礦井提升機中繩索結構研究

張 金，秦 龍，郭孟嘉

（鐵法能源公司大隆礦，遼寧 鐵嶺 112700）

引言

繩索應用于眾多不同的機器和機構中，實現了其不同的功能。例如，它們應用于水平和垂直運輸系統中的可變方向上傳遞軸向載荷。作為具有重要價值的構件移動軸向力，鋼絲繩被應用于建筑、垂直和水平運輸的采礦以及其他工業分支。繩索的一個主要優點是具有較高的耐久性和可靠性。第二個特征是，繩索具有平行的結構，如果一個或幾個結構部件（鋼絲）損壞時，不會影響整個系統運行。

1 礦井提升機中的繩索

礦井提升機被應用于垂直運輸中，其運輸深度是多樣化的，比如山東能源新礦集團孫村煤礦深度達到1 350 m。由于這個原因，豎井提升機的結構是多樣化的[1]。放置在標準礦井中如圖1 所示，現有的單獨繩索或繩索組可實現以下功能：

圖1 礦井提升機中的繩索

1）承載：移動來自懸掛質量的總軸向載荷：提升盤、懸掛、繩索、運輸采礦、物質或人。

2）平衡：用于平衡由于驅動輪兩側質量不平衡而產生的靜力矩。

3）牽引：主導礦井內盤子的自由遷移。

4）限制：限制礦井中盤子的橫向移動。

2 起重鋼絲繩

礦井提升機中的提升繩根據驅動裝置的類型以不同的布局工作，卷筒驅動裝置中：在交疊布置中工作的繩索；在帶有摩擦接觸的傳動裝置中布置為一根、兩根或四根繩索[2]。在多繩系統中，本質上是繩的工作方式相同。有必要在系統中使用相同數量的左右捻鋼絲繩，因為這樣可以最大限度地減少轉動提升盤的傾向。對于起重鋼絲繩，首先應列出重要的材料結構特征：生產鋼絲的線材的化學成分。抗拉強度是決定起重鋼絲繩基本功能特性的量，表示可接受的拉力，它取決于其化學成分。這些特征規定了線材的鋼含量（質量分數）在0.3%～0.9%范圍內，錳含量（質量分數）在0.3%～0.8%范圍內，以及高達0.2%的金屬（質量分數），例如：鉻、鎳、銅。硫和磷等元素的總含量（質量分數）不應超過0.05%[3]。

繩芯是圓形起重鋼絲繩結構的一個重要組成部分。它決定了鋼絲繩的適當形狀，而且它是整根鋼絲繩的絞合力矩軸。在起重繩索的主要目標中，關鍵核心在于：為繩股提供支撐，以便在運行時它們之間不會發生接觸，抵消相當大的徑向壓力，并盡量減少鋼絲繩截面直徑的變形，保護繩索內部免受腐蝕。目前，國內礦井提升機主要采用圓股或三角股單層鋼絲繩。它們的結構如圖2 和3 所示。

圖2 圓股鋼絲繩結構

圖3 三角股鋼絲繩結構

上圖所示的繩索是由一個圓形的股線組成的，這些股線由于纏繞在脊椎鋼絲上而上升到下一層鋼絲上。圖中股線中的鋼絲層之間，股線的最后一層和前一層鋼絲之間出現了點接觸。

三角股鋼絲繩，就是鋼絲繩之中的股繩橫斷面結構接近三角形，由三對圓鋼絲和三根填充鋼絲制成的三角股芯，三角股鋼絲繩的直徑取決于特定層中鋼絲的直徑和股中鋼絲的數量。而多層提升鋼絲繩（圖4）應用于深井，周圍股被擰在一起，這種結構的繩索具有很大的松脫性，鋼絲的抗拉強度在1 770～2 000 MPa 范圍內。在中間層和外層之間，它們有一個用劍麻纖維制成的油脂編結。

