新型多功能張力自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置研究

曲立文

(平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦,河南 平頂山 467000)

目前,煤礦使用的提升鋼絲繩與箕斗、罐籠的連接器均為楔塊鎖緊形式,實(shí)現(xiàn)提升容器和提升鋼絲繩在連接器處的剛性連接[1]。盡管這種連接方式牢固可靠,不會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)和脫落現(xiàn)象,但是在長(zhǎng)期的實(shí)際應(yīng)用中也凸顯出如下缺點(diǎn):

1)無(wú)法釋放扭轉(zhuǎn)力矩,扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的橫向剪切力和應(yīng)力集中是造成鋼絲繩斷絲的主要因素,導(dǎo)致鋼絲繩實(shí)際使用壽命遠(yuǎn)低于額定值。

2)現(xiàn)有首繩連接裝置在換繩時(shí)存在更換工藝復(fù)雜、安全性差、勞動(dòng)強(qiáng)度和工作量大、可操作性差、所需施工人員多、工期較長(zhǎng)等諸多缺點(diǎn)。

3)鋼絲繩扭轉(zhuǎn)波動(dòng)產(chǎn)生的橫向捻力會(huì)影響張力平衡懸掛裝置的平衡精度,一定程度上降低了平衡懸掛裝置對(duì)提升鋼絲繩的張力平衡效能[2]。

4)作為純機(jī)械設(shè)備,自動(dòng)化程度較低,不具備功能拓展接口,無(wú)法利用新技術(shù)測(cè)試鋼絲繩張力值。

鑒于上述因素,研制一套新型多功能張力自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置,通過(guò)改變其鋼絲繩的連接方式,使其連接處能夠以提升鋼絲繩為軸進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動(dòng),以此有效地釋放扭轉(zhuǎn)力矩,消除扭轉(zhuǎn)力矩帶來(lái)的橫向剪切應(yīng)力,緩解提升鋼絲繩局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,徹底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,有效延長(zhǎng)提升鋼絲繩的使用壽命。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

新型多功能張力自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置見(jiàn)圖1。新型多功能張力自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置自上而下主要由雙向平衡油缸、楔式鎖繩器、液壓楔式調(diào)繩器、保險(xiǎn)卡構(gòu)成直連式一鎖、二備、三保險(xiǎn)的平面斜楔鎖繩結(jié)構(gòu),取代了楔形繩環(huán)的彎曲鎖繩方式,采用逐級(jí)增壓的聯(lián)動(dòng)模式,可以牢固地將提升容器固定于提升鋼絲繩上,有效避免滑繩現(xiàn)象的發(fā)生。防護(hù)罩和上筒體用于保護(hù)平衡油缸,下筒體為主要機(jī)械受力件,楔式鎖繩器、液壓楔式調(diào)繩器自上而下布置在下筒體內(nèi),工作時(shí)相對(duì)于下筒體進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)。連接叉上部連接懸掛裝置下筒體,下部用于連接提升容器。雙向平衡油缸、楔式鎖繩器和液壓楔式調(diào)繩器中的液壓缸、五通管、上腔液壓閥組、下腔液壓閥組共同構(gòu)成了多功能閉環(huán)無(wú)源液壓自動(dòng)平衡系統(tǒng),作為整套裝置的動(dòng)力單元和執(zhí)行單元。

1-雙向平衡油缸；2-上筒體；3-上腔液壓閥組；4-下腔液壓閥組；5-楔式鎖繩器；6-液壓楔式調(diào)繩器；7-保險(xiǎn)卡；8-下筒體；9-連接叉；10-五通管圖1 新型多功能張力自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置Fig.1 New multifunctional tension automatic balance first rope suspension device

