提升機游動天輪軸瓦設計與位置布局

王 浩

山西高河能源有限公司 山西長治 046000

隨著礦山規模和產量的日益擴大，提升機作為主要輔助運輸設備，其所在的井筒或巷道越來越長。尤其是早期使用的單繩纏繞式提升機，其在斜井與井下運輸具有獨特的優勢。井下提升時，為了節省井巷工程與投資，通常多選用游動天輪裝置，來縮短提升機主機與天輪裝置之間的距離，以達到減小提升巷道長度的目的[1]；因此，游動天輪裝置的結構設計與布局在提升系統中顯得非常重要。

1 主要存在問題

在礦山實際應用中，提升機游動天輪裝置經常出現無法實現設計的游動距離的問題，其主要原因有：

(1) 礦井巷道環境比較惡劣，粉塵類物質較多，常附著在游動天輪軸的裸露位置，造成潤滑不暢[2]；

(2) 游動天輪裝置大部分采用滑動結構，軸瓦設計不盡合理，潤滑不及時；

(3) 游動天輪裝置安裝位置不合適。

如果出現上述情況，無法實現設計的游動距離時，運行中會產生“咬繩”現象，嚴重影響鋼絲繩使用壽命，甚至有斷繩的風險，帶來巨大的安全隱患。

2 游動天輪結構改進

2.1 游動天輪裝置結構

游動天輪裝置主要由天輪體、天輪軸、軸承座、調心滾子軸承、軸瓦及襯墊 (耐磨繩襯) 等組成[3]，如圖 1 所示。大部分游動天輪裝置都采用輪緣、槽鋼以及輪轂等組焊結構，焊后整體退火。安裝時，天輪體先套在天輪軸上，再將兩瓣軸瓦把合在天輪體上，通過運行中鋼絲繩產生的側向力驅使天輪體與銅瓦一起在天輪軸上左右游動[4]。耐磨繩襯安裝在輪緣槽內，能夠有效保護鋼絲繩，延長鋼絲繩使用壽命。

圖1 游動天輪裝置Fig.1 Structure of floating head sheave

2.2 游動軸瓦改進設計

天輪裝置游動性能的好壞，主要取決于軸瓦的結構設計與潤滑條件等。針對軸瓦，可以從以下 3 方面進行設計改進。

2.2.1 儲油槽的結構改進

目前，軸瓦油槽多為螺旋式結構 (見圖 2(a))。螺旋式油槽的主要缺點：油槽淺，有效長度短，存油量很少；螺旋形結構，在天輪游動過程中，潤滑油很容易被擠出，影響潤滑效果。改進后，軸瓦采用縱橫交互式油槽 (見圖 2(b))。縱橫交互的結構大大增加了油槽的有效長度。如果在原 2 mm 基礎上將油槽加深至4 mm，儲油量能夠增加 5 倍以上，可顯著改善潤滑效果[5]。改進前后油槽結構的對比如圖 2 所示。

圖2 軸瓦油槽結構的改進Fig.2 Improvement on structure of oil groove of bush

2.2.2 軸瓦圓角設計改進

改進前，軸瓦兩端面倒角為 2×45°。當天輪體受到側向力游動時，軸瓦兩端因受力不同，會在軸瓦與天輪軸間隙允許范圍內產生傾斜。此時，軸瓦端面倒角內側棱邊與天輪軸形成線接觸，產生較大的摩擦力，影響游動效果，甚至劃傷天輪軸。

改進后，將 2×45°倒角改為R5 圓角 (見圖 3)，軸瓦在任何作用力下與天輪軸均為面接觸，能有效降低天輪體游動時的摩擦力阻力，同時可預防天輪軸劃傷。

圖3 軸瓦端部倒角的改進Fig.3 Improvement on structure of end chamfer of bush

2.2.3 軸瓦應用新材料

游動天輪裝置軸瓦最常用的材料為鑄銅合金ZCuZn38Mn2Pb2，其有較好的力學性能、耐蝕性及耐磨性，適用于滑動速度小的穩定載荷或沖擊載荷工況。近年來，鋅基合金 ZA-27 材料日益成熟，加之其適用于具有一定沖擊的低速重載工況，已逐步代替銅合金軸瓦應用在礦山設備上，效果良好。鋅基合金軸瓦與銅合金軸瓦性能對比如表 1 所列。

