杜向陽(yáng) 王秀平 賞龍軍 馮卓煒

(浙江省應(yīng)急管理科學(xué)研究院，浙江 杭州 310012)

0 引言

多繩摩擦式提升機(jī)由于結(jié)構(gòu)緊湊、提升速度快、提升深度不受卷筒容繩量限制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬非金屬地下礦山的立井提升中。同時(shí)，摩擦式提升機(jī)是依靠主提升鋼絲繩與摩擦輪之間的摩擦力進(jìn)行傳動(dòng)，完成對(duì)物體和人員的升降任務(wù)。提升鋼絲繩搭放在主導(dǎo)輪上，提升容器懸掛在兩端。當(dāng)電機(jī)主導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主導(dǎo)輪上的摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力便帶動(dòng)鋼絲繩隨著主導(dǎo)輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)容器上升或下降。這要求鋼絲繩與襯墊之間不應(yīng)有相對(duì)滑動(dòng)，但提升過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)襯墊摩擦系數(shù)降低、超載、制動(dòng)力矩調(diào)整不合理等，這些均可能造成工作時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)，引發(fā)一系列重大事故[1]，不僅會(huì)影響礦井的正常生產(chǎn)，甚至還會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

依照《金屬非金屬礦山在用摩擦式提升機(jī)安全檢測(cè)檢驗(yàn)規(guī)范》AQ 2021-2008，對(duì)摩擦式提升機(jī)開展定期檢測(cè)，是一種真實(shí)反映提升機(jī)運(yùn)行安全狀況并能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩滑移等安全隱患，保障摩擦式提升機(jī)安全運(yùn)行的有效手段。

1 提升機(jī)概況及檢測(cè)設(shè)備

2019年12月，檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)浙江蘭溪某螢石礦企業(yè)在用的落地式多繩摩擦式提升機(jī)進(jìn)行了定期檢測(cè)，該提升機(jī)安裝于地面，為該礦豎井提升作業(yè)人員和物料的關(guān)鍵設(shè)備，也是礦山生產(chǎn)的咽喉要道。其技術(shù)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 落地式多繩摩擦式提升機(jī)技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Technical parameters of floor type multi rope friction hoist

該提升機(jī)系統(tǒng)組成示意圖[2](如下圖)，其中首繩4根，光面重要用途鋼絲繩，型號(hào)為6×19S+FC，直徑22mm，使用時(shí)間2年，鋼絲繩實(shí)際磨損量為2.1%，重量共計(jì)2.45t；尾繩2根，直徑30mm，重量共2.52t；空載罐籠重量6.8t，重載罐籠重量12.7t，平衡錘重量9.5t，罐籠和平衡錘分別懸掛在鋼絲繩的上下兩端，尾繩用來(lái)保證提升罐籠的平衡性；罐籠允載礦車2輛，物料和礦車重量共計(jì)5.9t，經(jīng)計(jì)算最大靜張力差32.7kN。

圖 落地式摩擦式提升機(jī)系統(tǒng)的組成Fig. Composition of floor type friction hoist

檢測(cè)專用設(shè)備采用了某大學(xué)下屬單位開發(fā)的礦用機(jī)電設(shè)備無(wú)線多參數(shù)測(cè)試儀，型號(hào)為CDD11W(A)，并經(jīng)過(guò)計(jì)量校準(zhǔn)，檢測(cè)精度有效且可溯源。該設(shè)備打破了傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)傳輸方式，采用短距離(≤20m(無(wú)中繼)和≤40m(有中繼))無(wú)線傳輸，使得測(cè)試時(shí)不用再考慮傳感器的數(shù)據(jù)線被卷入測(cè)試對(duì)象的旋轉(zhuǎn)部件的風(fēng)險(xiǎn)，且因無(wú)數(shù)據(jù)線的牽絆，可以讓檢測(cè)人員與測(cè)試對(duì)象保持更遠(yuǎn)的距離，作業(yè)位置更加安全便捷，更加適合于井下硐室中的檢測(cè)作業(yè)。

2 鋼絲繩滑移情況

檢測(cè)人員在測(cè)試完成制動(dòng)器液壓曲線、正常運(yùn)行速度曲線，并驗(yàn)算制動(dòng)力矩滿足安全要求后，對(duì)提升機(jī)進(jìn)行了空罐狀態(tài)下的安全制動(dòng)測(cè)試。為測(cè)試提升機(jī)的制動(dòng)減速度，將速度傳感器滾輪緊貼在制動(dòng)盤上，盡力保持與摩擦輪外徑相同的位置，同時(shí)，從司機(jī)操作臺(tái)的緊停按鈕電接點(diǎn)回路上，取出同步的220V交流電壓，目的是可以在按鈕動(dòng)作時(shí)，電壓階躍的脈沖前沿作為安全制動(dòng)的記時(shí)起點(diǎn)，確保制動(dòng)減速度的測(cè)試精度?？紤]到配重側(cè)重量大于罐籠側(cè)重量，類似于提升重載的工況，可獲得大制動(dòng)減速度，故安全制動(dòng)測(cè)試采用罐籠由井口按提升物料的速度(6.1m/s)下放運(yùn)行方式。