穿繩時(shí),首先打開(kāi)楔式鎖繩器和液壓楔式調(diào)繩器中的楔塊,將鋼絲繩自上而下依次穿過(guò)雙向平衡油缸、楔式鎖繩器、液壓楔式調(diào)繩器和保險(xiǎn)卡?？刂埔簤盒ㄊ秸{(diào)繩器中的油缸向上運(yùn)行,利用該油缸推動(dòng)楔式鎖繩器中的楔塊向上運(yùn)行,利用自鎖角鎖緊鋼絲繩,完成一級(jí)鎖緊。其次利用專(zhuān)用工具人工推動(dòng)液壓楔式調(diào)繩器中楔塊向上運(yùn)行,利用自鎖角鎖緊鋼絲繩,完成二級(jí)鎖緊。最后,將保險(xiǎn)卡固定安裝在鋼絲繩末端位置,假如鋼絲繩發(fā)生打滑,保險(xiǎn)卡可以頂緊液壓楔式調(diào)繩器中楔塊,確保楔塊不會(huì)自動(dòng)打開(kāi),實(shí)現(xiàn)三級(jí)鎖繩。

通過(guò)改變?cè)袖摻z繩連接裝置中鋼絲繩與提升容器的剛性固定連接方式,引入轉(zhuǎn)動(dòng)副,增加連接處沿鋼絲繩提升方向的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,鋼絲繩和楔式鎖繩器、液壓楔式調(diào)繩器固結(jié)為一個(gè)整體,當(dāng)扭轉(zhuǎn)力矩足夠大時(shí),能夠克服液壓密封阻力,實(shí)現(xiàn)鋼絲繩可控旋轉(zhuǎn),從而平衡和消除鋼絲繩集聚的扭轉(zhuǎn)力矩。

采用多功能閉環(huán)無(wú)源液壓連通自動(dòng)平衡模式,利用五通管連通四架懸掛裝置。當(dāng)鋼絲繩張力不平衡時(shí),張力大的懸掛裝置中油缸內(nèi)的油液通過(guò)五通管管路流入張力值較小的懸掛裝置油缸內(nèi),推動(dòng)活塞桿向外伸長(zhǎng),懸掛縮短使得鋼絲繩承受的張力值變大,直至每根鋼絲繩的張力值相等,連通器運(yùn)動(dòng)才相應(yīng)地停止,從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)張力平衡。

2 功能特點(diǎn)

相比于現(xiàn)有的立井提升首繩懸掛裝置,新研制的鋼絲繩多功能張力自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置在結(jié)構(gòu)上和功能上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的革新和完善,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的全面升級(jí)換代。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)更為牢固緊湊,功能更為完善多樣,性能更加安全可靠。在安全高效生產(chǎn)的前提下,其創(chuàng)新性的功能特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:

1)創(chuàng)造性地采用直連式一鎖、二備、三保險(xiǎn)的平面斜楔鎖繩結(jié)構(gòu),引入轉(zhuǎn)動(dòng)副,增加連接處沿鋼絲繩提升方向的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,通過(guò)可控隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)和采取新的平衡模式,可以有效釋放鋼絲繩在運(yùn)行過(guò)程中積聚的扭轉(zhuǎn)力矩,顯著消除扭轉(zhuǎn)力矩對(duì)鋼絲繩的剪切破壞,提升鋼絲繩可靠性,延長(zhǎng)鋼絲繩的實(shí)際使用壽命。

2)研制了智能化液壓控制系統(tǒng),借助液壓步進(jìn)系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了裝繩、固繩、調(diào)繩、換繩工作的自動(dòng)化,可以在不棚罐、不卡繩、全負(fù)荷條件下輕松快速完成上述工作,投入少、效率高,滿足人性化生產(chǎn)的要求,可實(shí)現(xiàn)一人快速穿繩、固繩、調(diào)繩,多繩同時(shí)操作。

3)提高了首繩懸掛裝置的張力平衡精度和調(diào)繩量,實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜狀態(tài)下精確的張力自動(dòng)平衡,杜絕了鋼絲繩偏竄現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

3 應(yīng)用效果

平煤六礦于2016年8月?lián)Q裝新型多功能張力自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置，在一年多的實(shí)際應(yīng)用中,展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用性能,產(chǎn)品性能優(yōu)越、功能多樣,滿足礦井惡劣工況下的應(yīng)用要求。其應(yīng)用效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

