礦井提升機(jī)天輪襯墊的分析與應(yīng)用

肖慧儒，高寶錄，何方金，施海斌，顧永剛，崔哲峰

1承德銅興礦業(yè)有限責(zé)任公司 河北承德 067250

2中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

3承德恒力機(jī)電制造有限責(zé)任公司 河北承德 067250

天 輪是單繩纏繞式礦井提升機(jī)的重要部件。天輪使用壽命在很大程度上取決于輪緣使用壽命，故延長(zhǎng)輪緣使用壽命即可延長(zhǎng)天輪使用壽命。在早期的天輪設(shè)計(jì)中，除了鑄鐵輪緣必須采用襯墊外，鑄鋼和焊接輪緣較少采用襯墊。為了延長(zhǎng)天輪和鋼絲繩的使用壽命，承德銅興礦業(yè)有限責(zé)任公司 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)“銅興公司”)從 2003 年 5 月開(kāi)始，在提升機(jī)及絞車(chē)天輪的鑄鋼輪緣上均采用了襯墊，并對(duì)鑄鐵輪緣原襯墊進(jìn)行了改造。當(dāng)襯墊繩槽磨損到影響正常使用時(shí)，只需更換襯墊即可，避免了因輪緣過(guò)度磨損而導(dǎo)致天輪報(bào)廢，從而延長(zhǎng)了天輪使用壽命。同時(shí)，襯墊使鋼絲繩處于無(wú)磨損摩擦狀態(tài)，延長(zhǎng)了鋼絲繩使用壽命。銅興公司及其他礦山采用天輪襯墊數(shù)十年的實(shí)踐表明[1-2]，襯墊既延長(zhǎng)了天輪和鋼絲繩的使用壽命，減小了提升中心變化，也提高了提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 天輪襯墊的應(yīng)用與效果

銅興公司采用的天輪襯墊主要有以下幾種形式，現(xiàn)簡(jiǎn)述其應(yīng)用效果。

1.1 整體方形塊

整體方形塊襯墊如圖 1 所示。其材質(zhì)原為尼龍6，1983 年 5 月改為耐油橡膠 I4，用于銅興公司副井KJ2×3×1.5D-20 型提升機(jī) (主軸裝置與制動(dòng)系統(tǒng)已更新為 2JK-3/20A 型提升機(jī)結(jié)構(gòu)[3])φ3.0 m 鑄鐵輪緣天輪，平均使用壽命約 1.17 a。2003 年 9 月，銅興公司將襯墊材質(zhì)改為聚氨酯，其平均使用壽命約 6.83 a。由于襯墊的保護(hù)作用，現(xiàn)用重錘和罐籠的天輪迄今分別已使用近 35 a 和 39 a。

圖1 整體方形塊襯墊Fig.1 Integral square block liner

1.2 剖分式楔形塊與整體矩形塊

剖分式楔形塊襯墊如圖 2 所示。其材質(zhì)為榆木，用于銅興公司副井 2БМ×2.5-20 型提升機(jī) (已整機(jī)更新為 2JK-2.5/20A 型提升機(jī))φ2.5 m 鑄鐵輪緣天輪。木質(zhì)襯墊的缺點(diǎn)是壽命短，平均使用壽命約 0.83 a。2003 年 10 月，銅興公司將襯墊改為聚氨酯整體矩形塊，如圖 3 所示，其平均使用壽命約 6.5 a，使用壽命約為木質(zhì)襯墊的 7.8 倍。現(xiàn)用 2 個(gè)天輪均為 1975 年 5月安裝，迄今已使用近 45 a。

圖2 剖分式楔形塊襯墊Fig.2 Split wedgy liner

圖3 整體矩形塊襯墊Fig.3 Integral rectangular block liner

1.3 扇形整體塊Ⅰ與剖分式楔形塊Ⅰ

扇形整體塊Ⅰ襯墊如圖 4 所示。其為銅興公司設(shè)計(jì)，材質(zhì)為聚氨酯，用于銅興公司主井 KJ2×4×1.8D-11.5 型提升機(jī) (主軸裝置與制動(dòng)系統(tǒng)已更新為 2JK-4/11.5A 型提升機(jī)結(jié)構(gòu)[4])φ4.0 m 鑄鋼輪緣天輪。原天輪為鑄鋼與鉚焊兩半式結(jié)構(gòu)，總重 7.159 t，因無(wú)襯墊，輪緣和鋼絲繩磨損嚴(yán)重。曾因此提前報(bào)廢的 1 號(hào)和 2 號(hào)天輪，其輪緣繩槽底部磨損均達(dá) 22 mm 以上。輪緣繩槽磨損較深后，槽底半徑變小，使鋼絲繩產(chǎn)生過(guò)度擠壓，導(dǎo)致其因磨損和斷絲超標(biāo)而提前報(bào)廢。2個(gè)新天輪分別僅使用 9 a 和 5.67 a 時(shí)，其輪緣繩槽又分別磨損達(dá) 9、6 mm 以上。為提高天輪和鋼絲繩使用壽命，2003 年 5 月，銅興公司在 2 個(gè)天輪上均安裝了聚氨酯襯墊，其平均使用壽命約 9.5 a，鋼絲繩使用壽命也有所延長(zhǎng)，同時(shí)提高了設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

