斜井提升機鋼絲繩防松問題分析

劉同欣，于偉濤，崔萬昌

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

3中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

在礦山斜井提升中，提升容器在斜坡軌道重載上行運行，在緊急制動或者在軌道變坡點前后，提升容器受慣性影響，繼續沿斜面軌道上行，這極易引起系統中提升鋼絲繩松繩；提升容器在斜坡軌道下行運行，受到卡阻或者在變坡點前后，也易引起提升鋼絲繩松繩，提升容器處于無牽引狀態，給系統造成危害。筆者結合提升容器運行工況以及設備自身狀況，探討提升鋼絲繩松繩原因，提出預警及預防措施，防止事故發生。

1 斜井提升機工作原理

斜井提升機系統主要由提升主機、提升鋼絲繩、天輪裝置、提升容器、制動系統及控制系統等組成，其工作原理如圖1 所示。鋼絲繩一端固定在卷筒上，另一端經過天輪裝置與提升容器相連。電動機作為動力源，經過減速器傳動，帶動卷筒運轉，從而纏繞鋼絲繩。鋼絲繩帶動提升容器在斜坡軌道上運行，制動系統控制提升機在井底或井口停車位置的制動，達到提升物料目的。

圖1 斜井提升的工作原理Fig.1 Principle of hoisting in inclined shaft

2 鋼絲繩松繩原因分析

設備在運行過程中，引起鋼絲繩松繩的因素比較多，筆者從提升設備運行使用及制造兩方面進行逐一分析。

2.1 從設備運行使用方面分析

（1）《煤礦安全規程》第427 條（一）中規定，各類提升機的制動裝置發生作用時，提升系統的安全制動減速度必須符合表1 的要求[1]。

表1 提升系統安全制動減速度規定值Tab.1 Specified values of safe braking acceleration and deceleration of hoisting system

表1 中，自然減速度

Ac＝g（sinθ＋fcosθ），

式中：g為重力加速度，m/s2；θ為井巷傾角，（°）；f為繩端載荷的運行阻力系數，一般取 0.010～0.015。

重載提升物料時，鋼絲繩在卷筒上纏繞，帶動提升容器上行，減速時，由于制動力過大，導致制動減速度過大，超出了安全規程的要求值，造成卷筒的轉動速度降幅較快，從而影響鋼絲繩的纏繞線速度。在高速慣性的作用下，提升容器的運行速度大于鋼絲繩的纏繞速度，使得鋼絲繩發生松繩。

（2）在斜井長距離提升時，安全規程規定斜井提升鋼絲繩可以纏繞3 層。鋼絲繩在卷筒上進行多層纏繞，當纏繩混亂時，易出現鋼絲繩線速度與容器運行速度不匹配的情況，引起鋼絲繩松動。

（3）斜坡軌道不平整或存在障礙時，提升容器下放受阻，造成鋼絲繩線速度與容器運行速度不匹配，引起鋼絲繩松動。

2.2 從設備制造方面分析

（1）卷筒圓度超標。當其超標時，鋼絲繩在卷筒上高速纏繞時，鋼絲繩上下跳動過大，影響鋼絲繩在卷筒繩槽的纏繞以及容器在軌道上的運行，極易引起鋼絲繩從天輪輪槽中跳出，造成鋼絲繩松動，引起事故。

