陳仁財 ,賀茂坤

(1.江銅集團(tuán)銀山礦業(yè)有限責(zé)任公司,江西 德興 334200;2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 引言

礦井提升鋼絲繩是懸掛提升容器并傳遞動力的關(guān)鍵部件,它是礦井提升系統(tǒng)的重要組成部分之一,對礦井提升系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起著非常重要的作用,其可靠性直接關(guān)系到礦山的正常生產(chǎn),影響升降人員的生命安全。提升鋼絲繩在工作運(yùn)行時,受多種交變動、靜應(yīng)力的作用,如拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、接觸應(yīng)力及擠壓應(yīng)力等等,這些應(yīng)力的反復(fù)作用將導(dǎo)致鋼絲繩疲勞失效、磨損失效。在礦山生產(chǎn)現(xiàn)場,由于提升鋼絲繩的失效斷裂而造成的重大事故時有發(fā)生,都給礦山生產(chǎn)造成了不同程度的人身傷亡及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。只有先找到各種工況下鋼絲繩的損傷失效機(jī)理,才能確定采取相應(yīng)策略對鋼絲繩進(jìn)行維護(hù)、檢測或作報廢更換的決策。研究分析提升鋼絲繩損傷失效機(jī)理,找到一些規(guī)律性的認(rèn)識,采取相應(yīng)的防護(hù)措施,遲緩提升鋼絲繩日常運(yùn)行時損傷進(jìn)程,最大限度的延長提升鋼絲繩的使用壽命和保證提升安全,對于礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 鋼絲繩失效形式及其機(jī)理分析

提升鋼絲繩是由一定數(shù)量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼細(xì)鋼絲捻制成股,再由若干股捻制成繩,中間夾有浸有專用防腐增摩油脂的繩芯制成。鋼絲主要起承受載荷的作用,鋼絲繩的破斷拉力大小主要取決于鋼絲的抗拉強(qiáng)度和繩股股數(shù)及絲徑。繩芯的作用為減少繩股間鋼絲的接觸應(yīng)力,增加鋼絲繩的彈性和韌性,減緩鋼絲繩彎曲應(yīng)力,儲存防腐增摩油脂。據(jù)統(tǒng)計分析,一般提升鋼絲繩的主要損傷為機(jī)械損傷,主要包括磨損、疲勞、外傷等,表現(xiàn)形式為斷絲、過量變形及外表損傷等。磨損、疲勞、外傷等都可導(dǎo)致斷絲,一般可從斷口的形態(tài)進(jìn)行判斷。磨損斷絲一般出現(xiàn)在鋼絲磨損嚴(yán)重的部位,斷口兩側(cè)呈斜茬,斷口扁平;疲勞斷絲一般出現(xiàn)在單側(cè)外層鋼絲上,其斷口較齊平;過載或張力破斷載荷斷絲,其斷口的鋼絲一般有所延展,同時直徑減小,呈現(xiàn)典型的“杯錐狀”斷口;腐蝕斷絲一般發(fā)生在具有腐蝕性介質(zhì)環(huán)境的工況下,其斷口形狀一般不整齊,呈針尖狀,如圖1 所示。

圖1 鋼絲繩斷絲斷口圖(10X)

1.1 磨損

根據(jù)磨損機(jī)理又可分為外部磨損和內(nèi)部磨損。外部磨損主要是指提升鋼絲繩在運(yùn)行過程中,其外周與主導(dǎo)輪(摩擦輪)、導(dǎo)向輪(或天輪)繩槽等物體表面接觸而引起的磨損。磨損使鋼絲繩的繩徑變細(xì)、個別鋼絲斷絲,鋼絲繩破斷拉力載荷隨之降低;在實(shí)際工作中,又有單邊磨損和全周磨損,單邊磨損比全周磨損更快失效,在全長范圍內(nèi)盡可能避免出現(xiàn)單邊磨損,做到均勻磨損,即全周磨損。內(nèi)部磨損主要是指鋼絲繩繞經(jīng)主導(dǎo)輪(摩擦輪)、天輪(或?qū)蜉?時所承受的載荷主要壓在鋼絲繩的一側(cè),同時由于鋼絲繩的彎曲,各繩股鋼絲的曲率半徑不可能完全相同,導(dǎo)致鋼絲繩內(nèi)部各根鋼絲之間相互產(chǎn)生作用力,且產(chǎn)生滑移,此時絲與絲、股與股之間接觸應(yīng)力增大,而產(chǎn)生磨損或局部壓痕,當(dāng)頻繁拉伸彎曲時產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)內(nèi)部斷絲。

