步，該技術翻繩、井口卡繩等工序繁瑣，直到2017年，探索研究結合人工“新舊交替[3]，兩兩換繩”技術原理，將人工兩兩換繩技術引入智能換繩裝置中，形成了“新舊交替，智能換繩”的關鍵技術。智能換繩裝置采用歐拉公式展開的直線摩擦傳動原理和超靜定連續夾持收放繩技術，簡化以往繁瑣的翻繩工序，省去了卡繩、棚罐、拆裝繩卡等工序，技術先進，換繩時間縮減50%以上，實現了換繩連續化、不損傷新繩。下文將結合工程實踐對智能換繩裝置及關鍵技術進行詳細介紹。

2 智能換繩裝置

2.1 智能換繩裝置構成

智能換繩裝置主要由底盤及車體、兩組收放繩單元體、液壓系統、電控系統、安全保護系統和輔助系統組成，如圖1、圖2所示。

圖1 智能換繩裝置外形

圖2 智能換繩裝置機構

2.2 智能換繩裝置收放繩單元體

收放繩單元體是收放繩部分的主體，也是裝置的核心技術，每個單元體通過鋼絲繩夾持系統完成收、放繩動作。單元體是核心部件，是收、放繩的動力單元。每個單元體由2個液壓馬達主鏈輪、2個從動鏈輪、2條無極傳動鏈條構成。在一套鏈傳動中，傳動鏈條上有多組超靜定夾持體。夾持體通過外施力元件產生對被收、放鋼絲繩的夾持力，由夾持體與鋼絲繩間產生的摩擦力實現收、放鋼絲繩的收、放力。每一個單元體由2個液壓馬達、2個鏈輪及多排鏈夾持的兩套鏈傳動;固定施力導向軌梁；移動施力導向軌梁;施力油缸；固定導向軌梁、移動導向軌梁的機械鎖定機構;傳動鏈張緊機構;檢測傳感器及輔助部分等組成。收放繩單元體如圖3所示。

圖3 智能換繩裝置收放繩單元體

2.3 智能換繩裝置工作原理

以履帶式行走車體作為移動的載體，其行走動力來源液壓系統，行走速度約1 km/h，采用履帶行走優點是在井口調整，就位方便、抓地力大。智能換繩裝置操作分為調試狀態、工作狀態、檢修狀態。在調試狀態，系統以液壓系統為動力，實現地面位置調整。隨后，對生根支腿、無極鏈張緊、夾持力生成各狀態進行調試。車體及輔助功能調試完畢后，智能換繩裝置進行工作狀態調試。以液壓系統為動力源，在液壓系統壓力下，對兩個單元體工作進行試運轉。單元體是對更換鋼絲繩產生收、放力的單元。每個單元體在兩個低轉速、大扭矩馬達的驅動下，依靠無極多排鏈實現連續的收、放繩動作。無極多排鏈上設有超靜定夾持體，在夾持體夾持力作用下對收放鋼絲繩有足夠的收、放力，從而滿足收、放繩工作。同時，單元體馬達的運轉速度可與絞車速度(絞車速度小于0.5 m/s)配合。在換繩工作中，如果出現收、放繩與鏈條速度差超限，在聲、光報警的同時，系統參與制動確保換繩過程安全。

3 首繩更換

3.1 謝橋礦二主井主要技術參數

淮河能源集團謝橋煤礦二主井東車提升系統簡介：系統為JKMD-5x4 Z提升機，采用落地式四繩摩擦式提升，首繩型號為6×36WS-1860直徑φ56 mm，單重11.3 kg/m，尾繩(兩根)型號P8×4×19-216×34，單重22.52 kg/m，提升高度942 m，絞車最大靜張力差35 t，最大靜張力140 t，雙箕斗提升，每臺箕斗自重52.6 t。

3.2 首繩更換技術總方案

謝橋礦二主井“新舊交替，智能換繩”總體方案采用智能換繩裝置先收兩根舊繩，將兩根新繩穿過換繩車與天輪段兩根舊繩連接，利用兩根舊繩配合將新繩翻繩到位連接首繩懸掛，再利用智能換繩裝置下放兩根新繩將兩根新繩下放到位，做好另一側新繩首繩懸掛，完成兩根新繩更換工作，重復以上步驟，完成剩余2根新繩更換工作。

3.3 首繩更換新技術施工步驟

謝橋礦二主井首繩更換新技術施工步驟如下(以更換1#、4#首繩為例說明)：換繩準備→斷主勾側舊繩→收舊繩→翻新繩→反動車→做副勾新繩頭→放新繩→做主勾新繩頭→更換2#、3#繩→調繩[4]。