采用直連式一鎖、二備、三保險(xiǎn)的平面斜楔鎖繩結(jié)構(gòu)。采用這種鎖緊方式,一方面,鎖緊部分均在密閉空間內(nèi),而且還有潤(rùn)滑油脂的保護(hù),因此受井筒環(huán)境的影響和破壞較小,日常維護(hù)更為簡(jiǎn)便;另一方面,采用平面斜楔鎖繩結(jié)構(gòu),鋼絲繩與平面斜楔的接觸面積較大,對(duì)鋼絲繩自身的破壞較小,提高了鋼絲繩的使用壽命。同時(shí),該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)鋼絲繩可控旋轉(zhuǎn),從而平衡和消除鋼絲繩集聚的扭轉(zhuǎn)力矩,相應(yīng)地消除扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力,優(yōu)化鋼絲繩受力情況,基本杜絕了早期斷絲現(xiàn)象。目前,平煤六礦使用的提升鋼絲繩已經(jīng)連續(xù)正常使用16個(gè)月,而且鋼絲繩狀況良好,其實(shí)際使用壽命較換裝前提高了一倍,僅鋼絲繩采購(gòu)成本一項(xiàng)約節(jié)約310萬(wàn),安全性和經(jīng)濟(jì)性大大提高。

采用全液壓操控模式,引入智能化液壓控制技術(shù),采用液壓動(dòng)力源和液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu),在裝繩、換繩時(shí),省去了傳統(tǒng)連接裝置復(fù)雜繁瑣的解鎖工序,鋼絲繩可以輕松穿入打開(kāi)的平面斜楔,然后利用液壓缸的擠壓力鎖緊平面斜楔,再輔以保險(xiǎn)卡,實(shí)現(xiàn)牢固固繩。在調(diào)繩時(shí),借助液壓步進(jìn)機(jī)構(gòu)可以輕松實(shí)現(xiàn)各鋼絲繩在動(dòng)、靜狀態(tài)下精確的張力自動(dòng)平衡,利用就地液壓控制柜,只需1～2名操作工人即可在短時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)裝繩、換繩、調(diào)繩工作,能夠節(jié)省大量的人力、物力和時(shí)間。應(yīng)用實(shí)踐證明,一次裝、調(diào)繩工作較傳統(tǒng)懸掛裝置,節(jié)約人力投入90%,節(jié)約工作時(shí)間70%,從而間接增加了礦井的正常生產(chǎn)時(shí)間,間接為平煤六礦創(chuàng)造360萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

借助預(yù)留的信號(hào)接口進(jìn)行功能擴(kuò)展,配套載重量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)鋼絲繩張力值的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)提升載荷是否在正常范圍內(nèi),一旦發(fā)生異常便會(huì)發(fā)出聲光警告,及時(shí)判斷、發(fā)現(xiàn)和排除提升故障,提高礦井提升工作的可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中,該套系統(tǒng)可以穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測(cè)量提升動(dòng)態(tài)載荷,及時(shí)預(yù)警超載隱患[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

首繩懸掛裝置是礦井提升系統(tǒng)中重要承力設(shè)備和連接設(shè)備,而傳統(tǒng)的首繩懸掛裝置由于受到自身結(jié)構(gòu)和連接方式的限制,扭轉(zhuǎn)力矩不能得到有效釋放,對(duì)鋼絲繩的破壞比較明顯,且功能單一、自動(dòng)化水平較低,不適應(yīng)安全、高效、智能化礦山的建設(shè)要求。該套新型多功能張力自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的革新優(yōu)化,通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理的創(chuàng)新升級(jí),很好地解決了傳統(tǒng)首繩懸掛裝置存在的諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,提高了產(chǎn)品的可靠性和安全性?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐證明,在滿足安全可靠使用的基礎(chǔ)上,其多樣化的功能設(shè)計(jì)和先進(jìn)的液壓自動(dòng)控制模式,優(yōu)化了以往裝繩、換繩、調(diào)繩工作中繁瑣復(fù)雜的工序,大大提高了工作效率,為礦企帶來(lái)可觀效益的同時(shí),推動(dòng)了自動(dòng)化、智能化礦山的建設(shè)步伐。