多繩纏繞式提升機鋼絲繩不同步問題及解決方案

劉勁軍，王正國，徐永福，尹國輝，杜曉明，李 壯

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2智能礦山重型裝備全國重點實驗室 河南洛陽 471039

3中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

全 球經(jīng)濟社會的發(fā)展，對礦物資源的需求快速上升，淺層礦藏已經(jīng)開始逐漸枯竭，深部礦物的開采必然成為許多國家的選擇，預(yù)計未來我國的礦產(chǎn)開采深度將達到 1 000～2 000 m[1-2]。國外深井中應(yīng)用摩擦式提升機的經(jīng)驗表明，摩擦式提升機提升深度的實際極限在 1 600 m 左右，超過這個深度，鋼絲繩的壽命就會變得很短，以至于不具備經(jīng)濟性。單繩纏繞式提升機應(yīng)用于超千米深井時，因提升能力較小，難以滿足產(chǎn)量上的要求。與單繩纏繞式提升機相比，多繩纏繞式提升機更適合超千米深井提升。深部資源的開發(fā)利用是個系統(tǒng)工程，研究并開發(fā)適合千米深井及超深井使用的礦井提升設(shè)備，這對我國礦山未來的發(fā)展至關(guān)重要[3-10]。

1 基本原理與技術(shù)難點

多繩纏繞式提升機(見圖1)采用 2 根或者更多根鋼絲繩來升降 1 個提升容器。提升機的卷筒在中間被擋繩板分隔成兩個不同的纏繩區(qū)，鋼絲繩分別在兩纏繩區(qū)纏繞。同一容器上的 2 根鋼絲繩分別一端固定在卷筒上，另一端通過天輪懸掛提升容器。提升卷筒由電動機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)帶動鋼絲繩的纏繞，實現(xiàn)提升容器的提升或下放。

圖1 工作中的多繩纏繞式提升機Fig.1 Multi-rope winding hoist in operation

作為一種需要 2 根鋼絲繩同時纏繞并提起 1 個提升容器的提升機，多繩纏繞式提升機需解決鋼絲繩的不同步問題。根據(jù)文獻 [11-12]分析，導(dǎo)致鋼絲繩不同步的原因有：①2 根鋼絲繩的直徑差異；② 兩纏繩區(qū)纏繞直徑的差異；③鋼絲繩彈性模量的差異；④ 纏繞過程中，一根鋼絲繩提前過渡，導(dǎo)致纏繞半徑增大。同一容器上 2 根鋼絲繩的不同步，會引發(fā)鋼絲繩受力的急劇變化，并可能發(fā)生容器在井筒中傾斜，甚至斷繩等極端情況。

2 鋼絲繩不同步的后果

根據(jù)參考文獻 [13]，多繩纏繞式提升機在同一提升容器上的 2 根鋼絲繩存在長度差異時，2 根鋼絲繩的張力差

式中：F2′為受力較大的鋼絲繩所受的力，N；F1′為受力較小的鋼絲繩所受的力，N；Δl為 2 根鋼絲繩的長度差，m；S為鋼絲繩的金屬斷面積，mm2；E為鋼絲繩的彈性模量，MPa；h為容器所在高度，m。

由式(1)可知，在長度差 Δl相同的情況下，提升高度h越大，2 根鋼絲繩之間的張力差越小。

以某礦所用鋼絲繩為例，已知E=1.0×105MPa，S=1 020 mm2，假設(shè) Δl=0.5 m，根據(jù)式(1)可得，2 根鋼絲繩在不同提升高度時的張力差如表1 所列。

表1 提升容器所在高度與鋼絲繩張力差Tab.1 Heights of hoisting container and tension differences of wire ropes

該礦所用容器自重和有效載荷所引起的張力合計為 280 kN。由表1 可知，當(dāng)提升容器所在高度約為200 m 時，兩鋼絲繩的長度差(0.5 m)可造成 280 kN 的張力差異。這已經(jīng)出現(xiàn)單根鋼絲繩提起容器的情況，將引發(fā)提升容器在井筒中的傾斜，而且可能導(dǎo)致危險的鳥籠(bird caging)狀態(tài)，或引發(fā)嚴(yán)重的斷繩事故[12]。

3 影響鋼絲繩不同步的因素

鋼絲繩的不同步現(xiàn)象可能造成嚴(yán)重的后果，因此在設(shè)計多繩纏繞式提升機時，必須將其考慮在內(nèi)，并進行相應(yīng)的計算，以確定鋼絲繩不同步的長度，并配備相應(yīng)的鋼絲繩同步自動補償裝置來容納鋼絲繩的不同步，避免不同步問題造成更多不利影響。筆者將分析鋼絲繩不同步產(chǎn)生的原因以及計算方法。