圖4 扇形整體塊Ⅰ襯墊Fig.4 Fan-shaped integral block liner I

2015 年 7 月，1 號(hào)天輪因軸瓦等原因更新時(shí) (已使用近 22 a)，輪緣襯墊采用了如圖 5 所示的剖分式楔形塊Ⅰ系列產(chǎn)品。其材質(zhì)為超高分子聚乙烯，使用 4 a 多來(lái)效果較好。

圖5 剖分式楔形塊Ⅰ襯墊Fig.5 Split wedgy liner I

2019 年 9 月，2 號(hào)天輪因轂軸連接失效進(jìn)行更新時(shí) (已使用 22.58 a)，輪緣襯墊仍采用剖分式楔形塊Ⅰ，為提高其使用壽命，材質(zhì)采用了聚氨酯。

1.4 扇形整體塊Ⅱ與剖分式楔形塊Ⅱ

扇形整體塊Ⅱ襯墊如圖 6 所示。其為銅興公司設(shè)計(jì)，材質(zhì)為聚氨酯，圖 6(a)襯墊用于銅興公司盲主井 2JK-2.5/20 型提升機(jī)φ2.5 m 鑄鋼輪緣天輪，其平均使用壽命約 7.5 a；圖 6(b)襯墊用于銅興公司盲副井 2JK-3/11.5 型提升機(jī)φ3.0 m 鑄鋼輪緣天輪，其平均使用壽命 10 a 以上。原天輪均無(wú)襯墊，造成輪緣和鋼絲繩磨損嚴(yán)重。2003 年 7 月，銅興公司在 4 個(gè)天輪上均安裝了襯墊，迄今 3 個(gè)天輪仍正常使用，其中 2個(gè)副井天輪均已使用 35 a 以上，主井 1 號(hào)天輪已使用30 a 以上。

圖6 扇形整體塊Ⅱ襯墊Fig.6 Fan-shaped integral block liner II

2018 年 5 月，因轂軸連接失效更新主井 2 號(hào)天輪時(shí) (已使用 28.5 a)，輪緣襯墊采用了如圖 7 所示的剖分式楔形塊Ⅱ，材質(zhì)為超高分子聚乙烯。4 個(gè)天輪采用襯墊后，鋼絲繩使用壽命均有所延長(zhǎng)。

圖7 剖分式楔形塊Ⅱ襯墊Fig.7 Split wedgy liner II

1.5 剖分式楔形塊系列

2017 年 9 月，銅興公司斜井 JTP-1.6×1.2/20 型提升絞車(chē)天輪采用剖分式楔形塊系列產(chǎn)品，材質(zhì)仍為超高分子聚乙烯。

綜上所述，天輪是否采用襯墊及其材質(zhì)的不同，對(duì)天輪、鋼絲繩及襯墊的使用壽命均影響較大。采用襯墊可延長(zhǎng)天輪和鋼絲繩的使用壽命；合理選用襯墊材質(zhì)，是延長(zhǎng)其使用壽命、減少更換頻次及提高設(shè)備效率等的關(guān)鍵。

2 天輪襯墊應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)及要求

《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》[5](以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)規(guī)定：“6.3.5.7 天輪的輪緣應(yīng)高于繩槽內(nèi)的鋼絲繩，高出部分應(yīng)大于鋼絲繩直徑的 1.5 倍。帶襯墊的天輪，襯墊應(yīng)緊密固定。襯墊磨損深度相當(dāng)于鋼絲繩直徑，或沿側(cè)面磨損達(dá)到鋼絲繩直徑的一半時(shí)，應(yīng)立即更換”。銅興公司及其他礦山采用天輪襯墊數(shù)十年的實(shí)踐表明，采用襯墊須嚴(yán)格執(zhí)行《規(guī)程》規(guī)定并應(yīng)符合以下標(biāo)準(zhǔn)及要求。