表1 銅合金軸瓦與鋅基合金軸瓦性能對比Tab.1 Comparison of copper alloy bush and zinc-based alloy bush in performance

從表 1 可知，與銅瓦相比，鋅基軸瓦的抗拉強度和布氏硬度都較高，摩擦因數和密度較低，且有良好的自潤滑性，適用于短暫缺油工況，整體使用壽命可提高 1 倍以上。在相同規格下，使用鋅基合金軸瓦的成本可降低 30%～40%。

3 游動天輪位置確定

3.1 常規計算方法

《煤炭安全規程》2011 版中第 418 條規定天輪到滾筒上的鋼絲繩的最大內、外偏角都不得超過1°30′(1.5°)[6]。假定主機設備采用單卷筒提升機，系統仍然按照最大內外偏角不得超過 1.5°的要求來進行設計，如圖 4 所示。

圖4 提升系統設計示意Fig.4 Design sketch of hoisting system

天輪裝置中心線與主軸裝置中心線的水平距離估值Lg的算式為：

式中：β為鋼絲繩實際偏角，(°)；B為卷筒纏繩區寬度，m；l為游動天輪的游動距離，m。

鋼絲繩從卷筒到天輪的許用偏角

由式 (1) 和 (2) 可知，天輪中心線到主軸中心線的水平距離必須滿足

井下運輸巷道采用游動天輪時，一般L值都不大，借鑒其估值計算方法可知：

式中：Lx為提升鋼絲繩斜長，m；L為游動天輪中心線到主軸裝置中心線的水平距離，m；H為游動天輪距離地坪中心高，m；r為游動天輪半徑，m；h為主軸裝置距離地坪中心高，m；R為卷筒直徑，m。

由式 (4) 可知，選型規格和游動距離確定后，可通過調整L值大小來滿足繩偏角β≤1.5°。實際工程設計中，單層纏繞式時，一般采用β≤1.25°；多層纏繞式時，β≤1.17°[7]。

3.2 修正計算方法

游動天輪裝置在提升系統中的安裝位置至關重要，如僅按照鋼絲繩允許偏角計算，在實際運行中仍經常出現游動距離不夠、發生受憋的情況，導致鋼絲繩偏角β≥ 1.5°。這表明天輪裝置的位置除了受到鋼絲繩偏角的影響外，還與井下巷道的變坡點及鋼絲繩牽引鉤頭的摘掛點位置有關。采用修正算法時，提升系統的設計如圖 5 所示。

從圖 5 可知，鉤頭摘掛點需要的繩偏角最大，變坡點需要的游動距離最大。依據繩偏角必須滿足β≤1.5°，可計算出摘掛點到卷筒的水平距離為

圖5 修正算法的提升系統示意Fig.5 Sketch of hoisting system designed with correction method

式中：L2為摘掛點到天輪軸中線的距離，m。變坡點到卷筒的水平距離為

式中：L1為變坡點到摘掛點的距離，m。

根據三角形的相似理論可得

將式 (5) 和 (6) 代入式 (7) 可得

由此可知，由式 (8) 計算得到的L既能夠滿足變坡點對游動距離的要求，又能滿足摘掛點對繩偏角的要求。

4 結語

結合提升機游動天輪裝置在實際工程應用中存在的問題，分析了無法實現設計游動距離而造成繩偏角過大的原因，得出了天輪軸瓦設計結構和位置布局影響最大的結論，提出了軸瓦結構改進方案，并推演了天輪位置布局的修正計算方法。該改進設計已應用在多個礦山項目，效果良好。