3.1 鋼絲繩直徑差異

當(dāng)多繩纏繞式提升機同一容器上的 2 根鋼絲繩在卷筒上分別纏繞時，兩鋼絲繩的直徑差會影響鋼絲繩的纏繞半徑，進而對鋼絲繩的同步產(chǎn)生影響。由于 2根鋼絲繩都在卷筒上纏繞，由加工保證 2 個卷筒的剛度基本一致。在同步裝置作用下，當(dāng) 2 根內(nèi)層鋼絲繩張力基本一致時，認(rèn)為鋼絲繩對卷筒和下層鋼絲繩的壓力所導(dǎo)致的變形和張力降低是一致的。因而，本研究主要分析幾何差異對鋼絲繩同步的影響，并未考慮多層纏繞時張力降低對同步的影響。

由圖2 可知，鋼絲繩的纏繞半徑差與鋼絲繩纏繞層數(shù)相關(guān)，計算公式為[14]

圖2 鋼絲繩直徑差異導(dǎo)致的繩長累計誤差Fig.2 Accumulated error of rope length caused by difference in wire rope diameters

式中：Δri為纏繞半徑差，mm；d1為較粗鋼絲繩的直徑，mm；d為較細鋼絲繩的直徑，mm；n為纏繞層數(shù)；b為 0.5 倍鋼絲繩節(jié)距，mm。

式中：Δls為鋼絲繩直徑誤差導(dǎo)致的累計誤差，mm；Yn為各層鋼絲繩纏繞的圈數(shù)。

圖2 所示的鋼絲繩纏繞 4 層，①、②、③、④代表相應(yīng)的纏繞半徑差，分別為 Δr1、Δr2、Δr3、Δr4。

3.2 兩纏繩區(qū)纏繞直徑的差異

多繩纏繞式提升機同一容器上的 2 根鋼絲繩在卷筒上不同纏繩區(qū)分別纏繞時，兩纏繩區(qū)的繩槽所在圓的直徑并不完全相同，進而對鋼絲繩的同步性產(chǎn)生影響，如圖3 所示。圖中，①、②、③、④ 代表Δrj。

圖3 卷筒纏繞直徑差異導(dǎo)致的繩長累計誤差Fig.3 Accumulated error of rope length caused by difference in winding diameter of drum

纏繞直徑差異導(dǎo)致的鋼絲繩累計纏繞誤差

式中：Δrj為纏繞直徑偏差，mm；Yn為各層鋼絲繩纏繞的圈數(shù)。

3.3 鋼絲繩彈性模量的差異

多繩纏繞式提升機同一容器上的 2 根鋼絲繩的彈性模量存在差異。在受力下伸長時，2 根鋼絲繩的彈性伸長量并不相同，存在誤差。

鋼絲繩彈性伸長量

式中：lt1為第 1 根鋼絲繩的伸長量，m；lt2為第 2 根鋼絲繩的伸長量，m；W為鋼絲繩上所施加的載荷，kN；L為鋼絲繩長度，m；E1、E2為相應(yīng)鋼絲繩的彈性模量，MPa；A為鋼絲繩金屬截面積，mm2。

鋼絲繩彈性伸長量導(dǎo)致的誤差

式中：ΔE=|E1-E2|，為同一容器上 2 根鋼絲繩的彈性模量差，MPa。

3.4 錯誤纏繞導(dǎo)致的累計誤差

對于多繩纏繞式提升機，鋼絲繩的錯誤纏繞對同步性影響最大。即一根鋼絲繩相對另一根鋼絲繩發(fā)生了提前過渡現(xiàn)象，該現(xiàn)象造成纏繞直徑的變化，并導(dǎo)致不同步現(xiàn)象的急劇惡化。

錯誤纏繞現(xiàn)象(見圖4)可能是多繩纏繞式提升機應(yīng)用中所面臨的最危險的工況之一。為了減少此類現(xiàn)象，業(yè)內(nèi)已經(jīng)研發(fā)了平行折線繩槽并進行了一些應(yīng)用。在多繩纏繞式提升機上，需要安裝錯誤纏繞監(jiān)測裝置，當(dāng)監(jiān)測到鋼絲繩發(fā)生錯誤纏繞后，立刻緊急制動并對該現(xiàn)象進行處理。

圖4 鋼絲繩的錯誤纏繞示意Fig.4 Diagram of miswinding of wire rope

假設(shè)提升速度為v，制動反應(yīng)時間為t1，緊急制動減速度為a，則在提升機制動完成之前，其提升距離

在此提升距離中，卷筒轉(zhuǎn)動的圈數(shù)

