李彥輝

(遼寧能源煤電產(chǎn)業(yè)股份有限公司，遼寧 沈陽 110014)

目前我國煤礦礦井提升系統(tǒng)主要是依靠鋼絲繩提升罐籠來完成。沈陽焦煤股份有限公司林盛煤礦副井提升系統(tǒng)安裝有2臺多繩摩擦輪提升機(jī)，采用的鋼絲繩由于傳統(tǒng)的楔形繩環(huán)和首繩懸掛裝置自身結(jié)構(gòu)和剛性固接工作原理的限制，存在提升鋼絲繩扭轉(zhuǎn)力矩積聚嚴(yán)重、實際使用壽命較短、張力自動平衡裝置平衡精度較低、日常調(diào)繩工序繁瑣效率低下等問題，人為操作或設(shè)備故障而發(fā)生的小幅超載時有發(fā)生，雖然未釀成安全生產(chǎn)事故，但是仍存在一定的安全隱患，一旦提升系統(tǒng)出現(xiàn)意外，對礦井的安全生產(chǎn)影響會特別大。因此有必要對傳統(tǒng)的鋼絲繩連接器的連接方式進(jìn)行研究分析和優(yōu)化設(shè)計，改善整條提升鋼絲繩的受力狀況，提高提升鋼絲繩的可靠性和安全性。

1 新型首繩懸掛裝置的方案設(shè)計

新型多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置旨在替代現(xiàn)有的楔形繩環(huán)和XSZ型張力平衡自動懸掛裝置，要求既能夠?qū)崿F(xiàn)楔形繩環(huán)的鎖繩功能，實現(xiàn)XSZ型張力平衡自動懸掛裝置的張力自動平衡功能，同時還需要克服上述兩種裝置存在的問題與弊端，進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化和功能完善。綜合礦井實際情況，從以下4個方面進(jìn)行新型首繩懸掛裝置的方案設(shè)計。

1.1 張力自動平衡方案的設(shè)計

目前礦井普遍使用的XSZ型張力平衡自動懸掛裝置，其在張力平衡方面的使用效果基本能夠滿足礦井日常生產(chǎn)的需要。但是，現(xiàn)有的懸掛裝置調(diào)繩距離較短，而所有礦井在更換新繩后，新繩的塑性變形較大，要求首繩懸掛裝置具有較大的調(diào)繩距離來調(diào)節(jié)和平衡新繩的塑性變形。特別是隨著井深的增加，鋼絲繩的總變形量增大，調(diào)繩的范圍和頻率更高，對最大調(diào)繩距離的要求更高。因此，在新型首繩懸掛裝置的設(shè)計方案中，依舊采用多功能閉環(huán)無源液壓連通自動平衡模式，只需根據(jù)實際需要改進(jìn)液壓缸結(jié)構(gòu)，增加設(shè)備的最大調(diào)繩距離，提升液壓元器件的密封性能，引入一定的自動控制技術(shù)提高設(shè)備的操控性即可。

1.2 連接方式(約束)方案的設(shè)計

楔形繩環(huán)和XSZ型張力平衡自動懸掛裝置最大的缺點就是采用了剛性連接，限制了鋼絲繩和提升罐籠之間的自由度，這種全約束會導(dǎo)致提升鋼絲繩隨著提升罐籠的交變振動和擺動發(fā)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而逐步產(chǎn)生巨大的扭轉(zhuǎn)力矩，所帶來的應(yīng)力集中和剪切應(yīng)力很容易使鋼絲發(fā)生破斷。因此，在新型首繩懸掛裝置的設(shè)計方案中，將嘗試取消鋼絲繩和懸掛裝置軸向旋轉(zhuǎn)的約束，使得懸掛裝置能夠有條件地帶動鋼絲繩以鋼絲繩為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以此來釋放積聚在鋼絲繩上的扭轉(zhuǎn)力矩，減小扭轉(zhuǎn)力矩對鋼絲繩的剪切破壞。在方案設(shè)計中，要求鋼絲繩和懸掛裝置的軸向旋轉(zhuǎn)是有條件的，只有扭轉(zhuǎn)力大到足以克服壓力油對缸筒的壓阻時，才會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動作來釋放扭轉(zhuǎn)力。

