張琦,李侃（.山東科技大學(xué),山東泰安700;.泰安得力凱特機(jī)械有限公司,山東泰安7000）

提升機(jī)滾輪罐耳膠胎的磨損分析與優(yōu)化探討

張琦1,李侃2
（1.山東科技大學(xué),山東泰安270012;2.泰安得力凱特機(jī)械有限公司,山東泰安271000）

摘要：針對(duì)提升機(jī)用滾輪罐耳在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的磨損快、壽命短等主要問(wèn)題，通過(guò)實(shí)踐分析排除了滾輪罐耳膠胎質(zhì)量問(wèn)題、滾輪罐耳結(jié)構(gòu)、軸承設(shè)計(jì)、罐道等因素，確定磨損產(chǎn)生的主要原因是提升容器的重力與提升力之差和滾輪慣性力的關(guān)系是否合理，滾輪與罐道之間是否有相對(duì)滑動(dòng)。并提出了提高膠胎壽命的措施，如加大膠胎內(nèi)徑，改變材質(zhì)，合理設(shè)計(jì)提升機(jī)加減速時(shí)間等。使膠胎厚度變薄、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，這樣即減輕重量、節(jié)省材料又改善滾輪罐耳的散熱條件。

關(guān)鍵詞：滾輪罐耳；膠胎；慣性矩；相對(duì)滑動(dòng)；磨損

隨著我國(guó)礦山開(kāi)采業(yè)的發(fā)展，各大礦山都在向大型化、高效化發(fā)展，立井的井深在不斷增加，提升速度不斷提高，提升容量也在不斷加大，因此對(duì)提升系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備及其關(guān)鍵零部件的質(zhì)量要求也相應(yīng)提高。

滾輪罐耳是在提升容器與罐道之間起著關(guān)鍵媒介做用的重要部件之一。它不僅起著支撐緩沖作用，還起到提升容器沿井筒軸線方向的導(dǎo)向作用，其工作質(zhì)量的好壞直接影響到礦山生產(chǎn)效率和提升容器正常運(yùn)行率。許多礦山都還在延用老式罐耳結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)存在以下幾方面的問(wèn)題：

（1）使用壽命短；

（2）故障率高；

（3）可靠性差；

（4）維修成本高；

（5）重量較重；

（6）提升容器的提升速度和效率都受到限制；

（7）散熱條件不好等。

近些年，滾輪罐耳膠胎損壞的問(wèn)題反映普遍，損壞的滾輪膠胎如果檢修更換不及時(shí)，常常會(huì)使提升系統(tǒng)出現(xiàn)緊急停車事故，不僅影響了正常的安全生產(chǎn)，還增加設(shè)備成本消耗，對(duì)礦井造成很大的損失。因此，查找膠胎磨損的原因并對(duì)滾輪罐耳進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得更加迫切。

1膠胎磨損原因分析

通過(guò)作者多年來(lái)走訪用戶調(diào)研發(fā)現(xiàn)，幾乎所有滾輪罐耳膠胎的損壞，都是由于它與罐道之間的相互摩擦造成的，為延長(zhǎng)膠胎的使用壽命，減少檢修時(shí)間，作者曾經(jīng)用過(guò)將膠胎加厚的方法，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)加厚的滾輪罐耳的使用壽命更短的非常規(guī)現(xiàn)象，一個(gè)礦一年要更換60多個(gè)滾輪罐耳。如此嚴(yán)重的損壞，便從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步分析主要原因：

1.1滾輪罐耳膠胎質(zhì)量問(wèn)題

將更改前后的膠胎和原膠胎取樣后進(jìn)行了各種理化實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果是其質(zhì)量前后一致，沒(méi)有什么區(qū)別。因此排除質(zhì)量因素造成的磨損加劇影響使用壽命。

1.2滾輪罐耳的結(jié)構(gòu)問(wèn)題

對(duì)于滾輪罐耳的結(jié)構(gòu)，在改進(jìn)前后并沒(méi)有改變，只是在保證膠胎安裝尺寸和外徑尺寸不變的情況下將膠胎加厚。

從以上的分析來(lái)看，幾種情況都不可能出現(xiàn)多個(gè)膠胎同時(shí)快速磨損的狀態(tài)，那么問(wèn)題出在什么地方呢？

作者經(jīng)過(guò)多次到使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行深入細(xì)致的了解觀察和理論上的認(rèn)真分析研究，終于發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題的所在。