當(dāng)罐籠與配重在井筒內(nèi)相遇時(shí)，按下緊停按鈕使安全控制回路動(dòng)作，對(duì)提升機(jī)實(shí)施安全制動(dòng)。觀察鋼絲繩滑移情況，同時(shí)記錄圖1所示4、5位置2個(gè)編碼器反饋的高度值。由于罐籠在井口位置時(shí)，2個(gè)編碼器同時(shí)清零，且摩擦輪與天輪外徑相同，故在鋼絲繩與摩擦輪間不出現(xiàn)滑移的情況下，2個(gè)編碼器反饋高度值是基本一致。

按照設(shè)定程序?qū)嵤┌踩苿?dòng)后，目測(cè)鋼絲繩滑移明顯，2個(gè)編碼器高度差距較大，超出提升機(jī)控制誤差設(shè)定值，導(dǎo)致提升機(jī)故障報(bào)警，制動(dòng)減速度超過(guò)5m/s2。

經(jīng)過(guò)2次試驗(yàn)，結(jié)果基本一致，見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試結(jié)果表Tab.2 Test result

按照《金屬非金屬礦山在用摩擦式提升機(jī)安全檢測(cè)檢驗(yàn)規(guī)范》AQ 2021-2008判定規(guī)則，出現(xiàn)鋼絲繩滑移現(xiàn)象、安全制動(dòng)減速度超過(guò)5m/s2，均屬于A類不符合項(xiàng)[3]，檢測(cè)人員可直接判定該提升機(jī)安全性能為“不合格”。

3 滑移及制動(dòng)減速度超差原因分析

為了盡快消除提升機(jī)現(xiàn)存的安全隱患，幫助企業(yè)盡快恢復(fù)生產(chǎn)，檢測(cè)人員和企業(yè)維護(hù)人員一起，對(duì)滑移現(xiàn)象及制動(dòng)過(guò)快的情況開展了原因分析。

根據(jù)歐拉原理可知：T1>T2時(shí)，T1=T2eμα。

式中：

T1—重載側(cè)鋼絲繩的拉力，N；

T2—輕載側(cè)鋼絲繩的拉力，N；

μ—鋼絲繩與主導(dǎo)輪襯墊間的摩擦因數(shù)；

α—鋼絲繩在主動(dòng)輪上的圍包角；

e—自然對(duì)數(shù)的底，取值2.718。

摩擦輪兩側(cè)鋼絲繩的拉力差為：T1-T2=T2(eμα-1)。

其中：左邊表示主導(dǎo)輪兩側(cè)鋼絲繩的張力差值，張力差值驅(qū)使鋼絲繩產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。右邊表示鋼絲繩與摩擦襯墊間的摩擦力，摩擦力會(huì)阻止鋼絲繩產(chǎn)生相對(duì)主導(dǎo)輪滑動(dòng)。工作中，若T1-T2>T2(eμα-1)，則鋼絲繩將發(fā)生滑動(dòng)[4]。由此可以看出，導(dǎo)致鋼絲繩產(chǎn)生滑移的影響因素主要有摩擦輪兩側(cè)鋼絲繩張力差、鋼絲繩與摩擦輪襯墊材料之間的摩擦系數(shù)及鋼絲繩與摩擦輪的包角。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各組成部件的觀察，查閱安全設(shè)計(jì)專篇關(guān)于提升機(jī)選型驗(yàn)算以及鋼絲繩、液壓站等質(zhì)量證明文件后，研判得出造成本案鋼絲繩滑移的主要原因如下：

(1)鋼絲繩表面存在油膜：由于提升鋼絲繩選用型號(hào)為6×19S+FC光面重要用途鋼絲繩(表明涂油型)，繩芯含油量較多，即使在安裝時(shí)清洗了鋼絲繩表面油膜，但在運(yùn)行過(guò)程中鋼絲繩受力擠壓，仍會(huì)將繩芯內(nèi)的油自內(nèi)而外滲出，在表面形成了油膜。企業(yè)雖然在鋼絲繩表面涂抹了增摩脂，因表面油膜的存在，增摩脂與油膜混合后，反而降低了鋼絲繩與摩擦輪間的摩擦系數(shù)。

(2)首繩長(zhǎng)度不一致導(dǎo)致4根繩的受力不一：鋼絲繩運(yùn)行一段時(shí)間后，由于受力及材質(zhì)的差異，導(dǎo)致4根鋼絲繩的伸長(zhǎng)率不一致，且超出張緊器的調(diào)節(jié)長(zhǎng)度范圍后，使得較長(zhǎng)鋼絲繩的張力不足，降低了鋼絲繩與摩擦輪間的靜摩擦力。