1.3 鎖緊方式方案的設(shè)計

楔形繩環(huán)采用的彎曲鎖繩結(jié)構(gòu)，將首繩沿楔形繩環(huán)繩槽彎曲纏繞一周，然后用繩卡固定，實現(xiàn)了剛性連接。采用這種鎖緊方式確實可以牢固鎖緊鋼絲繩，但是在井筒惡劣的工況條件下，繩卡處的螺栓螺母很容易發(fā)生銹蝕，日常維護(hù)十分不便，當(dāng)需要緊繩或者拆換鋼絲繩時非常困難，簡單的工作就要耗費(fèi)大量的人力和工時。同時，采用的彎曲鎖繩結(jié)構(gòu)，折彎后與楔形繩環(huán)接觸的那部分鋼絲繩在巨大的壓力下容易發(fā)生變形，會壓斷一部分鋼絲，在調(diào)繩時需要截取一大段受損的鋼絲繩，限制了鋼絲繩的調(diào)繩空間。因此，在新型首繩懸掛裝置的設(shè)計方案中，采用直連式一鎖、二備、三保險的平面斜楔鎖繩結(jié)構(gòu)。

1.4 備用擴(kuò)展功能方案的設(shè)計

礦井開采深度越來越大，提升速度顯著加快，提升罐籠的單次提升量也在不斷增加。在這種高負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下，礦井提升系統(tǒng)的事故頻率有增加趨勢，包括提升系統(tǒng)超載引起的斷繩、墜罐，系統(tǒng)運(yùn)行過程中的卡罐、振動沖擊、過卷過放等，這些事故的原因大多與鋼絲繩張力即提升載荷有關(guān)。針對上述問題，在新型首繩懸掛裝置的設(shè)計方案中，特意在連通的液壓管路預(yù)留了備用的快速接頭和提升載荷無線監(jiān)測裝置的位置，只要條件允許隨時都可以進(jìn)行功能擴(kuò)展，實現(xiàn)對各個鋼絲繩張力值的動態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測提升載荷一旦發(fā)生異常便會發(fā)出聲光警告，及時判斷、發(fā)現(xiàn)和排除故障，提高礦井提升工作的可靠性。

2 新型首繩懸掛裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

懸掛裝置包括油缸、旋轉(zhuǎn)鎖繩器、步進(jìn)調(diào)(鎖)繩器、鎖繩卡、下筒體、連接叉、銷軸等。設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 新型首繩懸掛裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖

旋轉(zhuǎn)鎖繩器分為楔塊A，楔塊B和導(dǎo)向體，楔塊A和楔塊B在導(dǎo)向體中上下運(yùn)動，向上移動可以鎖緊鋼絲繩，向下移動可以解鎖鋼絲繩。旋轉(zhuǎn)鎖繩器鎖緊鋼絲繩后可隨鋼絲繩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力旋轉(zhuǎn)，油缸下端通過外壁與下筒體相連接，下筒體與需要提升的容器連接在一起，鎖繩卡安裝在鋼絲繩的尾端。多繩提升時，每根鋼絲繩安裝一架懸掛裝置，油缸的上進(jìn)油口多個聯(lián)通由開關(guān)總閥A統(tǒng)一控制，下進(jìn)油口多個聯(lián)通由開關(guān)總閥B統(tǒng)一控制。步進(jìn)鎖繩器可以鎖住鋼絲繩，步進(jìn)調(diào)(鎖)繩器包括楔塊C，楔塊D和導(dǎo)向套，楔塊C和楔塊D在導(dǎo)向套中向上運(yùn)動鎖住鋼絲繩，向下運(yùn)動解鎖鋼絲繩，步進(jìn)調(diào)(鎖)繩器與下筒體可以通過銷固定。