(1)粘著磨損

摩擦式提升機(jī)是利用提升鋼絲繩與主導(dǎo)輪摩擦襯墊的摩擦力來傳遞動力。提升鋼絲繩與摩擦襯墊接觸時,鋼絲繩的繩股壓入摩擦襯墊的繩槽中,鋼絲繩張力在其接觸面產(chǎn)生法向力,由于繩股、鋼絲不完全在一個面上,接觸點(diǎn)局部應(yīng)力很大,以致兩表面無限接近,由于范德華力的存在,表面分子互相吸引,產(chǎn)生粘結(jié)點(diǎn)[1]。提升鋼絲繩與摩擦襯墊在某一瞬間是相對靜止的,但其相互接觸的表面是不斷變化的,提升鋼絲繩由于有彈性并承受拉應(yīng)力而在摩擦襯墊繩槽表面產(chǎn)生彈性滑動,即蠕動,就必然破壞這些粘結(jié)點(diǎn),而產(chǎn)生相互磨損或疲勞。如果系統(tǒng)瞬間提供的制動力過大或加、減速度過大,會使鋼絲繩在繩槽表面蠕動加劇或明顯滑動,將鋼絲繩與摩擦襯墊間嚴(yán)重的粘著磨損,導(dǎo)致疲勞斷絲或磨損斷絲,且滑動速度的增大,磨損量也增大。圖4 為鋼絲粘著磨損的SEM 圖。

提升鋼絲繩材料一般為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,摩擦襯墊材料一般為聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯或樹脂類。從硬度和強(qiáng)度上來看,鋼絲繩的硬度和強(qiáng)度都比摩擦襯墊大,故磨損量在襯墊一側(cè)明顯大于鋼絲繩側(cè),但磨損是相對的。摩擦系數(shù)是襯墊最重要的一項(xiàng)性能參數(shù),從使用角度考慮,摩擦襯墊應(yīng)具備其摩擦系數(shù)隨鋼絲繩蠕動速度的提高呈上升趨勢的特點(diǎn),以保證意外情況下引起非正常滑動時滑動速度收斂,但同時又會加劇鋼絲繩的磨損。另外,在摩擦過程中,摩擦能大部分轉(zhuǎn)化為熱能,且由于摩擦襯墊導(dǎo)熱系數(shù)很小,大部分熱量聚集在其表面,導(dǎo)致襯墊表面溫度升高。張德英等對失效后鋼絲繩的宏觀檢驗(yàn)和金相分析的結(jié)論為:鋼絲繩在使用過程中由于劇烈摩擦,表面產(chǎn)生脆性馬氏體薄層,是斷絲的根本原因。根據(jù)張德坤等的研究結(jié)果,在一定振幅下,僅考慮接觸應(yīng)力、微動時間、相對微動或蠕動速度等機(jī)械因素的情況下,粘著磨損與這些機(jī)械因素呈線性關(guān)系,如式(1)和圖2、圖3 所示:

圖2 摩擦系數(shù)隨載荷的變化曲線

圖3 潤滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)的變化曲線

圖4 外圍鋼絲粘著磨損圖(300X)

式中h(t)—微動磨損深度;

a、K—常數(shù);

P—鋼絲所受接觸應(yīng)力;

V—相對微動或蠕動速度;

T—微動磨損時間。

(2)微動滑移磨損

內(nèi)部磨損主要表現(xiàn)為鋼絲繩內(nèi)部鋼絲的微動滑移磨損。提升鋼絲繩在結(jié)構(gòu)上為絲-股-繩結(jié)構(gòu),在運(yùn)行過程中其內(nèi)部鋼絲受力狀態(tài)非常復(fù)雜,特別是繞經(jīng)主導(dǎo)輪(摩擦輪)、導(dǎo)向輪(或天輪)時,所承受的載荷主要壓在鋼絲繩的一側(cè),而此時各繩股鋼絲的曲率半徑不完全相同,導(dǎo)致鋼絲除經(jīng)受交變拉伸和彎曲應(yīng)力外,還承受接觸擠壓應(yīng)力、摩擦滑移,以及一定的扭矩和振動,這些力的綜合作用導(dǎo)致鋼絲繩內(nèi)部股與股、絲與絲之間產(chǎn)生一定的微動滑移磨損[2]。微動滑移磨損使鋼絲繩橫截面積減小,降低了鋼絲繩的使用強(qiáng)度,同時也導(dǎo)致一定的磨損深度。隨著時間的推移,在交變應(yīng)力作用下,將在最大磨損深度處產(chǎn)生應(yīng)力集中,并引發(fā)裂紋的萌生、擴(kuò)展直至斷裂。圖5 為鋼絲微動滑移磨損的SEM 圖。

