多繩摩擦提升系統首繩懸掛裝置選型

譚清述，李照連

(紫金(廈門)工程設計有限公司)

引 言

隨著國內礦業發展，地表淺層礦石已被大量開采，礦石開采逐步由地表淺層向深部發展。目前，國內已有多條深度超過1 000 m的豎井，設計深度超過1 600 m的深井。多繩摩擦提升系統被廣泛應用于提升高度300～2 000 m的豎井中，由于技術發展不充分及外在條件限制，大部分超深井均采用多繩摩擦提升系統[1]。

世界各國對多繩摩擦提升系統的首繩懸掛方式進行了廣泛深入研究。瑞典廣泛采用杠桿式平衡裝置，但這種懸掛方式不適合成對使用，其通常在一個容器上使用，且作為首繩的鋼絲繩伸長量的調整范圍有限。英國經常在首繩兩端不采用任何平衡裝置，只在繩環與容器之間裝設測力器和繩長調整裝置，使豎井調繩工作量增加。德國廣泛采用三角形杠桿平衡裝置，可以避免因裝置不穩定導致的失衡，杠桿偏轉時會產生恢復平衡位置的力矩。俄羅斯部分礦井上裝設彈簧式平衡裝置，鋼絲繩伸長量的調整范圍有限，且在彈簧機械疲勞后調整作用基本可以忽略。目前，國內主要使用張力自動平衡首繩懸掛裝置，該裝置采用閉環無源液壓連通自動調整平衡系統，能高精度地實現鋼絲繩在動、靜狀態下的張力自動平衡，并可以通過計算選擇合適的調節長度，該種懸掛裝置更適合深井提升系統[2]。

1 首繩受力不均原理及危害

多繩摩擦提升系統通常需要4根或6根提升首繩，作為首繩的鋼絲繩機械性能不盡相同。各鋼絲繩在生產捻制過程中捻制力控制存在差異，導致各鋼絲繩的彈性模量及殘余伸長量不同，在提升機運轉過程中部分鋼絲繩伸長量較大，部分鋼絲繩伸長量較小，伸長量較小的鋼絲繩承受張力較大，為了達到鋼絲繩之間的自平衡，伸長量較小的鋼絲繩會產生部分滑動，加速鋼絲繩的損壞及繩槽的磨損[3]。鋼絲繩在加工過程中也存在加工誤差，導致各鋼絲繩直徑存在細微差異，且提升機摩擦襯墊之間機械性能也并不完全相同。因此，在以上因素的影響下，鋼絲繩與繩槽配合使用時鋼絲繩會出現滑動現象。

以繩槽直徑1 000 mm和1 200 mm 2種狀態下卷筒旋轉1周鋼絲繩行走距離及鋼絲繩受力狀態(見圖1)為例。在相同提升高度下，繩槽直徑較小的首繩需要較多的轉動圈數；在相同轉動圈數下，繩槽直徑較小的首繩由于行走距離短，因此受力大；鋼絲繩受力的增加導致繩槽直徑較小的首繩向前滑動，從而加速鋼絲繩的損壞及繩槽的磨損。

圖1 首繩行走及受力狀態示意圖

提升系統運行過程中，首繩需要承受啟動加速時、制動減速時、裝卸載時的沖擊荷載。在沖擊荷載作用下，提升系統兩側受力在短時間內出現較大波動，破壞了兩側受力平衡，首繩與提升機繩槽間可能出現滑動現象。同時由于繩槽誤差、鋼絲繩性能差別的影響，受力較大的鋼絲繩滑動現象更加明顯，進而使受力較大的鋼絲繩損壞，對應繩槽的磨損加劇。

機械性能差別、制造誤差、提升系統運行特性等會導致系統運行過程中鋼絲繩間受力不均衡，使部分鋼絲繩產生滑動。提升系統周期運行，鋼絲繩在運行過程中反復滑動致使鋼絲繩更容易損壞，同時進一步加劇提升機襯墊的磨損，致使提升機繩槽直徑差越來越大，引起更大的磨損，縮短鋼絲繩使用壽命。平衡鋼絲繩之間受力不均衡除了盡可能提升材料機械性能及配合精度外，最有效的解決方案是選擇合適的懸掛裝置，通過懸掛裝置調整鋼絲繩長度，使各鋼絲繩間受力平衡。