安裝時，將鋼絲繩依次穿過油缸，旋轉(zhuǎn)鎖繩器，步進(jìn)調(diào)(鎖)繩器，鎖繩卡，楔塊A和楔塊B向上移動,旋轉(zhuǎn)鎖繩器鎖緊鋼絲繩，向上推動楔塊C和楔塊D，步進(jìn)鎖繩器鎖緊鋼絲繩，固繩夾板夾緊鋼絲繩。當(dāng)需要竄繩時，打開要竄繩的鋼絲繩上的油缸的上進(jìn)油口和下進(jìn)油口，關(guān)閉其他鋼絲繩上油缸的上進(jìn)油口和下進(jìn)油口。如果油缸活塞不在上極限位置，從油缸下進(jìn)油口加壓帶動旋轉(zhuǎn)鎖繩器向上運(yùn)動，到達(dá)需要竄繩的位置；若油缸活塞在上極限位置，從油缸上進(jìn)油口加壓，帶動旋轉(zhuǎn)鎖繩器和步進(jìn)鎖繩器向下運(yùn)動，將步進(jìn)鎖繩器移動到與銷配合的位置，將步進(jìn)鎖繩器和外壁通過銷固定，此時旋轉(zhuǎn)鎖繩器的楔塊A和楔塊B被油缸帶動向下運(yùn)動，解鎖旋轉(zhuǎn)鎖繩器，從油缸下進(jìn)油口加壓，帶動楔塊A和楔塊B向上運(yùn)動，鎖緊旋轉(zhuǎn)鎖繩器，此時油缸帶動步進(jìn)鎖繩器的導(dǎo)向套向上運(yùn)動，楔塊C和楔塊D相對導(dǎo)向套向下運(yùn)動，解鎖步進(jìn)鎖繩器，若此時到達(dá)需要竄繩的位置，拆下銷，向上移動步進(jìn)鎖繩器到與旋轉(zhuǎn)鎖繩器下端相接觸，鎖緊步進(jìn)鎖繩器，竄繩結(jié)束；若沒到達(dá)位置再重復(fù)：從油缸上進(jìn)油口加壓，油缸帶動導(dǎo)向套向下運(yùn)動，楔塊C和楔塊D相對導(dǎo)向套向上運(yùn)動，鎖緊步進(jìn)鎖繩器，此時旋轉(zhuǎn)鎖繩器的楔塊A和楔塊B被油缸帶動向下運(yùn)動，解鎖旋轉(zhuǎn)鎖繩器；從油缸下進(jìn)油口加壓，帶動楔塊A和楔塊B向上運(yùn)動，鎖緊旋轉(zhuǎn)鎖繩器，此時油缸帶動步進(jìn)鎖繩器的導(dǎo)向套向上運(yùn)動，楔塊C和楔塊D相對導(dǎo)向套向下運(yùn)動，解鎖步進(jìn)鎖繩器，直到到達(dá)需要竄繩的位置，拆下銷，向上移動步進(jìn)鎖繩器到與旋轉(zhuǎn)鎖繩器下端相接觸，鎖緊步進(jìn)鎖繩器，竄繩結(jié)束。將鎖繩卡向上移動到接近步進(jìn)鎖繩器，用高強(qiáng)螺栓將鎖繩卡鎖閉。打開每條鋼絲繩上油缸的上進(jìn)油口和下進(jìn)油口，關(guān)閉開關(guān)總閥A和開關(guān)總閥B。當(dāng)需要調(diào)控張力平衡時，由關(guān)閉開關(guān)總閥A或者開關(guān)總閥B統(tǒng)一為油缸加壓，使每條鋼絲繩達(dá)到張力自動平衡。