圖5 內(nèi)部鋼絲微動磨損圖(300X)

(3)腐蝕磨損

腐蝕磨損是指當(dāng)摩擦副在摩擦過程中,摩擦表面與周圍腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生物質(zhì)損失的現(xiàn)象。提升鋼絲繩是在井筒中運(yùn)行,井筒環(huán)境一般潮濕,甚至淋水,大部分井筒可能還存在SO2、CO2、酸性水汽。對于沒有保護(hù)層的鋼絲繩很容易受到淋水,尤其是酸性淋水的影響而產(chǎn)生銹蝕。銹蝕往往與磨損相伴出現(xiàn),磨損在銹蝕的影響下加劇,而導(dǎo)致鋼絲繩機(jī)械性能過快降低。特別是有粉礦撒落的主井,由于撒落的粉礦微?；煺吃谔嵘摻z繩上,使提升鋼絲繩和摩擦襯墊之間的相互磨損加劇。提升鋼絲繩銹蝕破損一般可分為三個階段:輕微銹蝕,表現(xiàn)為鋼絲變黑,表面出現(xiàn)銹皮或少量細(xì)小點(diǎn)蝕;較重銹蝕,表現(xiàn)為鋼絲表面有較厚銹皮,點(diǎn)蝕部位出現(xiàn)麻坑;嚴(yán)重銹蝕,表現(xiàn)為鋼絲表面麻坑發(fā)展成溝紋,外層鋼絲松動或滲出“紅油”,甚至鋼絲失去原有截面形狀,說明鋼絲繩已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕磨損。圖6 為鋼絲腐蝕磨損的SEM 圖。

圖6 鋼絲腐蝕磨損圖(300X)

1.2 疲勞

多繩摩擦提升鋼絲繩疲勞損傷一般與磨損損傷相伴相生。提升鋼絲繩在運(yùn)行過程中,主要承受交變拉伸、彎曲、扭曲、擠壓疲勞,以及振動、滑移引起的疲勞磨損和過載引起的彈性形變等疲勞損傷。

鋼絲繩在重復(fù)繞經(jīng)主導(dǎo)輪、導(dǎo)向輪(或天輪)的過程中,繞上繞下,經(jīng)過無數(shù)次的彎曲、擠壓、扭曲等交變應(yīng)力的作用,以及承受無數(shù)次的振動、滑移磨損,容易使鋼絲繩產(chǎn)生疲勞及韌性下降,當(dāng)接觸區(qū)形成的循環(huán)應(yīng)力超過材料的疲勞強(qiáng)度,則在表面將引起裂紋,并逐步發(fā)展,最后使裂紋以上的材料斷裂或剝落,形成疲勞損傷。一般由拉伸、彎曲、扭曲以及蠕動等引起的疲勞斷絲多出現(xiàn)在繩股的彎曲程度最厲害的一側(cè)外層鋼絲上;由擠壓、振動、滑移磨損等引起的疲勞磨損斷絲多出現(xiàn)在繩股內(nèi)部鋼絲上。通常情況下,疲勞斷絲意味著鋼絲繩已經(jīng)接近使用后期。試驗(yàn)及使用經(jīng)驗(yàn)表明,鋼絲繩的疲勞壽命與D/d比值(即主導(dǎo)輪、天輪、導(dǎo)向輪等提升裝置的直徑D與鋼絲繩直徑d的比值)、提升鋼絲繩的安全系數(shù)、摩擦襯墊比壓、張力差和鋼絲繩結(jié)構(gòu)等均有密切的關(guān)系[3]。

鋼絲繩在運(yùn)行過程中,除了要承受終端負(fù)載、自重等靜載荷外,還要承受加速度和沖擊等引起的動載荷,以及由于鋼絲繩張力不平衡等引起的過載。鋼絲繩隨著動載荷的增加以及過載等會有微量的伸長,在動載荷和過載的反復(fù)作用下,鋼絲繩會產(chǎn)生疲勞累積,當(dāng)疲勞累積超過鋼絲繩的強(qiáng)度極限時,鋼絲繩有可能發(fā)生疲勞斷絲;過載的鋼絲繩即使不發(fā)生斷絲,其安全系數(shù)也會大幅度下降,縮短其使用壽命。鋼絲繩繞經(jīng)主導(dǎo)輪(摩擦輪)或?qū)蜉?天輪)時,承受的彎曲應(yīng)力可由下式初步計算:

式中δ彎—鋼絲繩承受彎曲應(yīng)力值;

β—鋼絲繩結(jié)構(gòu)系數(shù);

