陳 興

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心)

1 問題的提出

隨著我國(guó)對(duì)礦山安全的重視，目前，我國(guó)對(duì)于提升裝置的機(jī)電控制系統(tǒng)，已經(jīng)強(qiáng)制要求有過(guò)卷、過(guò)速、限速、減速等各種情況下的有效制動(dòng)等保護(hù)與電氣閉鎖裝置。然而對(duì)于多繩摩擦輪提升裝置來(lái)說(shuō)，除了需要注意以上安全問題外，還需要注意鋼絲繩的滑動(dòng)與張力不平衡等問題。對(duì)于鋼絲繩滑動(dòng)，目前在提升系統(tǒng)電氣控制上已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，其監(jiān)控方法為分別在提升機(jī)主軸及天輪(或?qū)蜉?上安裝1個(gè)高速光電脈沖編碼器采集信號(hào)，然后電控系統(tǒng)可將2個(gè)脈沖編碼器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成速度進(jìn)行比較。其中主軸上的編碼器反映的是主軸的速度，天輪上的編碼器反映的是鋼絲繩的速度(由于天輪并無(wú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)鋼絲繩的位移摩擦來(lái)帶動(dòng)天輪轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此，天輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度換算后就相當(dāng)于鋼絲繩的位移速度)。當(dāng)主軸和天輪的轉(zhuǎn)速(實(shí)際為換算后主導(dǎo)輪和鋼絲繩的線速度)出現(xiàn)差值，速度的差值高于1.2 m/s，并且持續(xù)2 s的時(shí)間，便視為滑繩，電控系統(tǒng)便能夠報(bào)警或采取保護(hù)措施。

以上實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)于落地式提升機(jī)及帶導(dǎo)向輪的塔式提升機(jī)來(lái)說(shuō)，均不存在任何問題。然而，對(duì)于無(wú)導(dǎo)向輪的塔式提升機(jī)來(lái)說(shuō)，由于測(cè)定鋼絲繩速度的編碼器無(wú)地方安裝，因此，無(wú)法測(cè)定。由于鋼絲繩滑移實(shí)時(shí)監(jiān)控是最近幾年才開始逐步實(shí)施的，而我國(guó)因許多礦山規(guī)模較小，礦山提升機(jī)直徑均不大，特別是一般盲豎井采用的塔式提升機(jī)，主導(dǎo)輪直徑在2.25 m以下的占相當(dāng)部分，而對(duì)于這部分提升機(jī)來(lái)說(shuō)，由于其直徑和提升容器中心距相當(dāng)，所以相當(dāng)部分都沒有導(dǎo)向輪。根據(jù)最新的《GB/T 10599—2010多繩摩擦式提升機(jī)》4.3.4條“提升機(jī)應(yīng)設(shè)置鋼絲繩滑動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置”的規(guī)定，所有多繩摩擦式提升機(jī)又都應(yīng)該安裝鋼絲繩滑動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，但如何安裝目前卻還未見統(tǒng)一的技術(shù)解決方案，甚至連一些提升機(jī)廠家也沒有解決辦法。據(jù)了解，僅有少部分提升機(jī)廠家提供的解決方案是在井筒中緊貼提升鋼絲繩安裝1個(gè)小滑輪，將編碼器安裝在滑輪上(為稱呼更科學(xué)，本研究暫將該滑輪定義為測(cè)繩輪)。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，這種解決方案是最簡(jiǎn)單、有效的，也是完全可行的。但該種做法由于僅是部分廠家行為，沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也未見相關(guān)手冊(cè)或文章涉及該方案的實(shí)施技術(shù)要點(diǎn)，要作為一個(gè)可靠的技術(shù)解決方案，還需要有一定的理論支撐。為此，本研究嘗試在現(xiàn)有相關(guān)規(guī)程規(guī)范作為依據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)該方案從理論上進(jìn)行分析、論述，并最終提出一個(gè)簡(jiǎn)單、可行的解決方案。

從理論上來(lái)說(shuō)，緊貼提升鋼絲繩安裝小滑輪測(cè)定鋼絲繩滑移需要解決以下技術(shù)問題:①該測(cè)繩輪與鋼絲繩的圍包角值多少較為合適?②該測(cè)繩輪邊沿壓鋼絲繩的水平距離值多少為宜?