2.1 襯墊的安裝與更換標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定，襯墊的軸向和徑向外形尺寸應(yīng)大于其安裝槽的尺寸，使其裝配后產(chǎn)生一定的過(guò)盈而緊密固定，其公差G的值應(yīng)視襯墊材質(zhì)而定。熱塑性聚氯乙烯塑料 (PVC)及新型 PVC、尼龍 6 和超高分子聚乙烯應(yīng)較小，G值＜1.0 mm 為宜；聚氨酯宜居中，G值為 1.0～ 1.8 mm 合適；利用報(bào)廢的運(yùn)輸膠帶或由一般橡膠的制成品可稍大，G值 ＞ 1.8 mm 為宜。此外，為緊密排列，還應(yīng)根據(jù)襯墊安裝的最后周向間隙值，制作合適的“間隙襯墊”，以手錘打入，保證襯墊的周向緊密固定。

襯墊的更換要嚴(yán)格按《規(guī)程》規(guī)定執(zhí)行，以盡量減小提升中心的變化，減輕罐道及其導(dǎo)向槽 (器)的磨損，延長(zhǎng)天輪使用壽命，保護(hù)鋼絲繩等。

2.2 襯墊徑向厚度

無(wú)襯墊的天輪由礦山自行安裝襯墊后，鋼絲繩提升中心的變化一般在 28～40 mm。這是因?yàn)椋燧喼睆皆?2.5～4.0 m，其鋼絲繩直徑d為 28～40 mm?！兑?guī)程》6.3.3.8 對(duì)提升容器的導(dǎo)向槽 (器)與罐道之間的間隙做出規(guī)定，《規(guī)程》6.3.3.9 對(duì)導(dǎo)向槽 (器)和罐道之間的磨損更換程度做出規(guī)定。這些間隙和磨損的累計(jì)之和，如木罐道的最大值為 10＋15=25 mm，仍然無(wú)法彌補(bǔ)因安裝襯墊而產(chǎn)生的鋼絲繩提升中心的變化值，因此必將增加容器在罐道上的摩擦力，加劇容器導(dǎo)向裝置與罐道的磨損。對(duì)于鋼絲繩罐道單繩多段提升而言，提升中心的變化也是造成“卡罐”的原因之一[1]。

減輕導(dǎo)向裝置與罐道磨損的有效方法，就是選擇一個(gè)比較合理的襯墊徑向厚度H，以盡量縮小鋼絲繩提升中心的變化值。H值應(yīng)為d與襯墊更換前的最小厚度e之和，即H＝d＋e。筆者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，若天輪原無(wú)襯墊，e取 0～10 為宜；若天輪原有襯墊，考慮到新襯墊性能一般優(yōu)于原襯墊，故取新襯墊更換前的最小厚度e′＜e。顯然，當(dāng)H或H′值居中時(shí)，鋼絲繩提升中心與提升容器設(shè)計(jì)提升中心相重合 (原有襯墊時(shí))或接近 (原無(wú)襯墊時(shí))。采用聚氨酯時(shí)，當(dāng)H′與H相差較大時(shí)，襯墊減薄值f(f＝e－e′=H－H′)可安裝為“固定墊層”，這樣既可保持鋼絲繩提升中心不變或少變，又可減薄新襯墊厚度，以降低其購(gòu)價(jià)。

2.2.1 襯墊擬減薄示例 1

圖1 括號(hào)內(nèi) 40.5 為襯墊減薄后數(shù)值。原e＝Hd＝86.5－37＝49.5，太厚；故取e′=H′-d＝40.5 -37=3.5，合適；則f＝e-e′=H-H′=46。

f安裝為固定墊層后，既可保持鋼絲繩提升中心不變，亦可減薄新襯墊厚度，減少聚氨酯用料，降低采購(gòu)成本。廉價(jià)材質(zhì)的襯墊不必考慮安裝固定墊層。

2.2.2 襯墊擬減薄示例 2

由圖 2 可得，tan 30°=x/13，x=7.5。H=40 -7.5=32.5，d=28，e＝H－d＝4.5；則圖 3 括號(hào)內(nèi) 32為襯墊減薄后數(shù)值。原e＝H－d＝50－28＝22，較厚；故取e′=H′-d＝32－28＝4，合適；則f＝ee′=H-H′=18。

應(yīng)當(dāng)指出，圖 1 襯墊中繩槽深度與繩槽半徑均設(shè)計(jì)為 50%d＝18.5 不合理。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)和銅興公司近 30 a 的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知：