Δ—鋼絲繩鋼絲直徑;

D—導(dǎo)向輪或主導(dǎo)輪直徑;

E—鋼絲繩彈性模量。

1.3 實(shí)例分析

國內(nèi)某深井礦山主井雙箕斗提升系統(tǒng),采用JKM4.5X6 型多繩摩擦提升機(jī),首繩直徑Φ44 mm(6根)、三角股,塔式布置,主導(dǎo)輪圍包角190 °。井深1 060 m,提升高度1 104.9 m,最大提升速度12 m/s,提升加、減速度0.9 m/s2,箕斗自重34.5 t,有效載荷30 t。2003 年下半年投產(chǎn),截止2007 年底共使用了15 套提升鋼絲繩,最短的使用壽命3 個月,最長使用壽命也僅5～6 個月,明顯低于提升鋼絲繩的正常使用周期,過快失效。

從現(xiàn)場對失效鋼絲繩分析來看,鋼絲繩失效部位集中在導(dǎo)向輪側(cè),距離提升箕斗懸掛裝置約60～100 m 范圍內(nèi),表現(xiàn)為繩股移位、鋼絲繩捻距改變,出現(xiàn)繩股內(nèi)部斷絲及外圍斷絲,其斷口較齊平,并出現(xiàn)斜茬。從鋼絲繩失效表象來看,鋼絲繩屬于疲勞磨損失效,其損傷機(jī)理應(yīng)該屬于受多種應(yīng)力作用而疲勞失效。繩股內(nèi)部出現(xiàn)斷絲,說明鋼絲繩在交變拉伸、彎曲、接觸擠壓應(yīng)力以及振動的作用下,產(chǎn)生了微動滑移磨損。外圍出現(xiàn)斷絲說明鋼絲繩在交變拉伸、彎曲應(yīng)力的作用下,由于制動、沖擊或過載等引起鋼絲繩蠕動或滑移而產(chǎn)生疲勞磨損或粘著磨損,疲勞磨損為主[4]。出現(xiàn)繩股位移、鋼絲繩捻距改變說明在交變拉伸、沖擊載荷、扭曲應(yīng)力的作用下,發(fā)生鋼絲繩在導(dǎo)向輪、主導(dǎo)輪上或之間橫向滑移和扭曲,在三角股鋼絲繩內(nèi)應(yīng)力和外部交變應(yīng)力的反復(fù)作用下產(chǎn)生累積而失效。

針對鋼絲繩損傷機(jī)理,經(jīng)過考察和論證,該礦將提升鋼絲繩更換為圓股鋼絲繩,并降低了箕斗進(jìn)入卸載曲軌的線速度,以降低箕斗進(jìn)入曲軌時的沖擊載荷和由此引起的鋼絲繩的振動幅度,并嚴(yán)格定期檢查制度,保證鋼絲繩有良好的潤滑。從最近幾年的使用效果看,最短的1 套提升鋼絲繩使用周期為14 個月左右,失效周期明顯遲緩。

2 防治措施

2.1 正確、合理選擇鋼絲繩型號

為在同等載荷條件下降低主導(dǎo)輪(摩擦輪)直徑,有追求高抗拉強(qiáng)度鋼絲繩的趨勢。盡管高抗拉強(qiáng)度鋼絲繩可以承受更大的載荷和抗接觸擠壓能力,但其韌性卻降低了,在彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)的工作過程中,較容易產(chǎn)生疲勞磨損失效,因而選擇鋼絲繩時應(yīng)綜合考慮。選擇鋼絲繩應(yīng)首先考慮鋼絲繩的使用條件和環(huán)境,鋼絲繩的質(zhì)量一方面取決于鋼絲性能,另一方面取決于鋼絲繩的品種結(jié)構(gòu)及捻制方法。井筒淋水較大或存在酸堿性環(huán)境,或回風(fēng)井的提升鋼絲繩,一般需要選擇鍍鋅鋼絲繩;以彎曲疲勞失效為主要因素時,應(yīng)優(yōu)先選用線接觸或三角股鋼絲繩。對于千米深井,是優(yōu)先選用圓股鋼絲繩,還是多層不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩,或繼續(xù)使用三角股鋼絲繩,應(yīng)進(jìn)行充分的論證。如南非Driefontein 金礦,5#混合井采用多繩摩擦式提升機(jī),提升高度1 900 m,投產(chǎn)初期采用三角股鋼絲繩,由于鋼絲繩使用壽命短、磨損嚴(yán)重(7 個月左右),后期改為了non-spin 型鋼絲繩(即多層不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩),其使用壽命為3 年左右。