2 相關(guān)技術(shù)問題論述

2.1 測(cè)繩輪與鋼絲繩圍包角計(jì)算

多繩提升機(jī)提升動(dòng)力的傳遞是依靠摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)柔索傳動(dòng)的歐拉公式可知，在極限狀態(tài)下，摩擦輪兩側(cè)鋼絲繩張力的比值為

式中，F(xiàn)z為重載側(cè)(提升側(cè))鋼絲繩的張力，N;Fk為空載側(cè)(下放側(cè))鋼絲繩的張力，N;μ為鋼絲繩與輪之間的摩擦系數(shù)，通常取μ=0.2～0.25;α為鋼絲繩對(duì)測(cè)繩輪的圍包角，rad。

同理，測(cè)繩輪要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，也需要借助于鋼絲繩與輪本身的摩擦力帶動(dòng)測(cè)繩輪轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，測(cè)繩輪與鋼絲繩的圍包角可通過(guò)歐拉公式反算，即

將圍包角α弧度換算成角度后，則為

根據(jù)金屬非金屬礦山安全規(guī)程第6.3.5.21條要求“多繩摩擦提升系統(tǒng)，……，重載側(cè)和空載側(cè)的靜張力比，應(yīng)小于1.5”可知，F(xiàn)z/Fk最大值只能為1.5，而最小值即為兩邊靜張力相等，也即其值為1。而鋼絲繩與輪之間的摩擦系數(shù)μ因輪襯的材料不同而不同，國(guó)內(nèi)常用輪襯材料對(duì)應(yīng)摩擦系數(shù)見表1。

表1 輪襯常用材料對(duì)應(yīng)摩擦系數(shù)

根據(jù)以上分析，可計(jì)算出采用不同輪襯材料的測(cè)繩輪與鋼絲繩的圍包角，其結(jié)果如表2。

表2 各種輪襯材料的圍包角范圍

2.2 測(cè)繩輪邊沿壓迫鋼絲繩水平距離計(jì)算

通過(guò)2.1節(jié)雖然已經(jīng)計(jì)算出測(cè)繩輪與鋼絲繩的圍包角，但測(cè)繩輪實(shí)際安裝的話，一般很難通過(guò)圍包角來(lái)給測(cè)繩輪安裝定位，現(xiàn)實(shí)中比較好操作的就是計(jì)算出測(cè)繩輪壓迫鋼絲繩水平距離來(lái)給鋼絲繩定位，如圖1所示，也即計(jì)算出圖1中x的值。

圖1 測(cè)繩輪定位

從圖1通過(guò)三角函數(shù)，可以很容易地計(jì)算得出

式中，r為測(cè)繩輪半徑，mm。

從表2可知，圍包角最小為0;摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，圍包角最大為116.157°;摩擦系數(shù)為0.25時(shí)，圍包角最大為92.926°。以上3種情況下求出的x分別為0、0.47r、0.31r。

3 測(cè)繩輪的制作與安裝

由于測(cè)繩輪僅僅用于測(cè)定鋼絲繩的位移速度，因此，其大小并不需要太大，含輪襯材料直徑以200～500 mm為宜，厚度以40～90 mm為宜。這種輪子加工制作簡(jiǎn)單，制作好后，再在輪子表面加上耐磨的輪襯材料即可。如果企業(yè)沒有自己的機(jī)修加工設(shè)施或?yàn)槭∈?，也可直接?gòu)買罐籠上所使用的滾輪(如圖2)。一般罐籠滾輪上的聚胺脂厚度有70～80 mm，但露出的部分只有30～40 mm，當(dāng)聚胺脂磨損到鑄鐵邊沿時(shí)即需更換，里邊還剩有一半厚度的聚胺脂。因此，從節(jié)省費(fèi)用的角度考慮，甚至可以將罐籠使用更換下來(lái)廢棄不用的滾輪用來(lái)作為測(cè)繩輪使用。

圖2 罐籠用滾輪

測(cè)繩輪的安裝位置，可以選擇安裝于提升機(jī)硐室下的潤(rùn)滑站層，在潤(rùn)滑站底板埋設(shè)螺栓，然后將滾輪邊沿超出鋼絲繩＜0.31r固定即可。當(dāng)使用一段時(shí)間，滾輪聚胺脂磨損后，再松開螺栓，將滾輪前移。而編碼器，則安裝于滾輪固定架的另一側(cè)即可。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于我國(guó)目前正在使用的大量?2.25 m以下的多繩塔式提升機(jī)來(lái)說(shuō)，隨著《GB/T 10599—2010多繩摩擦式提升機(jī)》新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，均存在要求增加鋼絲繩位移滑移量監(jiān)測(cè)裝置，而采用本研究推薦的技術(shù)解決方法，可以說(shuō)是簡(jiǎn)單、方便，又可以廢物利用，有其應(yīng)用推廣的價(jià)值。

［1］ 侯樹德.多繩摩擦輪提升機(jī)輪襯的使用與維護(hù)［J］.煤礦機(jī)電，1999(5):39-40.

［2］ 馬 軍，封仕彩.多繩摩擦式提升機(jī)鋼絲繩防滑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2004(1):25-27.

［3］ GBl6423—2006 金屬非金屬礦山安全規(guī)程［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［4］ GB/T10599—2010 多繩摩擦式提升機(jī)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.