3.3.1 換繩準備

利用手持式無線遙控器將履帶式智能換繩裝置開至井口，隨車導向輪展開對應主繩，在智能換繩裝置后方布置好2臺收繩絞車、2臺放繩絞車。調試智能換繩裝置、收(放)繩絞車確保系統可靠。

3.3.2 斷主勾側1#、4#舊繩

1) 連接引繩[5]。如圖4所示連接引繩。首繩懸掛調壓完成后，開動絞車，將主勾下放至井口以下20 m，將兩根φ55 mm的引繩穿過智能換繩裝置的2個單元體，并引至井口，將引繩翻過導向輪后，利用7副鋼絲繩卡(如圖5所示)，將引繩與1#、4#舊繩卡接牢固可靠。開動絞車上提主勾，同時開動智能換繩裝置放引繩，將引繩上帶至井口以上20 m處停車。

1-絞車滾筒;2-上天輪;3-下天輪;4-主繩;5-主繩懸掛;6-副勾;7-尾繩;8-主勾;9-調繩機;10-智能換繩裝置;11-收繩絞車;12-放繩絞車;13-引繩。圖4 連接引繩工序示意圖

圖5 連接引繩實景圖

2) 斷主勾側舊繩。智能換繩裝置以設定張力收緊引繩，副勾側利用井架上調繩機卡住舊繩。將1#、4#懸掛留住，泄壓松繩后開斷1#、4#舊繩。

3.3.3 收舊繩(關鍵工序)

收舊繩工序的實景圖如圖6所示。智能換繩裝置調整系統壓力18 MPa，夾持力12 MPa，絞車速度控制在0.3～0.4 m/s，持續收緊引繩，引繩帶勁后，開動絞車下放主勾同步收引繩，同步盤舊繩，將引繩與舊繩的連接鋼絲繩卡引至導向輪組處，停車。此時利用調繩機卡1#、4#繩，退出引繩并對號穿入舊繩后收緊，退出調繩機。隨后繼續開動絞車、智能換繩裝置、收繩絞車同步配合配合收舊繩，直至副勾到達井口合適位置，如圖7所示。當收舊繩時，在線監測系統監測到懸掛松弛時及時報警，并停車處理。

(a)

1-絞車滾筒;2-上天輪;3-下天輪;4-主繩;5-主繩懸掛;6-副勾;7-尾繩;8-主勾;9-調繩機;10-智能換繩裝置;11-收繩絞車;12-放繩絞車。圖7 收舊繩工序示意圖

3.3.4 翻新繩(關鍵工序)

翻新繩的結構示意圖如圖8所示。翻繩是把新繩利用天輪及滾筒段的舊繩翻過滾筒及天輪。從井口主勾側智能換繩裝置前端、副勾側懸掛上方分別斷開1#、4#舊繩，退出智能換繩裝置內舊繩并穿入新繩，將新繩與舊繩連接利用舊繩帶新繩進行翻繩到位。

放新繩的同時收繩絞車做好配合，收舊繩，將新繩翻過下天輪、滾筒、上天輪至副勾側井口。

3.3.5 反動車

反動車的結構示意圖如圖9所示。絞車房設置吊點將1#、4#新繩脫離滾筒，上下天輪平臺將對應的1#、4#天輪繩槽鎖在天輪梁上。開動絞車將副勾主繩懸掛上提至井口合適位置停車。

1-絞車滾筒;2-上天輪;3-下天輪;4-主繩;5-主繩懸掛;6-副勾;7-尾繩;8-主勾;9-調繩機;10-智能換繩裝置;11-收繩絞車;12-放繩絞車;13-收繩絞車;14-1#、4#舊繩。圖8 翻新繩工序示意圖

1-絞車滾筒;2-上天輪;3-下天輪;4-主繩;5-主繩懸掛;6-副勾;7-尾繩;8-主勾;9-調繩機;10-智能換繩裝置;11-收繩絞車;12-放繩絞車;13-收繩絞車;14-1#、4#新繩。圖9 反動車工序示意圖

3.3.6 做副勾新繩頭

解除絞車房滾筒上的反留繩，解除天輪平臺上的反留繩槽用手拉葫蘆，利用井口慢絞或吊車等配合更換1#、4#懸掛，并將新繩依次穿入新懸掛。將1#、4#懸掛打壓油缸伸出200 mm，再將1#、4#油缸閥門關閉。開動智能換繩裝置將1#、4#新繩收緊，收緊至井架、車房之間的新舊繩弧垂相同。

3.3.7 放新繩(關鍵工序)