2.2 減少彎曲及接觸應(yīng)力、避免疲勞損傷

在滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》 (GB 16423—2020)規(guī)定的主導(dǎo)輪直徑與繩徑之比值的前提下,盡量增大主導(dǎo)輪與導(dǎo)向輪(或天輪)的直徑,以減少彎曲應(yīng)力;在滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2020)規(guī)定的靜防滑安全系數(shù)、動防滑安全系數(shù)以及安全制動減速度小于防滑極限減速度的前提下,適當(dāng)減小鋼絲繩在主導(dǎo)輪上的圍包角,增加主導(dǎo)輪與導(dǎo)向輪之間的距離,以減少彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力。

在提升系統(tǒng)使用過程中,必須保證鋼絲繩直徑與摩擦襯墊繩槽直徑的合理匹配。若繩槽過小,會擠壓鋼絲繩而產(chǎn)生斷絲;若繩槽過寬,則會使鋼絲繩與繩槽的接觸面積減小,而增加接觸應(yīng)力,導(dǎo)致過度磨損。同時,要及時進(jìn)行車削繩槽,保證繩槽直徑差控制在一定精度內(nèi),防止出現(xiàn)提升鋼絲繩張力不平衡,不能平均分配載荷,造成個別鋼絲繩過載,導(dǎo)致鋼絲繩在繩槽內(nèi)蠕動、甚至滑動而產(chǎn)生疲勞磨損。另外,要合理選擇優(yōu)質(zhì)摩擦襯墊,摩擦襯墊的性能優(yōu)劣與否直接影響提升系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全性能,優(yōu)質(zhì)摩擦襯墊應(yīng)具備機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)高而穩(wěn)定、彈性好等特點(diǎn),優(yōu)質(zhì)摩擦襯墊也可在一定程度上預(yù)防或減緩鋼絲繩張力不平衡的發(fā)生。

2.3 保持鋼絲繩良好的潤滑

保持鋼絲繩良好的潤滑對鋼絲繩的使用壽命影響很大。鋼絲繩維護(hù)需要專用的增摩油脂,這種增摩油脂必須具有良好的摩擦系數(shù),同時具備優(yōu)良的附著性、潤滑性、較高的滴點(diǎn)和良好的流動性。鋼絲繩在運(yùn)行過程中,油脂會隨著使用中損耗、擠脫、抖落,逐步地消耗,需要及時補(bǔ)充。涂浸鋼絲繩增摩油脂,能保持鋼絲繩股與股、絲與絲以及繩與繩槽之間有良好的潤滑,屏蔽環(huán)境腐蝕氣體、液體,減少鋼絲繩磨損、銹蝕,延長鋼絲繩使用壽命,減少換繩停工時間,保障安全。另外,增摩油脂可以在鋼絲繩及鋼絲外圍形成一層油膜,隔離兩摩擦表面,減少粘著磨損和微動滑移磨損,起到延長鋼絲繩使用壽命的作用。

2.4 合理確定提升系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)

確定合理的制動力矩,并根據(jù)設(shè)計確定的制動力矩對提升系統(tǒng)進(jìn)行正確的調(diào)試,防止提升鋼絲繩安全制動時打滑,以及緩解因制動力矩過大而造成的沖擊載荷[5]。

合理確定提升系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),建議實(shí)現(xiàn)加、減速度按可控曲線運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)線速度平滑過渡,消除脈沖現(xiàn)象,減少鋼絲繩的振動和拉伸應(yīng)力的波動,減少鋼絲繩的微動滑移磨損。

優(yōu)化卸載曲軌軌跡或適當(dāng)減小提升容器進(jìn)入卸載曲軌的線速度,減少或消除提升容器進(jìn)入卸載曲軌時的沖擊載荷,以及在卸載曲軌中運(yùn)行時的脈沖現(xiàn)象,從而減少鋼絲繩的振動和拉伸應(yīng)力的波動。

3 結(jié)論

提升系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),鋼絲繩在整個提升系統(tǒng)中起著無可替代的作用,在礦山的安全生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。由于提升鋼絲繩在工作過程中的載荷的不確定性,不可避免的產(chǎn)生各種損傷,導(dǎo)致鋼絲繩張力的實(shí)際承受能力降低或傷失。通過對鋼絲繩損傷機(jī)理的分析,并在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中積極的采取有針對性的防治措施,可以有效減緩這些機(jī)械損傷、延長鋼絲繩的使用壽命、遏制事故的發(fā)生,對礦井生產(chǎn)的安全運(yùn)行及礦山經(jīng)濟(jì)效益都有十分重要的意義。