韓瑞軍， 王會來， 張 偉

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 概述

提升鋼絲繩用于懸掛提升容器，并通過提升機(jī)帶動提升容器上升或下降，提升鋼絲繩的安全可靠直接關(guān)系到提升系統(tǒng)的正常使用，對礦山正常生產(chǎn)、人員安全也有非常重要的影響。提升鋼絲繩受力比較復(fù)雜，主要有靜拉力、慣性力、彎曲力、接觸力、扭轉(zhuǎn)力，經(jīng)循環(huán)反復(fù)作用[1]，引起鋼絲繩彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)疲勞破壞以及由其它因素引起磨損和銹蝕等破壞[2]，這些都影響到鋼絲繩的使用壽命，對礦井提升中的安全可靠性有重要影響。深井提升鋼絲繩的合理正確選擇，對于礦井提升系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。

隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)向地下不斷發(fā)展，礦山開采深度逐漸加深，深井提升遇到的問題也逐漸出現(xiàn)。提升鋼絲繩使用壽命隨著深度的提高加速下降。提升高度在800 m以后的豎井提升系統(tǒng)，提升鋼絲繩使用壽命一般在兩年左右；提升高度提高到1 000 m左右時，提升鋼絲繩剛開始裝備時，由于礦山?jīng)]有達(dá)產(chǎn)，初期提升礦石量不多，提升鋼絲繩壽命一般也在兩年左右，鋼絲繩斷絲數(shù)量也不多。但隨著礦山產(chǎn)量增加，提升鋼絲繩斷絲數(shù)量增加較快，鋼絲繩壽命急劇下降，一般在1年左右，有的甚至只有6個月左右[3]。提升鋼絲繩壽命的急劇下降，對整個提升系統(tǒng)產(chǎn)生了很大影響，不僅增加了換繩次數(shù)，也增加了運(yùn)營成本，對礦山的生產(chǎn)也產(chǎn)生了較大影響。因此，解決深井提升鋼絲繩的問題非常緊迫，對保障深井提升系統(tǒng)的安全至關(guān)重要。

1 深井提升鋼絲繩的受力特點(diǎn)

由于井深增加、規(guī)模增大，提升系統(tǒng)參數(shù)相應(yīng)增大。深井提升系統(tǒng)的基本特點(diǎn)為提升高度大，提升速度高，載重量大，提升鋼絲繩直徑大、質(zhì)量重、抗拉強(qiáng)度高，提升機(jī)卷筒直徑大[4]。深井提升系統(tǒng)的特點(diǎn)表現(xiàn)如下：

(1)提升容器載重占提升鋼絲繩終端負(fù)荷的比例減??；

(2)提升鋼絲繩負(fù)載變化率加大；

(3)提升鋼絲繩承載能力變低。

2 深井提升鋼絲繩失效的形式

提升鋼絲繩的受載復(fù)雜，磨損、腐蝕和疲勞為提升鋼絲繩失效的主要形式，這三類因素同時發(fā)生，最終引起提升鋼絲繩的失效[5]。

提升鋼絲繩的高速往復(fù)運(yùn)動，使鋼絲繩受交變荷載，導(dǎo)致鋼絲繩的疲勞斷裂。疲勞斷裂是提升鋼絲繩的主要失效形式。

提升鋼絲繩失效形式按交變載荷的形式不同，可分為拉壓疲勞、接觸疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、彎曲疲勞等形式。深井提升系統(tǒng)由于提升高度大，提升速度高，載重量大，導(dǎo)致提升鋼絲繩張力變化更大。隨著提升高度的增加，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力對鋼絲繩壽命的影響隨之增大[6]。提升高度超過1 000 m后，扭轉(zhuǎn)疲勞成為影響提升鋼絲繩壽命的主要因素。

3 深井提升鋼絲繩失效規(guī)律研究

3.1 提升鋼絲繩使用壽命影響因素分析

提升鋼絲繩使用壽命和很多因素有關(guān)，一般認(rèn)為與提升高度、提升速度、鋼絲繩直徑參數(shù)等有關(guān)。提升高度增加，鋼絲繩的張力變化加大；提升速度增加，鋼絲繩加減速段沖力更大；鋼絲繩直徑增加，由于提升的物料重量增加，鋼絲繩的張力也變大，另外，鋼絲繩隨著直徑增加彈性變差。由于鋼絲繩壽命與各因素間的函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜，用線性模型很難描述函數(shù)關(guān)系特征，一般認(rèn)為非線性模型可以近似描述這種函數(shù)關(guān)系特征。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適于非線性函數(shù)能力，經(jīng)過多次訓(xùn)練可以找到輸入輸出參數(shù)之間的映射關(guān)系函數(shù)[7]。

