煤礦立井提升系統中圓股鋼絲繩與三角股鋼絲繩研究

摘要：煤礦立井提升系統是煤炭生產中至關重要的環節，而鋼絲繩作為提升系統的核心部件之一，其安全性能和可靠性具有重要作用。目前，圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩是兩種常見的鋼絲繩類型，在機械性能、使用壽命和安全性能等方面存在差異。本文通過對兩種鋼絲繩進行分析和比較，結合三角股鋼絲繩提升系統在煤礦實際情況下的應用，探討差異及其對提升系統的影響。研究結果表明，三角股鋼絲繩在最小斷絲數、檢測精度范圍和超載安全系數等方面更具優勢，可以保障提升系統的安全性和可靠性。

關鍵詞：煤礦立井提升系統；圓股鋼絲繩；三角股鋼絲繩

DOI：10.12433/zgkjtz.20240740

煤礦立井提升系統是煤炭生產中的關鍵環節，作用是將煤炭從井下輸送到地面，為煤炭生產提供保障。而提升系統的核心部件之一是鋼絲繩，是連接提升機和提升筒的關鍵部件。目前，圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩是常用的兩種鋼絲繩類型。它們在機械性能、使用壽命和安全性能等方面存在差異。因此，研究圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩的差異，有助于選擇更合適的鋼絲繩類型，提高提升系統的安全性和可靠性。

一、圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩的結構特點

（一）三角股

三角股鋼絲繩的結構設計原理主要包括：

第一，鋼絲直徑。三角股鋼絲繩的鋼絲直徑通常比圓股鋼絲繩要大，三角股鋼絲繩具有更高的承載能力和耐磨損性能。

第二，鋼絲排列。三角股鋼絲繩的鋼絲排列為三角形，鋼絲繩在承受拉力時能更好地分散載荷，減少鋼絲之間的摩擦和磨損。

第三，潤滑和防銹。三角股鋼絲繩通常采用特殊的潤滑和防銹材料，以減少鋼絲之間的摩擦和腐蝕，延長鋼絲繩的使用壽命。

三角股鋼絲繩的鋼絲是由圓股鋼絲繩經過特殊加工，股內鋼絲呈面接觸，這類鋼絲繩具有以下結構特點：

第一，結構緊密，表面光滑，和繩槽接觸面積較大，耐磨損抗擠壓性能好。

第二，鋼絲繩的有效金屬橫截面積較大，破斷拉力更高。

第三，具有較高的承載能力和耐磨損性能，適用于高負載、高沖擊的場合。

第四，麻芯容積小，儲油能力弱，前期容易出油，后期容易缺油。

（二）圓股

1.規格和捻向

圓股鋼絲繩繩股內各層鋼絲等捻距編捻，而內層鋼絲繩和外層鋼絲繩捻距相等，從而使層間的鋼絲繩互相平行，而呈線接觸，典型的瓦林吞型及西魯型均為線接觸鋼絲繩。

圓股鋼絲繩的規格和捻向有不同的分類和特點。

在規格方面，我國把圓股鋼絲繩分為140kg/mm2、155kg/mm2、170kg/mm2、185kg/mm2、200kg/mm2，

而日本把圓股鋼絲繩分為135kg/mm2、150kg/mm2、165kg/mm2、180kg/mm2，德國把圓股鋼繩劃分140kg/mm2、160kg/mm2、180kg/mm2和200kg/mm2。

在捻向方面，鋼絲繩的捻向是指絞線和鋼絲纏繞的方向。右捻時，絞線向右即順時針捻轉；左捻時，絞線向左即逆時針捻轉。按照正規的捻法，鋼絲的捻向和絞線的捻向相反，而外層的鋼絲看起來和鋼絲繩軸心平行。順捻（即蘭格捻）鋼絲繩時，鋼絲和絞線捻向相同，都與鋼絲繩中心線呈對角線。正規捻法的鋼絲繩較牢固，不容易扭結、散股或折斷。