2 懸掛裝置選型

在深井多繩摩擦提升系統中，鋼絲繩使用壽命一直是行業研究焦點，除了鋼絲繩旋轉扭曲、反復彎曲、銹蝕等影響鋼絲繩使用壽命的因素外，最重要的一點是各鋼絲繩之間受力不均衡導致部分鋼絲繩超載，在長期超載情況下加速鋼絲繩損壞。在提升系統設計時，往往忽略了首繩懸掛裝置的重要性，特別是深井提升系統，首繩懸掛裝置對鋼絲繩的平衡起著調節作用。選擇合適的懸掛裝置能有效減小首繩之間的張力差,減小首繩滑動，保護首繩及摩擦襯墊。

陜西洛南陳耳金礦有限責任公司(下稱“陳耳金礦”)提升井為盲混合井，井筒內布置箕斗提升、罐籠提升兩套多繩摩擦提升系統，均采用JKMD-2.8×4(I)E型提升機。箕斗系統設計提升高度1 003 m，罐籠系統設計提升高度950 m，均屬深井系統。在設計階段由于對深井提升系統鋼絲繩狀態認識不充分，按經驗選擇了首繩懸掛裝置(油缸可調節長度為520 mm)，在豎井運行過程中經常出現鋼絲繩受力不均現象，從而導致部分鋼絲繩懸掛裝置油缸頂死。為了使鋼絲繩受力均衡，延長鋼絲繩使用壽命，礦山每隔1周需要進行一次油缸打壓調整，系統維護量大。如果長期在油缸頂死狀態下工作，鋼絲繩壽命會急劇縮短，且摩擦襯墊損壞加劇。

首繩懸掛裝置選型計算主要從以下2方面入手：①根據提升系統配置計算懸掛裝置破斷力，確定懸掛裝置受力等級；②根據鋼絲繩彈性伸長量、提升機繩槽累計誤差長度、鋼絲繩殘余變形量及安裝誤差確定懸掛裝置油缸調節長度。

2.1 懸掛裝置破斷力計算

懸掛裝置破斷力由式(1)計算得出。

(1)

式中：F為懸掛裝置的破斷力，即首繩連接裝置必須承受的最小力(kN)；m為連接裝置安全系數，罐籠提升取13，箕斗提升取10[4];Pz為提升系統最大終端荷載(t);n1為提升系統尾繩數量；q為提升系統尾繩單質量(kg/m)；lw為提升系統尾繩懸垂長度(m)；g為重力加速度(m/s2)；n為提升系統首繩數量。

陳耳金礦罐籠井提升系統最大終端荷載14.5 t，尾繩數量2根，尾繩懸垂長度975 m，尾繩單質量6.24 kg/m，首繩數量4根。經計算：懸掛裝置破斷力為850.24 kN。

2.2 懸掛裝置油缸調節長度計算

2.2.1 鋼絲繩彈性伸長量

鋼絲繩彈性伸長量由式(2)計算得出。

(2)

式中：l1為提升首繩彈性伸長量(m)；P為系統位于井底裝載時終端荷載(t)；lb為首繩彈性變形區間長度(即首繩懸垂長度)(m)；Ek為首繩鋼絲繩彈性模量(N/mm2)；S為首繩鋼絲繩中鋼絲截面積總和(mm2)。

陳耳金礦罐籠井首繩懸垂長度1 010.38 m，首繩鋼絲繩彈性模量119 795.67 N/mm2，首繩鋼絲繩中鋼絲截面積總和341.5 mm2，系統位于井底裝載時終端荷載為14.5 t。經計算：首繩鋼絲繩彈性伸長量為0.878 27 m。

2.2.2 提升機繩槽累計誤差長度

提升機繩槽累計誤差長度由式(3)計算得出。

(3)

式中：l2為提升距離內繩槽累計誤差長度(m)；e為繩槽直徑最大誤差，取0.000 5 m(根據GB 50961—2014《有色金屬礦山井巷安裝工程質量驗收規范》，繩槽底圓直徑最大與最小之差為0.50 mm)；h為提升高度(m);D為提升機卷筒直徑(m)。

陳耳金礦罐籠井提升高度950 m，提升機卷筒直徑2.8 m，經計算：鋼絲繩提升距離內繩槽累計誤差長度為0.054 03 m。鋼絲繩彈性伸長量與繩槽累計誤差為互補關系，當繩槽累計誤差較大時，鋼絲繩彈性伸長量則較小。