圖4 多層起重鋼絲繩結構

3 平衡繩

為了防止提升繩和驅動輪布置時出現未經檢查的滑動的可能性，也為了平衡由于驅動輪兩側質量不平衡而產生的靜力矩，礦井提升機采用了平衡繩。這些繩索應具有適當的質量，具有松散性、耐用性強，特別是耐腐蝕性環境的特點。為了盡量減少腐蝕的影響，圓繩的鋼絲都涂上了保護涂層。

在多層鋼絲繩中，股線的特定層和股線的各個層之間出現的鋼絲接觸是鋼平衡繩的另一個重要結構特征。由于平衡繩采用了圓形多層繩（圖5）。鋼絲繩股的參數和鋼絲繩股的結構非常匹配，因此這些鋼絲繩不會有逆著自身軸線旋轉的趨勢。

圖5 圓平衡繩結構

國產結構的兩層圓平衡繩是用相同直徑的鋼絲制成的。為了獲得最佳的股線形狀，三層鋼絲繩的脊索直徑比股線大0.1 mm。由于有大量的股線，這種結構的鋼絲繩有可能獲得彈性。在操作過程中，多層圓平衡鋼絲繩應確保鋼絲繩懸掛時有可能發生轉動，這是由于作用在鋼絲繩上的合成力矩使鋼絲繩絞合。

目前，在大多數情況下，作為平衡繩使用鋼橡膠繩，具有很高的疲勞耐久性，耐腐蝕環境的作用，以及能承受墜落物體的輕微打擊。在適當的制造工藝下，可應用于2 200 m 以上的豎井提升機。鋼制橡膠繩的基本優點有：巨大的耐腐蝕性和小型墜落物體的沖擊力；能用硫化或膠粘方法修復機械損傷處橡膠涂層；不需要額外潤滑，抗靜電性等。鋼制橡膠繩的重量取決于鋼絲繩的數量和直徑以及橡膠涂層的厚度。

4 引繩和護弦繩

導向繩應用于豎井提升機，在豎井提升機中，采用了導向繩，而不是剛性導向盤。這些繩索的主要任務是在豎井提升機中提供自由但明確的碟形件位移。限制豎井提升機中圓盤的橫向移動是護弦繩的任務[5]。這種結構的繩索具有表面“光滑”、無磨損、耐腐蝕、耐磨損、抗拉強度大、橫向和縱向剛度大等特點。圖6 中給出了兩種典型的應用導纜和護弦繩的解決方案：

1）角落布置，其中引繩位于提升盤的角落，如圖6-1；

2）側面布置，引導繩沿提升盤的一側布置，如圖6-2。

圖6 豎井提升機中引繩和護弦繩的位置

如圖6 所示，導繩繞盤布置是國內豎井提升機最常用的解決方案。在最新的軸式提升機中，盤形圓股的導繩采用普通捻無紡導繩。該類提升機中的引繩，除引碟外，通常也都是懸掛在豎井內的工作平臺的提升繩。在采礦法規中，確定了國內豎井提升機中操作的導向繩和護弦繩的基本要求。其中包括：要求最小安全系數[6]，即一根鋼絲繩的實際拉力與最大靜載荷的商、導纜和護弦繩的數量、盤周圍布置的引繩方式和豎井內的護弦繩等。導繩和護弦繩屬于扭繩的一種，是最常見的封閉和半封閉結構。接下來的幾層圓鋼絲被纏繞在中央脊柱鋼絲上。

在封閉結構的繩索中，在先前擰在一起的圓鋼絲層上，纏繞一層交替排列的形狀和圓形鋼絲，然后纏繞一層其他形狀的鋼絲。在這類繩索的結構中使用楔形鋼絲導致，它們的特點是剛度增加。圓股導繩屬于雙捻鋼絲繩，它們是通過在纖維芯上纏繞一層或多層股線制成的。

5 結語

在對豎井提升機鋼絲繩各種結構方案進行功能和結構分析的基礎上，可以得出以下結論：生產的繩索具有結構多樣性大的特點，但同時通用性不強。上述因素導致繩索仍然是我們進行大量研究的對象。比如豎井提升深度超過500 m 時，采用多層繩索，其特點是非常不牢固；繩索的結構多樣性，特別是多層結構導致對當前繩索技術條件的評估非常復雜。