摩擦式提升機發(fā)生鋼絲繩滑移的原因和預防措施

杜向陽 王秀平 賞龍軍 馮卓煒

(浙江省應急管理科學研究院，浙江 杭州 310012)

0 引言

多繩摩擦式提升機由于結(jié)構(gòu)緊湊、提升速度快、提升深度不受卷筒容繩量限制等優(yōu)點，被廣泛應用于金屬非金屬地下礦山的立井提升中。同時，摩擦式提升機是依靠主提升鋼絲繩與摩擦輪之間的摩擦力進行傳動，完成對物體和人員的升降任務。提升鋼絲繩搭放在主導輪上，提升容器懸掛在兩端。當電機主導輪轉(zhuǎn)動時，主導輪上的摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力便帶動鋼絲繩隨著主導輪一起轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)容器上升或下降。這要求鋼絲繩與襯墊之間不應有相對滑動，但提升過程中可能會出現(xiàn)襯墊摩擦系數(shù)降低、超載、制動力矩調(diào)整不合理等，這些均可能造成工作時產(chǎn)生滑動，引發(fā)一系列重大事故[1]，不僅會影響礦井的正常生產(chǎn)，甚至還會造成財產(chǎn)損失和人員傷亡。

依照《金屬非金屬礦山在用摩擦式提升機安全檢測檢驗規(guī)范》AQ 2021-2008，對摩擦式提升機開展定期檢測，是一種真實反映提升機運行安全狀況并能夠及時發(fā)現(xiàn)鋼絲繩滑移等安全隱患，保障摩擦式提升機安全運行的有效手段。

1 提升機概況及檢測設備

2019年12月，檢測機構(gòu)對浙江蘭溪某螢石礦企業(yè)在用的落地式多繩摩擦式提升機進行了定期檢測，該提升機安裝于地面，為該礦豎井提升作業(yè)人員和物料的關(guān)鍵設備，也是礦山生產(chǎn)的咽喉要道。其技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 落地式多繩摩擦式提升機技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Technical parameters of floor type multi rope friction hoist

該提升機系統(tǒng)組成示意圖[2](如下圖)，其中首繩4根，光面重要用途鋼絲繩，型號為6×19S+FC，直徑22mm，使用時間2年，鋼絲繩實際磨損量為2.1%，重量共計2.45t；尾繩2根，直徑30mm，重量共2.52t；空載罐籠重量6.8t，重載罐籠重量12.7t，平衡錘重量9.5t，罐籠和平衡錘分別懸掛在鋼絲繩的上下兩端，尾繩用來保證提升罐籠的平衡性；罐籠允載礦車2輛，物料和礦車重量共計5.9t，經(jīng)計算最大靜張力差32.7kN。

圖 落地式摩擦式提升機系統(tǒng)的組成Fig. Composition of floor type friction hoist

檢測專用設備采用了某大學下屬單位開發(fā)的礦用機電設備無線多參數(shù)測試儀，型號為CDD11W(A)，并經(jīng)過計量校準，檢測精度有效且可溯源。該設備打破了傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)傳輸方式，采用短距離(≤20m(無中繼)和≤40m(有中繼))無線傳輸，使得測試時不用再考慮傳感器的數(shù)據(jù)線被卷入測試對象的旋轉(zhuǎn)部件的風險，且因無數(shù)據(jù)線的牽絆，可以讓檢測人員與測試對象保持更遠的距離，作業(yè)位置更加安全便捷，更加適合于井下硐室中的檢測作業(yè)。

2 鋼絲繩滑移情況

檢測人員在測試完成制動器液壓曲線、正常運行速度曲線，并驗算制動力矩滿足安全要求后，對提升機進行了空罐狀態(tài)下的安全制動測試。為測試提升機的制動減速度，將速度傳感器滾輪緊貼在制動盤上，盡力保持與摩擦輪外徑相同的位置，同時，從司機操作臺的緊停按鈕電接點回路上，取出同步的220V交流電壓，目的是可以在按鈕動作時，電壓階躍的脈沖前沿作為安全制動的記時起點，確保制動減速度的測試精度?？紤]到配重側(cè)重量大于罐籠側(cè)重量，類似于提升重載的工況，可獲得大制動減速度，故安全制動測試采用罐籠由井口按提升物料的速度(6.1m/s)下放運行方式。