從理論上講，膠胎出現(xiàn)周向均勻的磨損，它只有在膠胎與罐道之間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)是才能發(fā)生，而這一相對(duì)運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，要從提升容器的整個(gè)使用過(guò)程來(lái)分析：

首先提升容器由靜止啟動(dòng)時(shí)，滾輪也是由靜止開(kāi)始做加速轉(zhuǎn)動(dòng)，但是滾輪有一個(gè)靜止的慣性，當(dāng)提升的速度相對(duì)合理緩慢時(shí)，提升力與容器重力的差小于這個(gè)慣性力時(shí)，滾輪開(kāi)始平穩(wěn)的做勻加速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)不會(huì)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，滾輪膠胎也不會(huì)磨損；當(dāng)提升速度突然增大，提升力大于慣性力時(shí)，滾輪由于慣性的作用還處在較慢的啟動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)滾輪就會(huì)被拖動(dòng)，滾輪膠胎與罐道之間就有一個(gè)相對(duì)滑動(dòng)，從而產(chǎn)生了磨損，但這個(gè)磨損只是在滾輪膠胎的一個(gè)平面上產(chǎn)生。

當(dāng)提升容器完成啟動(dòng)，由加速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為正常的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾輪的轉(zhuǎn)速也變成了勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)膠胎與罐道之間便沒(méi)有了相對(duì)滑動(dòng)，只是在罐道上進(jìn)行純滾動(dòng)，所以在這一過(guò)程中磨損非常小。

當(dāng)提升容器即將到達(dá)預(yù)定位置時(shí)，提升容器便開(kāi)始做減速運(yùn)動(dòng)。在提升容器由勻速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為減速的時(shí)刻時(shí)，滾輪還處在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，它還保持著一個(gè)維持它轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性力，當(dāng)這個(gè)提升速度的減小相對(duì)合理緩慢時(shí)，容器重力與提升力的差小于滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性力，滾輪膠胎與罐道之間也不會(huì)有相對(duì)滑動(dòng)，也就不會(huì)產(chǎn)生磨損。當(dāng)容器減速過(guò)快，其重力與提升力的差大于滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性力時(shí)，滾輪與罐道之間就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而產(chǎn)生磨損，這時(shí)的磨損將是在整個(gè)圓周上的均勻磨損。這也就是滾輪膠胎產(chǎn)生均勻圓周磨損的根本原因。

2減少磨損機(jī)理分析

通過(guò)上面的分析，可以清楚的知道這個(gè)磨損的產(chǎn)生主要是提升容器的重力與提升力之差和滾輪慣性力的關(guān)系是否合理。而這一關(guān)系產(chǎn)生的關(guān)鍵位置又是在提升容器的啟動(dòng)的加速和停止的減速過(guò)程中。又因?yàn)樵趩?dòng)過(guò)程中的摩擦是一個(gè)滾輪被拖拉的過(guò)程，這一過(guò)程中的磨損只是一個(gè)平面的磨損，所以在這里不考慮。因此只研究滾輪在停止減速過(guò)程中的磨損情況。如圖1所示：

圖1滾輪罐耳減速時(shí)的受力圖

可以看出，在提升容器減速的過(guò)程中，滾輪受到輪軸給它的一個(gè)向上的力F；它自身的重力G；罐道給它的支撐力N；罐道對(duì)它的摩擦力f。

以輪軸O為旋轉(zhuǎn)軸，當(dāng)滾輪膠胎與罐道處于靜摩擦與滑動(dòng)摩擦的臨界點(diǎn)時(shí)，罐道對(duì)膠胎摩擦力產(chǎn)生的力矩與滾輪膠胎的慣性矩是相等的即

Tf＝TO①

Tf——摩擦力對(duì)輪軸的力矩，N

TO——膠胎對(duì)輪軸的慣性矩，N

摩擦力對(duì)輪軸的力矩見(jiàn)下式：

Tf＝kNR②

k——膠胎對(duì)罐道的摩擦系數(shù)