放新繩的結構示意圖如圖10所示。通過智能換繩裝置上的電腦觸摸屏調定好系統壓力5 MPa，夾持力12 MPa,備壓5 MPa，絞車速度控制在0.25 m/s，啟動智能換繩裝置進入放新繩狀態，開動絞車下放副勾，智能換繩裝置隨動，定阻力放新繩，每隔300 m下放，調繩機上提一次張緊新繩。直到主勾到達井口合適位置停車，此時從天輪平臺及絞車滾筒處收緊新繩，保留做新繩頭的長度后將新繩截斷。當放新繩時，在線監測系統監測到懸掛松弛時及時報警，并停車處理。

1-絞車滾筒;2-上天輪;3-下天輪;4-主繩;5-主繩懸掛;6-副勾;7-尾繩;8-主勾;9-調繩機;10-智能換繩裝置;11-收繩絞車;12-放繩絞車。圖10 放新繩工序示意圖

3.3.8 做主勾新繩頭

利用井口慢絞或吊車等配合更換1#、4#懸掛，并將新繩依次穿入新懸掛。將1#、4#懸掛打壓至新主繩張緊即可。

3.3.9 更換2#、3#繩

當主勾1#、4#新繩頭做好后，打開1#、2#、3#、4#懸掛截止閥平壓，然后對4個油缸打壓，直到2#、3#懸掛有一個打到底即可，關閉1#、4#油缸截止閥。在2#、3#舊繩開斷后，將1#、4#懸掛油缸調整至一半的位置，并連通1#、4#油缸，方可下放主勾箕斗。重復3.3.2～3.3.8步驟，完成2#、3#主繩的更換。

3.3.10 調繩

量取4根繩的調繩量分別為1#3.5 m，2#3.8 m，3#3.7 m，4#3.3 m，在副勾主繩上做好標記。調繩利用井架天輪平臺上的調繩機進行施工。將副勾提升至井口合適位置后，調繩機卡繩器卡設主勾主繩，利用副勾側調繩機將副勾上提至調繩位置，此時即可逐一開始調繩工作。將松弛后的主繩退出懸掛，重新收緊到達做好標記位置，逐一完成調繩工作。調繩完工后退出調繩機，從而進行試運行。

4 結論

本文詳細敘述了智能換繩裝置工作原理，結構及更換首繩的工序步驟，對其關鍵技術進行分析，具有重要的實際操作價值。通過現場實際操作，證明智能換繩裝置更換首繩新技術有以下優點：

1) 首繩無損夾持、連續收放、與絞車同步、可視操作、整體移動等功能，省去兩兩換繩中反復拆裝板卡工序，降低勞動強度的同時減少人員在井筒、井口作業時間，從而使換繩時間縮短至36 h以內(1 000 m深立井),換繩過程中始終能夠保持至少2根鋼絲繩不斷開，保持原有系統張力不變，極大提升系統安全性，所有操作均在井口完成。

2) 利用智能換繩裝置、調繩機配合進行首繩更換施工，簡化了收舊繩、放新繩的工序，優化了翻繩、收緊新繩的工序，極大提高了施工效率。使得換繩工作全部自動化，新舊首繩換繩不落地，人員只做新繩頭，危險作業全部由機械完成，施工逐步向機械化、智能化邁進。

3) 智能換繩裝置更換首繩技術減少了后期的調繩量，調繩量較以往的換繩技術6～10 m的調繩量降為0～4 m左右的調繩量，對于小繩經、淺井的提升系統，換繩后均無需調繩。

4) 智能換繩裝置具有換繩記憶功能，對每次的換繩數據進行存儲分析，通過大數據分析，優化換繩方案。

5) 本文所述謝橋礦為年初900萬t礦井，主井提煤量為3萬t/d，采用該智能換繩裝置及關鍵技術，每班施工人員由25人減少至現在的15人，工期由84 h減少至36 h，減少時間2 d，多提煤6萬t，產生間接經濟效益達千萬元，減人提效效果顯著。

6) 智能換繩裝置應用歐拉公式展開的直線摩擦傳動原理和超靜定連續夾持收放繩技術，通過多組無極承載單元輸送鋼絲繩，突破了大繩徑、多鋼絲繩、無損夾持、直線連續同步收放等技術難題，為國內深井(1 000 m以上)首繩更換提供解決方案。通過改變智能換繩裝置前端的導向輪組放繩方向，實現了在圓尾繩更換中的應用。

“新舊交替，智能換繩”是國內目前方案最為合理，施工安全效率最高的首繩快速更換技術，該技術的國內首次應用是在淮河能源集團朱集礦主井更換首繩，本文所述謝橋礦二主井首繩更換時間為36 h，且該技術使用的最快換繩時間為10 h。智能換繩裝置目前已經在淮河能源集團張集礦、朱集礦、謝橋礦、顧橋礦等多處大型礦井首繩更換中應用，效果良好，具有推廣價值。