2.結構特點

第一，柔韌性好，避免了應力集中，減少了鋼絲間的摩擦阻力。

第二，抗彎曲、抗疲勞的性能顯著提高，在彎曲半徑較小的滾筒上工作或受較大的擠壓載荷時更有利。

第三，自身單重較同直徑三角股鋼絲繩低7%～

10%，在抗拉強度及破斷力滿足系統的情況下對于深井系統整個設備的負擔有所降低，提升產能相對增加。

在選擇鋼絲繩時，需要綜合考慮使用場合、負載要求、安全標準等因素，以確定適合的D/d比。同時，考慮鋼絲繩的直徑、結構、材料、制造工藝等，以確保鋼絲繩的性能和安全可靠性。

二、圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩的特性比較

（一）試驗設備與方法

1.試驗設備

第一，試驗鋼絲繩。選用同批次、同規格的圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩各一根，確保兩種鋼絲繩的初始狀態一致。

第二，試驗機。選用專業鋼絲繩試驗機，模擬實際工況，對鋼絲繩進行循環加載和摩擦磨損試驗。

第三，數據采集設備。選用高精度測力計和計數器，實時記錄鋼絲繩的承載能力和磨損情況。

2.試驗方法

第一，將兩種鋼絲繩分別固定在試驗機的兩端，調整試驗機使鋼絲繩受到循環加載。

第二，設定循環次數、加載重量等參數，模擬實際工況進行試驗。

第三，在試驗過程中，實時記錄兩種鋼絲繩的承載能力、磨損情況以及循環次數。

第四，根據試驗數據，分析兩種鋼絲繩的使用壽命及其影響因素。

（二）圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩的機械性能比較

1.試驗目的

鋼絲繩的機械性能是鋼絲繩選擇的關鍵指標之一。在圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩中，圓股鋼絲繩具有較高的扭轉剛度和扭轉角度，容易在使用過程中發生斷絲、繞線等問題，縮短鋼絲繩的使用壽命。而三角股鋼絲繩采用無扭轉設計，具有更高的抗扭轉性能和更長的使用壽命。

2.試驗數據及分析

為了比較圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩的機械性能差異，對兩種鋼絲繩進行了拉伸試驗和扭轉試驗，并比較了強度、扭轉角度和扭轉剛度等參數。試驗結果如表1所示。

3.結論

從試驗結果可以看出，圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩在最大拉伸強度方面存在差異，三角股鋼絲繩具有更高的拉伸強度，表明抗拉性能更好。在扭轉角度和扭轉剛度方面，圓股鋼絲繩比三角股鋼絲繩更具有扭轉性能，但也會出現繞線和斷絲等問題。而三角股鋼絲繩采用了無扭轉設計，可以避免這些問題的發生，并延長使用壽命。

（三）圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩的使用壽命比較

1.試驗目的

鋼絲繩的使用壽命是衡量鋼絲繩質量的重要指標之一，它不僅受到鋼絲繩材料的質量和結構設計的影響，還受到煤礦立井提升系統運行環境和使用條件的影響。在煤礦立井提升系統中，鋼絲繩需要承受大量的載荷和頻繁的彎曲、扭轉等變形，容易導致疲勞斷裂和壽命縮短。

2.試驗數據及分析

圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩在使用壽命試驗中的部分數據記錄如表2所示。

3.結論

第一，在相同試驗條件下，三角股鋼絲繩的使用壽命略高于圓股鋼絲繩。這主要是因為三角股鋼絲繩具有較高的抗彎曲、抗疲勞性能，以及較低的自身重量。

第二，圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩在使用過程中都存在一定磨損。其中，圓股鋼絲繩的磨損主要發生在與接觸表面摩擦較大的部分，而三角股鋼絲繩的磨損主要發生在內部鋼絲之間。