R——膠胎外半徑，m

膠胎對(duì)輪軸的慣性矩見(jiàn)下式：

TO＝Iε



I——膠胎對(duì)輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg?m2

ε——膠胎的角加速度,r/min

m——膠胎質(zhì)量,kg

r——膠胎內(nèi)半徑,m

ρ——膠胎密度,kg/m3

將②、③代入①得

3滾輪罐耳膠胎優(yōu)化設(shè)計(jì)

要想提高滾輪罐耳的膠胎壽命需盡量減小摩擦磨損，由公式④可以看出，影響膠胎壽命的主要因素有三個(gè)：一是膠胎的內(nèi)外徑，二是膠胎密度，三是膠胎的角加速度。為此可以從以下三方面尋找提高膠胎壽命的措施。

3.1加大膠胎內(nèi)徑，使膠胎厚度變薄

當(dāng)K、N、R、ρ、ε已定的情況下，r越小，膠胎對(duì)輪軸的慣性矩TO越大。這也就是說(shuō)，當(dāng)在保證膠胎外徑及其它條件不變情況下，減小膠胎內(nèi)徑，增加膠胎厚度時(shí)，其慣性矩TO也在增大，當(dāng)它超過(guò)摩擦力臨界點(diǎn)的慣性矩If時(shí)，膠胎就會(huì)與罐道之間出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象，從而造成膠胎整個(gè)圓周都出現(xiàn)均勻磨損加快的現(xiàn)象。所以為了減小膠胎的磨損，延長(zhǎng)膠胎的使用壽命就必須加大膠胎內(nèi)徑，使膠胎厚度變薄、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，這樣即減輕了重量、節(jié)省了材料、改善了滾輪罐耳的散熱條件，又降低了生產(chǎn)制造成本，同時(shí)還改善了產(chǎn)品的性能，延長(zhǎng)了滾輪罐耳的使用壽命，同時(shí)也為客戶提供了安全高效質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的產(chǎn)品，使設(shè)備能夠安全高效的正常運(yùn)行，從而也達(dá)到對(duì)滾輪罐耳優(yōu)化的目的。

3.2改善膠胎的材質(zhì)

選用密度低，重量輕的材質(zhì)制作膠胎，可以降低磨損。

3.3合理控制提升加減速度

縮短相對(duì)運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)）的時(shí)間與行程，減少磨損。即控制提升循環(huán)中加速和減速階段所占用時(shí)間和最大提升速度，并非速度越快越好，要綜合考慮能耗和設(shè)備維護(hù)成本確定合理的參數(shù)。

以上三種措施中，方案3.1最易實(shí)現(xiàn)，是現(xiàn)有提升機(jī)滾輪罐耳經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一種解決措施，現(xiàn)場(chǎng)使用效果很好。方案3.2有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。方案3.3要結(jié)合礦井產(chǎn)能與提升系統(tǒng)全壽命周期設(shè)計(jì)綜合考慮優(yōu)化。

4結(jié)論

綜上所述，對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)件來(lái)說(shuō)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其圓周均勻磨損時(shí)，不能為了延長(zhǎng)其使用壽命，以單一增加其磨損面的厚度來(lái)處理，在沒(méi)有找到引起問(wèn)題根本原因時(shí)，簡(jiǎn)單的如此處理往往會(huì)使其結(jié)果適得其反。

另外，目前有些個(gè)別客戶也往往會(huì)用單純的提高提升速度來(lái)提高生產(chǎn)能力，但實(shí)際上這樣的決定會(huì)帶來(lái)一定的負(fù)面影響。因?yàn)樵诟咛嵘俣鹊耐瑫r(shí)，滾輪罐耳的動(dòng)能也在加大，相同時(shí)間讓它停止轉(zhuǎn)動(dòng)所需的加速度也在加大，即摩擦力也在加大，當(dāng)它超過(guò)臨界摩擦力時(shí)，滾輪罐耳膠胎與罐道之間便會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，造成嚴(yán)重的磨損，降低了膠胎的使用壽命，增加了維修成本和維護(hù)工作量，影響了生產(chǎn)。這是處理此類事情必須注意的一點(diǎn)。因此需要從全壽命周期角度去綜合考慮提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[2]楊澎，宗良，華峰.新型滾輪罐耳在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].建井技術(shù)，1997(18):44-47.