利用步進(jìn)調(diào)(鎖)繩器和旋轉(zhuǎn)鎖繩器，可以快速地鎖緊鋼絲繩。因為步進(jìn)鎖繩器和旋轉(zhuǎn)鎖繩器同時存在，可以實現(xiàn)帶載快速竄繩，即鎖緊步進(jìn)鎖繩器時，解鎖和移動旋轉(zhuǎn)鎖繩器，或鎖緊旋轉(zhuǎn)鎖繩器時，解鎖和移動步進(jìn)鎖繩器，為懸掛裝置提供多重的安全保障。在提升罐籠運(yùn)行時，鋼絲繩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力，會使旋轉(zhuǎn)鎖繩器和導(dǎo)向體轉(zhuǎn)動，在一定程度上釋放扭轉(zhuǎn)力。因為油缸的進(jìn)油口聯(lián)通統(tǒng)一控制，在進(jìn)出油量上一致，通過控制油量可以達(dá)到多繩張力自動平衡。

3 試制過程中遇到的難題及技術(shù)攻關(guān)

在新型XSZZ型鋼絲繩多功能張力自動平衡首繩懸掛裝置樣機(jī)試制過程中，遇到部分難題，經(jīng)過改進(jìn)和完善，得到了有效地處理。

3.1 鎖繩器試制中遇到的問題及改進(jìn)措施

鎖繩器是新型XSZZ型鋼絲繩多功能張力自動平衡首繩懸掛中最重要的安全部件，在整個樣機(jī)試制過程中投入的工作量也是最大的。楔套最初的設(shè)計方案是將中心對稱的兩部分采用螺栓固接為一個整體，但是在試制過程中發(fā)現(xiàn)該方案存在較為明顯的缺點。一方面，上述方案中兩部分零部件加工制造較為復(fù)雜，而且精度難以保證，尤其是對稱性很難把握，而對稱性的喪失必然導(dǎo)致組裝后的楔套錐度存在較大誤差，影響產(chǎn)品性能；另一方面，按上述方案加工的楔套結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，導(dǎo)致整套懸掛裝置的徑向尺寸增加，而在實際使用中鋼絲繩的繩間距是有限的，所以懸掛裝置徑向尺寸的增加非常不利于現(xiàn)場實際使用。

針對上述在試制過程中發(fā)現(xiàn)的問題，采用線切割技術(shù)，利用線切割的優(yōu)勢實現(xiàn)楔套的整體加工，而且切割下來的芯子還可以用來加工楔體，提高了鋼材的利用率。除了加工方法和結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)之外，楔體的材料也進(jìn)行了改進(jìn)處理。楔體原設(shè)計采用球墨鑄鐵，在試制過程中試驗發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度不滿足使用要求，韌性不足易斷裂。后來，將線切割切下的芯子進(jìn)行了相應(yīng)的熱處理，使其力學(xué)性能達(dá)到了使用要求，而且楔套和楔體的配合精度也得到了改善。

同時，為了防止扭轉(zhuǎn)力矩過度釋放，在試制過程中，在鎖繩器上增加了兩組滾輪。平面軸承保持架一開始采用鋼板加工，不僅加工困難，而且使用效果也不理想，在試制中嘗試采用其他材質(zhì)進(jìn)行加工，經(jīng)過數(shù)次試驗，最終采用了尼龍加工保持架的方案，加工簡單而且使用效果良好。

3.2 調(diào)繩器試制中遇到的問題及改進(jìn)措施

調(diào)繩器的楔套和楔體同鎖繩器旋轉(zhuǎn)楔加工方法相似，先粗車、線切割、磨削，缸筒、柱塞加工精度要求比較高。楔體與缸筒采用定位焊接，使得焊接變形降到最低，調(diào)繩器總體結(jié)構(gòu)緊湊，具備過油密封、定位等多種功能。在試制過程中，必須按照編制的工藝要求進(jìn)行，過油間隙在試制過程中不斷進(jìn)行調(diào)整。端蓋與活塞桿最初采用M8螺釘連接，在試制中發(fā)現(xiàn)這種連接方式對連接強(qiáng)度和行程均有影響，最終改為M12×2的螺栓連接，固接效果得到明顯改善。