2.2.3 鋼絲繩殘余變形量

鋼絲繩出廠時一般均會經過預拉伸，殘余變形量較小，且提升系統在懸掛鋼絲繩后，初期會經過多次調繩，進一步消除殘余伸長量[5]，因此，在懸掛裝置設計選型時可按提升高度的1/10 000計算殘余變形量,殘余變形量應不大于伸長量的1/10。殘余變形量由式(4)計算得出。

(4)

式中：l3為鋼絲繩殘余變形量(m)。

陳耳金礦罐籠井首繩懸垂長度1 010.38 m。經計算：鋼絲繩殘余變形量為0.101 03 m。

2.2.4 安裝誤差

通常鋼絲繩在井口安裝，對于落地式提升機，安裝誤差可取鋼絲繩弦長的1/1 000計算，對于塔式提升機安裝誤差可取0 m。鋼絲繩安裝誤差由式(5)計算得出。

(5)

式中：l4為安裝誤差(m);ls為落地式提升系統鋼絲繩弦長(m)。

陳耳金礦罐籠井為落地式布置，鋼絲繩弦長為52.286 m。經計算：安裝誤差為0.104 57 m。

2.2.5 懸掛裝置油缸調節長度

懸掛裝置油缸調節長度(l)由式(6)計算得出。

l=|l1-l2|+l3+l4

(6)

經計算：陳耳金礦罐籠井首繩懸掛裝置油缸調節長度為1.029 84 m。原所選裝置油缸調節長度為520 mm，長度偏小。

2.3 選型應用效果

通過計算分析可知：陳耳金礦原XZS-A1350首繩懸掛裝置油缸調節長度選取偏小，僅為520 mm，小于計算值，導致頻繁出現油缸頂死現象。礦山每隔1周就需要停班進行維護調整，其中，某批次鋼絲繩在使用幾個月后出現大量斷絲現象，礦山不得不提前更換鋼絲繩，僅更換鋼絲繩費用約30萬元。

通過調研設備廠商后，該豎井更換了一種新型自動平衡首繩懸掛裝置(專利號為ZL 2019 2 1084856.6)，該裝置調繩距離約為3 m。經過長時間運行實踐，陳耳金礦對首繩懸掛裝置的維護作業已由每隔1周維護1次改為每年維護1次或2次，鋼絲繩使用壽命基本達到2 a，使用效果良好。

2.4 首繩懸掛裝置使用建議

盡管可通過計算分析選擇首繩懸掛裝置，但提升系統復雜多變，存在較多的不確定性，因此，在使用過程中應不斷總結分析，確定適合礦山的維護制度。

自動平衡首繩懸掛裝置采用閉環無源液壓連通自動調整平衡，該裝置通過油壓平衡了各鋼絲繩之間的張力，但由于各油缸之間連接組件沒有鎖死裝置，不能完全避免鋼絲繩間的串動現象。當某時刻某根鋼絲繩在系統一側受力突然增加，該側油缸伸長，另一側油缸縮短；該側其他油缸相應縮短，另一側其他油缸相應伸長，重新達到內部油壓平衡，使鋼絲繩張力差為零。在重新達到平衡的過程中，鋼絲繩在彈性變形調節能力外可能發生了串動。為了避免這種現象發生，設計時應在鋼絲繩懸掛裝置連接組件間增加控制閥門。根據國外對懸掛裝置的使用經驗，在豎井運行一段時間系統進入平穩期后，關閉一側容器上方懸掛裝置的調節功能，只利用另一側進行張力平衡調節；運行一段時間后，將該側打開，另一側鎖死，交替使用可以很好地控制鋼絲繩串繩現象。

3 結 語

對于深井提升系統，機械性能差別、制造誤差、提升系統運行特性等因素會導致多繩摩擦提升系統中的鋼絲繩受力不均衡，出現串繩現象，加劇鋼絲繩和繩槽的磨損，輕則頻繁出現調節油缸頂死現象，增加系統維護量；重則使提升鋼絲繩壽命急劇縮短。以陳耳金礦深豎井中的首繩懸掛裝置為例，根據陳耳金礦實際工況對首繩懸掛裝置進行選型計算，解決了需頻繁維護首繩懸掛裝置的問題，使維護作業由每隔1周維護1次改為每年維護1次或2次。因此，合理選擇首繩懸掛裝置能有效提高系統運行穩定性，減少系統維護工程量，延長鋼絲繩使用壽命。