由此產(chǎn)生的鋼絲繩長度差

式中：D為卷筒直徑，mm；Δlc為錯誤纏繞導(dǎo)致的累計誤差，mm。

對于鋼絲繩同步自動補償裝置，其總行程

4 鋼絲繩同步自動補償裝置

針對在提升過程中可能出現(xiàn)的鋼絲繩不同步問題，以及該問題可能造成的嚴(yán)重后果，多繩纏繞式提升機必須安裝鋼絲繩同步自動補償裝置，以容納提升過程中產(chǎn)生的鋼絲繩長度差異，并且保證能夠容納在錯誤纏繞后、緊急制動完全停止前產(chǎn)生的鋼絲繩長度差異。常用的鋼絲繩同步自動補償方案有在容器上方安裝補償輪裝置、浮動天輪方案、鋼絲繩張力自動平衡裝置方案。

4.1 補償輪

4.1.1 結(jié)構(gòu)及原理

在提升容器上方，安裝一個可以圍繞中心軸自由轉(zhuǎn)動的帶螺旋繩槽的補償輪，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示，具體使用如圖6 所示。補償輪由輪體、鋼絲繩夾持器、補償輪軸部件三部分組成。其工作原理是：容器上的2 根鋼絲繩能夠圍繞補償輪軸旋轉(zhuǎn)，初圈張力不平衡時，張力大的那根鋼絲繩(假設(shè)為繩 1)對補償輪軸形成的力矩大于張力小的鋼絲繩(假設(shè)為繩 2)，補償輪發(fā)生轉(zhuǎn)動；繩 1 的長度增長，繩 2 的長度縮小，從而實現(xiàn)鋼絲繩的張力平衡[15]。

圖5 補償輪結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of compensation sheave

圖6 實際應(yīng)用中的補償輪Fig.6 Compensation sheave in practical application

4.1.2 注意事項

鋼絲繩需要部分纏繞在補償輪上，故補償輪直徑與鋼絲繩直徑之比(D/d)不應(yīng)小于 25。為了避免夾持器處受力過大，當(dāng)發(fā)生錯誤纏繞緊急制動并停機后，鋼絲繩至少應(yīng)有 1.5 圈還纏繞在補償輪上。

在補償輪的應(yīng)用中，應(yīng)該注意以下問題。

(1)受到D/d的限制，補償輪直徑較大，安裝在容器上方，檢修困難，且減小了系統(tǒng)的有效提升載荷；

(2)在補償輪上纏繞的鋼絲繩易被井筒墜落物擊中[16]，應(yīng)格外注意；

(3)在井筒中工作，補償輪繩槽上易出現(xiàn)堆積物，影響其上所纏繞鋼絲繩的使用壽命。

4.2 浮動天輪

4.2.1 結(jié)構(gòu)及原理

目前，新設(shè)計的多繩纏繞式提升機大多采用浮動天輪(見圖7)進行鋼絲繩同步，即在天輪下方安裝液壓缸來支撐，每對液壓缸之間通過連通器連接；在井架上安裝導(dǎo)軌，使天輪能夠沿導(dǎo)軌移動，從而進行鋼絲繩同步補償。浮動天輪主要由天輪體、軸承座、天輪軸、液壓缸、天輪導(dǎo)向裝置、連通器等組成。浮動天輪的優(yōu)點是不降低設(shè)備提升能力，且位于井架上，檢查維護方便。

圖7 多繩纏繞式提升機用浮動天輪的結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of floating head sheave for multi-rope winding hoist

浮動天輪系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)同一容器上的 2 根鋼絲繩之間張力出現(xiàn)不平衡時，張力大的鋼絲繩(繩1)對其下方的浮動天輪形成的壓力大于張力小的(繩2)，通過連通裝置，天輪下方的液壓缸發(fā)生補償移動，繩 1 下方的液壓缸向下移動，繩 2 下方的液壓缸向上移動，從而實現(xiàn)鋼絲繩的張力平衡。

采用連通器的浮動天輪系統(tǒng)，當(dāng)容器所在的高度較深時，可能出現(xiàn)不靈敏，甚至不動作的情況，國內(nèi)單位正在開展閉環(huán)控制浮動天輪系統(tǒng)的研究工作。

該系統(tǒng)帶有主動調(diào)節(jié)裝置，可對天輪上的載荷進行實時監(jiān)測并比較，使用液壓站對浮動天輪進行主動調(diào)節(jié)。其原理如下：同一容器對應(yīng)的兩個天輪的液壓缸分別外接液壓站，通過兩個液壓站分別驅(qū)動相應(yīng)的液壓缸裝置，液壓站每條油路的油壓都通過單獨的比例閥調(diào)整。如果液壓缸裝置檢測到的油壓偏低，說明與其對應(yīng)的浮動天輪上鋼絲繩張力偏小，通過比例閥將油壓調(diào)高，液壓缸伸出量加大，使得鋼絲繩張力加大；如果液壓缸裝置檢測到的油壓偏高，說明其對應(yīng)的浮動天輪上鋼絲繩張力偏大，通過比例閥將油壓調(diào)低，液壓缸伸出量減小，進而使得鋼絲繩張力減小；通過這種方式進行實時調(diào)整，從而達到兩鋼絲繩張力保持平衡的目的[17]。