第三，隨著試驗時間的延長，兩種鋼絲繩的磨損情況逐漸加重。但在相同加載重量和循環次數下，三角股鋼絲繩的磨損程度相對較輕。這表明三角股鋼絲繩在承受較大載荷時仍能保持較好的耐磨損性能。

（四）圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩的安全性能比較

1.試驗目的

安全性能是鋼絲繩的基本要求，也是評價鋼絲繩性能的重要指標之一。本研究通過對圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩的安全性能進行分析和比較，得出了二者的安全性能差異。

2.試驗數據及分析

3.結論

第一，在相同試驗條件下，三角股鋼絲繩的最小斷絲數明顯低于圓股鋼絲繩。這表明三角股鋼絲繩在承受拉力時的性能更為穩定，抗疲勞性能更優。

第二，隨著試驗時間的延長，兩種鋼絲繩的斷絲數均逐漸增加。但三角股鋼絲繩的斷絲數增長速度明顯低于圓股鋼絲繩，說明具有更長的使用壽命。

第三，根據實際應用需求，對于需要較高抗疲勞性能和較長使用壽命的應用場景，例如，礦井提升、港口裝卸等，應優先考慮使用三角股鋼絲繩。

（五）總結

綜上所述，圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩在機械性能、使用壽命和安全性能方面都有各自的優勢和劣勢。在煤礦立井提升系統中的具體選擇中，需要根據實際工作條件、提升系統的設計要求和操作需求等多方面因素進行綜合考慮。

三、三角股鋼絲繩提升系統煤礦實際情況

根據煤礦立井提升系統的實際情況，可以總結三角股鋼絲繩的以下優點：

第一，抗扭轉性能強。三角股鋼絲繩的構造可以有效減少鋼絲繩在工作中的扭轉，提高系統的穩定性和安全性。

第二，承載能力強。三角股鋼絲繩由多股鋼絲絞合而成，每股鋼絲的扭轉方向不同，能最大程度上發揮鋼絲的承載能力。

第三，耐磨性好。三角股鋼絲繩采用表面防護處理，可以在惡劣的工作環境下減少磨損，從而延長鋼絲繩的使用壽命。

第四，重量輕。相同直徑的三角股鋼絲繩重量要輕于圓股鋼絲繩，可以降低設備的自重和能耗。

根據煤礦立井提升系統的實際情況，建議在以下情況下選擇圓股鋼絲繩：第一，需要進行大量的扭轉操作，例如，電纜卷揚、絞車卷揚等。第二，需要使用大直徑的鋼絲繩。

在以下情況下選擇三角股鋼絲繩：第一，需要進行大量的拉伸操作，如提升系統的重載操作。第二，需要提高鋼絲繩的使用壽命，降低維護成本和風險。

綜上所述，結合實際情況，合理選擇鋼絲繩類型，能最大程度上提高煤礦立井提升系統的安全性和可靠性，同時降低維護成本和風險。

四、結語

本文通過對圓股鋼絲繩和三角股鋼絲繩的機械性能、使用壽命等方面進行比較研究，得出以下結論：

第一，圓股鋼絲繩具有較好的扭轉性能，但容易發生繞線和斷絲等問題，使用壽命相對較短。

第二，三角股鋼絲繩采用無扭轉設計，具有更高的抗扭轉性能和更長的使用壽命。

第三，在煤礦立井提升系統中，應根據實際情況選擇合適的鋼絲繩類型，以確保系統的安全運行。

本研究的結論對于煤礦立井提升系統的鋼絲繩選擇和安全性提升具有重要的參考價值，為鋼絲繩的優化提供了一定的理論依據和實踐經驗。

參考文獻：

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[2]GB 8918-2006 重要用途鋼絲繩[S].國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會，2006.

作者簡介：寇磊（1990），男，山西省大同市人，工程師，本科，主要研究方向為煤礦立井提升系統設計應用。