3.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用非線性函數(shù)進(jìn)行權(quán)值訓(xùn)練的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般由輸入層、輸出層和隱含層組成。

(1)輸入?yún)?shù)的選擇確定

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，選取提升高度(m)、提升速度(m/s)、鋼絲繩直徑(mm)作為為輸入?yún)?shù)。

(2)輸出參數(shù)的選擇確定

考慮到研究提升系統(tǒng)參數(shù)的目的，選取提升鋼絲繩使用壽命(月)為輸出參數(shù)。

(3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行復(fù)雜非線性函數(shù)的映射模擬，達(dá)到曲線擬合的目的。基于Kolmogorov3層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)映射定理，根據(jù)分析問題需要，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計中，輸入層單元個數(shù)為3個，隱含層單元個數(shù)為7個，輸出層單元個數(shù)為1個，隱函數(shù)選用Sigmoid型函數(shù)，輸出層函數(shù)選用Purelin型函數(shù)[7]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用

根據(jù)收集的鋼絲繩使用壽命數(shù)據(jù)，以及其他礦山收集的鋼絲繩使用數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的樣本數(shù)據(jù)。

將上述樣本數(shù)據(jù)中前22組數(shù)據(jù)輸入模型進(jìn)行訓(xùn)練，最后4組數(shù)據(jù)作為模型驗證數(shù)據(jù)。由于樣本數(shù)據(jù)間數(shù)值差別比較大，并且各指標(biāo)不同，為了方便計算，對樣本的輸入?yún)?shù)進(jìn)行歸一化處理。

3.3 分析結(jié)果

訓(xùn)練完畢后，選取最后4組樣本數(shù)據(jù)，分析測試驗證網(wǎng)絡(luò)模型。輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)如表1所示，輸入?yún)?shù)歸一化處理后輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)行預(yù)測計算，輸出的結(jié)果及預(yù)測誤差如表2所示。模型輸出預(yù)測值與實際值數(shù)據(jù)對比圖如圖2所示。

表1 模型檢驗輸入數(shù)據(jù)表

表2 模型輸出預(yù)測值與實際值數(shù)據(jù)對比

圖2 模型輸出預(yù)測值與實際值數(shù)據(jù)對比圖

由表2可知，預(yù)測誤差偏大，分析原因主要有兩個，一是訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)較少，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型不完善，不能很好的反映實際情況；二是樣本數(shù)據(jù)有些不準(zhǔn)確，需要剔除部分偏差較大的數(shù)據(jù)。后續(xù)工作會繼續(xù)收集鋼絲繩現(xiàn)場使用數(shù)據(jù)，完善樣本數(shù)據(jù)庫，建立比較接近的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

根據(jù)建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測豎井提升系統(tǒng)提升高度和鋼絲繩使用壽命的關(guān)系，提升高度為800～1 500 m，提升速度12 m/s，鋼絲繩直徑44 mm。模型計算后輸出結(jié)果,提升高度與鋼絲繩壽命關(guān)系如圖3所示。

圖3 提升高度與鋼絲繩壽命關(guān)系圖

由圖3所知，提升鋼絲繩的壽命隨提升高度的提高而逐漸降低，總體趨勢比較明顯，驗證了深井提升鋼絲繩的特點(diǎn)。此模型的建立是在現(xiàn)有的提升豎井?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上測算的，鋼絲繩采用常規(guī)的三角股鋼絲繩或者單層圓股鋼絲繩。通過圖3，初步表明在

現(xiàn)有技術(shù)水平基礎(chǔ)之上建設(shè)多繩摩擦式超深礦井，鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和性能需要進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)論

多繩摩擦提升系統(tǒng)隨著提升深度的增加，提升鋼絲繩的承載能力下降?，F(xiàn)有的三角股鋼絲繩和單層圓股鋼絲繩不適合深井大載重提升。深井提升鋼絲繩選用具有抗旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)對深井大載重提升具有重要意義。提升系統(tǒng)根據(jù)不同深度、不同載重需求選擇合適鋼絲繩來適應(yīng)深井提升的特點(diǎn)，以保障提升系統(tǒng)安全運(yùn)行需要。