造成安全制動(dòng)減速度超差的原因，經(jīng)過(guò)分析還是因安全制動(dòng)時(shí)鋼絲繩發(fā)生滑移，在摩擦輪上形成的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化所致：在安全制動(dòng)時(shí)，如鋼絲繩與摩擦輪間未發(fā)生滑移時(shí)，鋼絲繩與摩擦輪上形成的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一致的；但當(dāng)鋼絲繩與摩擦輪間出現(xiàn)滑移時(shí)，它們之間的動(dòng)摩擦力遠(yuǎn)小于滑移前靜摩擦力，致使原有通過(guò)靜摩擦力而加于摩擦輪上的罐籠、配重及鋼絲繩的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅度減少，從而在作用于摩擦輪上的制動(dòng)力相同情況下，制動(dòng)時(shí)間明顯縮短而造成減速度大幅增大。

4 解決問(wèn)題

在上述原因分析的基礎(chǔ)上，考慮到現(xiàn)實(shí)存在的問(wèn)題及減少后期維護(hù)強(qiáng)度等因素，企業(yè)采用了如下整改措施：

(1)更換4根首繩：在經(jīng)過(guò)強(qiáng)度驗(yàn)算滿足要求后，選擇了內(nèi)芯含油量較少的鍍鋅異形股重要用途鋼絲繩，型號(hào)為6V×21+FC(表面不涂油)；在掛繩前，用柴油清洗鋼絲繩表面油膜。

(2)用柴油清洗干凈摩擦輪、天輪、導(dǎo)向輪繩槽殘余的含油增摩脂。

(3)對(duì)液壓平衡裝置進(jìn)行檢查保養(yǎng)，確保設(shè)備工作狀態(tài)可靠[5]；調(diào)整4根鋼絲繩長(zhǎng)度，保證鋼絲繩液壓平衡裝置油缸長(zhǎng)度滿足張力調(diào)節(jié)的范圍。

經(jīng)過(guò)上述處理后，檢測(cè)人員按照前次安全制動(dòng)測(cè)試方法，對(duì)該提升機(jī)進(jìn)行了2次測(cè)試，結(jié)果完全達(dá)到預(yù)期效果，具體數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。表3中顯示的滑移距離應(yīng)是摩擦輪與天輪繩槽直徑誤差所致，實(shí)質(zhì)上鋼絲繩無(wú)滑移。

表3 整改后測(cè)試結(jié)果表Tab.3 Test results after rectification

5 建議

(1)多繩摩擦式提升機(jī)使用單位應(yīng)重視對(duì)鋼絲繩的選型，除了考慮鋼絲繩受力滿足安全系數(shù)要求外，還要考慮鋼絲繩使用過(guò)程中表面油膜的形成，建議選擇表面不涂油型鋼絲繩。

(2)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)摩擦式提升機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，在鋼絲繩使用一定時(shí)間后，及時(shí)清洗鋼絲繩表面油膜，確保鋼絲繩與摩擦輪的摩擦系數(shù)在任何運(yùn)行工況下，均能滿足不滑移的要求。

(3)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)提升機(jī)維護(hù)人員的能力培養(yǎng)，掌握多繩摩擦式提升機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)造及運(yùn)行原理，明確日常檢查內(nèi)容和定期維護(hù)內(nèi)容，確保設(shè)備安全性能始終處于受控狀態(tài)。

(4)在發(fā)現(xiàn)鋼絲繩滑移情況時(shí)，應(yīng)立即停止運(yùn)行，查明原因并解決后，方能再次投入使用。

(5)嚴(yán)格遵守定期檢測(cè)制度，以全面地掌握提升機(jī)安全性能狀態(tài)。

6 結(jié)論

在任何運(yùn)行工況下，確保鋼絲繩與摩擦輪間不能出現(xiàn)任何滑移，是多繩摩擦式提升機(jī)安全運(yùn)行的重要保障指標(biāo)。通過(guò)上文中對(duì)特定案例中鋼絲繩滑移原因分析及問(wèn)題的解決，可以看出使用企業(yè)應(yīng)該落實(shí)專人掌握一定深度的摩擦式提升機(jī)運(yùn)行機(jī)理，避免鋼絲繩選型錯(cuò)誤的類似事項(xiàng)發(fā)生，減少損失。同時(shí)，由于摩擦式提升機(jī)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜且安全保障措施較為全面，使用企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)維護(hù)保養(yǎng)力量的培養(yǎng)，嚴(yán)格落實(shí)日常保養(yǎng)制度，滿足提升機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)的能力要求，以充分發(fā)揮摩擦式提升機(jī)的優(yōu)勢(shì)，為企業(yè)高效、安全的生產(chǎn)提供有力保障。