(1)繩槽深度取 25%d[6]＝9.25 或 30%d[7]＝11.1，較合理，原設(shè)計(jì) 18.5 比 9.25 或 11.1 分別深 9.25 或7.40，不合理。襯墊高度可減小至 95.75 或 93.9，H與H′均不改變；

(2)繩槽半徑取 55%d[8]＝20.35 較合理，原設(shè)計(jì)18.5 比 20.35 小 1.85，鋼絲繩會(huì)產(chǎn)生一定程度的擠壓；

(3)天輪襯墊與卷筒襯木 (塑襯)的繩槽深度與繩槽半徑的技術(shù)要求相同。

2.3 繩槽尺寸

2.3.1 繩槽深度

按文獻(xiàn) [7]要求，“卷筒襯木繩槽深度應(yīng)為鋼絲繩直徑的 30%”。根據(jù)銅興公司經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)繩槽深度約為 25%d時(shí)，即可滿足使用要求。原洛陽(yáng)礦山機(jī)器廠設(shè)計(jì)的繩槽深度僅為 18%d。繩槽隨著使用會(huì)逐漸加深，不會(huì)出現(xiàn)鋼絲繩“跳槽”現(xiàn)象。銅興公司 5 臺(tái)提升機(jī)按 (20%～25%)d銑削的卷筒襯木或定制的卷筒塑襯，使用 30 余年從未出現(xiàn)過(guò)鋼絲繩跳槽現(xiàn)象，故繩槽深度取 (20%～25%)d比較合理。

2.3.2 繩槽半徑

繩槽半徑過(guò)小會(huì)引起鋼絲繩過(guò)度擠壓而提前斷絲；過(guò)大又會(huì)使鋼絲繩支撐面積減小，增大其接觸應(yīng)力而導(dǎo)致繩與繩槽的加速磨損。合理的繩槽半徑，應(yīng)使鋼絲繩與槽底緊密貼合并保持必要的間隙，此間隙是考慮到鋼絲繩在工作時(shí)有向兩側(cè)分開(kāi)的傾向。根據(jù)文獻(xiàn) [8]，繩槽半徑取 55%d比較合理。

2.4 襯墊材質(zhì)的選擇

天輪襯墊的主要功能是避免天輪與鋼絲繩之間直接接觸而產(chǎn)生互相磨損，因而性能指標(biāo)要求少且低。我國(guó)從 20 世紀(jì) 80 年代初開(kāi)始使用熱塑性聚氯乙烯(PVC)襯墊，由于其價(jià)格低，沿用近 30 a。由于 PVC襯墊是硬質(zhì)無(wú)彈性塑料制品，使用中襯墊間出現(xiàn)較大的間隙，噪聲大，安全性能受影響。后在原生產(chǎn)工藝及配方的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，研制出新型的 PVC 襯墊，比原 PVC 襯墊性能提高 20%，同時(shí)推出聚氨酯及超高分子聚乙烯襯墊，解決了 PVC 材料的不足，成為天輪襯墊的首選材質(zhì)[9]。根據(jù)銅興公司采用襯墊數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)文獻(xiàn)及廠家的介紹，筆者認(rèn)為，聚氨酯襯墊雖價(jià)格較高，但使用壽命較長(zhǎng)；超高分子聚乙烯襯墊雖價(jià)格便宜，但使用壽命不如前者。各礦山可依據(jù)使用環(huán)境及工況，將二者作為天輪襯墊的首選材質(zhì)。

3 結(jié)語(yǔ)

為了延長(zhǎng)輪緣和鋼絲繩的使用壽命，銅興公司在提升機(jī)及絞車(chē)天輪的鑄鋼輪緣上均采用了襯墊，對(duì)鑄鐵輪緣上早期的襯墊亦進(jìn)行了改造，均取得了很好的應(yīng)用效果，可供同仁借鑒與參考。天輪改造或更新時(shí)應(yīng)采用襯墊。

(1)襯墊的安裝與更換標(biāo)準(zhǔn)須嚴(yán)格按《規(guī)程》規(guī)定執(zhí)行，以保證在減小提升中心的變化、減輕罐道及其導(dǎo)向槽 (器)的磨損、延長(zhǎng)天輪使用壽命以及保護(hù)鋼絲繩等方面均取得較好的應(yīng)用效果。

(2)襯墊材質(zhì)應(yīng)依據(jù)使用環(huán)境及工況進(jìn)行選擇，以延長(zhǎng)其使用壽命周期、減少更換頻次、提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率為目標(biāo)。

(3)合理的襯墊徑向厚度、繩槽深度與繩槽半徑等技術(shù)參數(shù)是襯墊優(yōu)化的關(guān)鍵。