4.2.2 注意事項

當(dāng)在天輪下方安裝液壓缸時，發(fā)生錯誤纏繞時應(yīng)緊急制動，停機后液壓缸的行程不應(yīng)達到極限，且液壓缸的設(shè)計應(yīng)能承受鋼絲繩的破斷載荷。浮動天輪應(yīng)采用減小摩擦的設(shè)計。浮動天輪應(yīng)設(shè)置液壓站，并每天開始提升前，將天輪抬起并放下一次，以檢查液壓缸和天輪的工作狀態(tài)。

浮動天輪方案的缺點是：

(1)當(dāng)容器位于井筒中較深的位置時，可能出現(xiàn)天輪同步移動不靈敏，甚至不動作現(xiàn)象；

(2)浮動天輪的設(shè)計需考慮斷繩工況，這導(dǎo)致其下安裝的液壓缸等裝置設(shè)計規(guī)格較大，價格昂貴；

(3)采用浮動天輪時，井架需配備天輪導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需要增加井架高度。

4.3 鋼絲繩張力自動平衡裝置

4.3.1 結(jié)構(gòu)及原理

該方案與多繩摩擦式提升機的張力自動平衡懸掛裝置結(jié)構(gòu)相似[18]。張力自動平衡懸掛裝置由楔形環(huán)、液壓平衡系統(tǒng)、承力結(jié)構(gòu)部件三部分組成，具體如圖8 所示。

圖8 鋼絲繩張力自動平衡裝置Fig.8 Automatic tension balancing device for wire rope

該系統(tǒng)的工作原理是：提升機無論是在靜止?fàn)顟B(tài)，還是在工作狀態(tài)，只要鋼絲繩張力出現(xiàn)不平衡，張力大的那根鋼絲繩通過中板 1、側(cè)板 3、壓塊 4、支撐塊 5 壓縮該鋼絲繩所連接的密閉連通器缸，使密封內(nèi)壓力升高，高壓液體通過連通器通管閥組進入壓力較小的其他缸內(nèi)，使壓力平衡，再通過環(huán)式平衡機構(gòu)實現(xiàn)鋼絲繩的張力平衡。

4.3.2 注意事項

采用鋼絲繩張力平衡裝置，當(dāng)發(fā)生錯誤纏繞時，提升機應(yīng)緊急制動，停機后張力平衡裝置的液壓缸行程不應(yīng)達到極限，且其液壓缸的設(shè)計應(yīng)能承受鋼絲繩的破斷載荷。

張力自動平衡懸掛裝置方案的缺點是：

(1)當(dāng)應(yīng)用于多繩纏繞式提升機時，該裝置所需的行程比應(yīng)用于多繩摩擦式提升機時大，需要重新設(shè)計行程；

(2)該裝置質(zhì)量較大，減小了系統(tǒng)的有效提升載荷；

(3)該裝置安裝在提升容器上方，其日常檢修和維護比較困難。

5 結(jié)語

多繩纏繞式提升機由于采用 2 根鋼絲繩同時提升一個提升容器，因此具有比單繩纏繞式提升機更大的提升能力。與多繩摩擦式提升機相比，多繩纏繞式提升機由于容器下方不必配置尾繩，在深井或超深井提升時，不會因為尾繩重量而導(dǎo)致提升鋼絲繩內(nèi)部的張力變化，因而比單繩纏繞式提升機和多繩摩擦式提升機更適合深井及超深井。

目前多繩摩擦式提升機上采用的鋼絲繩張力平衡裝置，設(shè)計時只考慮繩槽差異造成的影響，常用的YXZ 型張力平衡裝置的最大調(diào)繩距離僅為 1 130 mm；而多繩纏繞式提升機在提升過程中，會因為同一容器上 2 根鋼絲繩的直徑差異、兩纏繩區(qū)纏繞直徑的差異、鋼絲繩彈性模量的差異及錯誤纏繞等原因?qū)е落摻z繩的不同步，影響因素更多，同步裝置所需要的行程也更長。

本文對多繩纏繞式提升機鋼絲繩不同步現(xiàn)象進行了分析，提供了幾種解決方案，可為多繩纏繞式提升機鋼絲繩同步裝置的設(shè)計與使用提供參考。