（2）通過天輪的鋼絲繩與天輪輪緣的高差不滿足安全規程的要求。規程要求高差不得小于鋼絲繩直徑的1.5 倍，否則鋼絲繩易從天輪輪槽中跳出，造成鋼絲繩松動，引起事故。

3 鋼絲繩松繩防護措施

根據上述分析，結合實際使用情況，筆者主要從制動減速度的控制、鋼絲繩排繩、鋼絲繩防松預警監測、鋼絲繩脫槽防護等角度，探討分析鋼絲繩松繩防護措施。

3.1 控制制動減速度

《煤礦安全規程》第 426 條（三）中規定[1]：對質量模數較小的提升機，上提重載保險閘的制動減速度超過本規程規定值時，K值可以適當降低，但不得小于 2。

K值為制動裝置產生的制動力矩與實際提升最大載荷旋轉力矩之比，簡稱制動力矩倍數。制動減速度a與制動力矩倍數K的關系如下。

重物上提工況時，

重物下放工況時，

式中：ΣM為旋轉部分的變位質量，kg；m為系統直線運動部分質量，kg。

對于選型已經確定了的礦井或已建成的礦井，提升機規格、提升容器、鋼絲繩、載荷量、巷道傾角等參數已經確定了，具體到式（1）、（2）來說，A、θ、f為已知值[2]，可根據上述公式調整K值，使制動減速度滿足規程要求。具體可以按照以下兩種方法實施：

（1）調整實際提升載荷以改變K值，從而獲得合適的制動減速度；

（2）采用可變力矩液壓站，根據上提、下放不同工況，分別設定不同的制動油壓，以實現制動力矩的控制調整，從而獲得與上提、下放工況相匹配的制動減速度。

3.2 鋼絲繩排繩

為防止鋼絲繩在卷筒上纏繞時出現混亂，可以從主動引導鋼絲繩有序排列、進行事前預防的角度考慮，也可以對排繩混亂進行監測并施行相關干預，采取適當的措施預防事故發生。

（1）設計一種排繩裝置，引導鋼絲繩進行有序纏繞。排繩裝置的工作原理如圖2 所示。排繩器安裝在排繩裝置的絲杠和導桿上，引導鋼絲繩在卷筒上有序排列，并沿導桿進行軸向移動。絲杠的上螺距與卷筒繩槽的節距一致，在導輪 a、b 的帶動下，絲杠的轉速與卷筒的轉速保持一致，卷筒轉動一周，排繩器在絲杠上移動一個螺距。在排繩器的引導下，鋼絲繩將順利且有序地纏繞，防止鋼絲繩脫槽，避免發生事故。

圖2 排繩器的工作原理Fig.2 Working principle of rope-aligning appliance

（2）設計鋼絲繩排繩監測裝置，當排繩混亂時，提前預警。如圖3 所示，排繩監測裝置位于鋼絲繩下方，當排繩混亂時，會觸碰監測裝置的傳感器并發出信號，控制系統接收到信號后，可及時進行安全制動，避免發生事故。

圖3 鋼絲繩排繩監測裝置Fig.3 Monitoring device for alignment of wire rope

3.3 鋼絲繩松繩預防

鋼絲繩松繩極易造成排繩混亂，引發事故。對于鋼絲繩松繩的預防，可以從鋼絲繩受力狀態的變化和位置狀態的變化兩方面考慮。當上述狀態發生變化并達到預警值時，控制系統得到信號并及時采取安全措施，預防事故發生。

（1）設置鋼絲繩拉力監測裝置，如圖4 所示。當提升鋼絲繩拉力小于預設值時，拉力監測裝置提前預警。在天輪軸上設置測力銷，當發生松繩時，滑輪軸受力減小，測力銷中的傳感器輸出值發生變化，并將信號傳送到控制系統，當超出系統設定的范圍后，控制系統發出制動指令，系統進行及時安全制動，防止事故發生。

圖4 鋼絲繩拉力監測裝置Fig.4 Monitoring device for traction of wire rope

（2）設置鋼絲繩防松保護裝置，如圖5 所示。當鋼絲繩發生松弛時，觸壓防松裝置中的張緊繩，使防松裝置中的觸碰裝置與行程開關分離，觸發行程開關發出信號，信號并入 PLC 控制系統，使系統采取安全措施，進而避免事故發生。

圖5 鋼絲繩防松保護裝置Fig.5 Protection device for loosening of wire rope

4 結語

分析了斜井提升機鋼絲繩松繩原因，提出了被動監測到主動防護的措施，給同類斜坡式鋼絲繩牽引裝置的鋼絲繩防松設計提供了多種思路，為今后鋼絲繩牽引斜面提升系統的安全運行提供指導。