3.3 鎖繩卡試制中遇到的問題及改進(jìn)措施

最初的設(shè)計方案是采用一副繩夾板，但是經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)摩擦力不夠，鋼絲繩會發(fā)生打滑現(xiàn)象，后改為凹凸繩夾板，但是試驗發(fā)現(xiàn)容易造成鋼絲繩發(fā)生較大變形，而且摩擦力仍然不滿足要求，同時，上述兩種繩夾板都存在安裝困難的問題。為了確保鎖繩卡具備足夠的摩擦力，最終采用了卡座和棘卡結(jié)構(gòu)。一開始選用傳統(tǒng)的螺旋線多齒棘卡，但是經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)使用效果并不好，摩擦力還是不夠充足，而且反彈力很大，且組裝很困難。后來又改為三個齒的棘卡，經(jīng)過數(shù)次試驗，卡繩效果有所改善，但是還未達(dá)到最佳效果。最終改為兩個齒的棘卡，經(jīng)試驗?zāi)Σ亮ψ銐?，而且卡繩效果得到明顯改善。同時，繩卡轉(zhuǎn)軸中的鋼絲繩中心距十分關(guān)鍵，在經(jīng)過多次試驗后找到了最佳參數(shù)。在試制過程中，卡座和棘卡的安裝和拆卸工作較為麻煩，為此特意設(shè)計增加了裝卸手柄，很好地解決了拆裝問題。

3.4 下筒體試制中遇到的問題及改進(jìn)措施

下筒體是整套懸掛裝置中體積最大、加工量最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜也是最主要的承力部件，其加工制造比較復(fù)雜。整體采用先鍛打后調(diào)質(zhì)，然后再切削加工的步驟，采用內(nèi)外模沖擊成型工藝，兩側(cè)尺寸放開，上下限位，最終的加工效果良好。在加工過程中，將鍛打后下部分焊接固定，可以有效防止發(fā)生調(diào)質(zhì)變形。最初設(shè)計方案中，為調(diào)繩而設(shè)計的D52銷軸孔孔距為150 mm，但是在試驗中發(fā)現(xiàn)孔距過大，調(diào)繩不方便，故最終將孔距改為75 mm。

4 結(jié) 語

目前該礦用提升鋼絲繩首繩張力扭轉(zhuǎn)力自動平衡裝置樣機(jī)已在林盛煤礦副井提升鋼絲繩中應(yīng)用，提升鋼絲繩在該懸掛裝置中進(jìn)行裝繩、換繩和調(diào)繩都較為方便，液壓步進(jìn)調(diào)繩裝置能夠在簡單的人工輔助下實現(xiàn)自動精確調(diào)繩；當(dāng)鋼絲繩承受的扭轉(zhuǎn)力大于缸筒的阻尼值時，該懸掛裝置會發(fā)生隨動旋轉(zhuǎn)，從而有效釋放了作用在提升鋼絲繩上的巨大的扭轉(zhuǎn)力，進(jìn)而減輕了扭轉(zhuǎn)力帶來的剪切力和應(yīng)力集中對鋼絲繩的破壞，實現(xiàn)了該套裝置最關(guān)鍵的性能要求。

新型鋼絲繩首繩懸掛裝置有效減輕和消除了因為擺動扭轉(zhuǎn)而作用在提升鋼絲繩上的扭轉(zhuǎn)力矩，減輕了由扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和應(yīng)力集中對提升鋼絲繩的破壞，大大提高了提升鋼絲繩的使用壽命和安全系數(shù)；減小提升鋼絲繩擺動扭轉(zhuǎn)對張力平衡懸掛裝置的沖擊和干擾，提高張力自動平衡懸掛裝置的張力平衡精度和使用壽命；減小提升鋼絲繩在提升滾筒繩槽內(nèi)的旋轉(zhuǎn)蠕動，減小了提升鋼絲繩對繩槽磨損，提高摩擦襯墊的使用壽命，從本質(zhì)上確保了提升鋼絲繩的安全性能。