當罐籠與配重在井筒內(nèi)相遇時，按下緊停按鈕使安全控制回路動作，對提升機實施安全制動。觀察鋼絲繩滑移情況，同時記錄圖1所示4、5位置2個編碼器反饋的高度值。由于罐籠在井口位置時，2個編碼器同時清零，且摩擦輪與天輪外徑相同，故在鋼絲繩與摩擦輪間不出現(xiàn)滑移的情況下，2個編碼器反饋高度值是基本一致。

按照設定程序?qū)嵤┌踩苿雍?，目測鋼絲繩滑移明顯，2個編碼器高度差距較大，超出提升機控制誤差設定值，導致提升機故障報警，制動減速度超過5m/s2。

經(jīng)過2次試驗，結(jié)果基本一致，見表2。

表2 測試結(jié)果表Tab.2 Test result

按照《金屬非金屬礦山在用摩擦式提升機安全檢測檢驗規(guī)范》AQ 2021-2008判定規(guī)則，出現(xiàn)鋼絲繩滑移現(xiàn)象、安全制動減速度超過5m/s2，均屬于A類不符合項[3]，檢測人員可直接判定該提升機安全性能為“不合格”。

3 滑移及制動減速度超差原因分析

為了盡快消除提升機現(xiàn)存的安全隱患，幫助企業(yè)盡快恢復生產(chǎn)，檢測人員和企業(yè)維護人員一起，對滑移現(xiàn)象及制動過快的情況開展了原因分析。

根據(jù)歐拉原理可知：T1>T2時，T1=T2eμα。

式中：

T1—重載側(cè)鋼絲繩的拉力，N；

T2—輕載側(cè)鋼絲繩的拉力，N；

μ—鋼絲繩與主導輪襯墊間的摩擦因數(shù)；

α—鋼絲繩在主動輪上的圍包角；

e—自然對數(shù)的底，取值2.718。

摩擦輪兩側(cè)鋼絲繩的拉力差為：T1-T2=T2(eμα-1)。

其中：左邊表示主導輪兩側(cè)鋼絲繩的張力差值，張力差值驅(qū)使鋼絲繩產(chǎn)生相對滑動。右邊表示鋼絲繩與摩擦襯墊間的摩擦力，摩擦力會阻止鋼絲繩產(chǎn)生相對主導輪滑動。工作中，若T1-T2>T2(eμα-1)，則鋼絲繩將發(fā)生滑動[4]。由此可以看出，導致鋼絲繩產(chǎn)生滑移的影響因素主要有摩擦輪兩側(cè)鋼絲繩張力差、鋼絲繩與摩擦輪襯墊材料之間的摩擦系數(shù)及鋼絲繩與摩擦輪的包角。

通過對系統(tǒng)各組成部件的觀察，查閱安全設計專篇關(guān)于提升機選型驗算以及鋼絲繩、液壓站等質(zhì)量證明文件后，研判得出造成本案鋼絲繩滑移的主要原因如下：

(1)鋼絲繩表面存在油膜：由于提升鋼絲繩選用型號為6×19S+FC光面重要用途鋼絲繩(表明涂油型)，繩芯含油量較多，即使在安裝時清洗了鋼絲繩表面油膜，但在運行過程中鋼絲繩受力擠壓，仍會將繩芯內(nèi)的油自內(nèi)而外滲出，在表面形成了油膜。企業(yè)雖然在鋼絲繩表面涂抹了增摩脂，因表面油膜的存在，增摩脂與油膜混合后，反而降低了鋼絲繩與摩擦輪間的摩擦系數(shù)。

(2)首繩長度不一致導致4根繩的受力不一：鋼絲繩運行一段時間后，由于受力及材質(zhì)的差異，導致4根鋼絲繩的伸長率不一致，且超出張緊器的調(diào)節(jié)長度范圍后，使得較長鋼絲繩的張力不足，降低了鋼絲繩與摩擦輪間的靜摩擦力。

造成安全制動減速度超差的原因，經(jīng)過分析還是因安全制動時鋼絲繩發(fā)生滑移，在摩擦輪上形成的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變化所致：在安全制動時，如鋼絲繩與摩擦輪間未發(fā)生滑移時，鋼絲繩與摩擦輪上形成的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量是一致的；但當鋼絲繩與摩擦輪間出現(xiàn)滑移時，它們之間的動摩擦力遠小于滑移前靜摩擦力，致使原有通過靜摩擦力而加于摩擦輪上的罐籠、配重及鋼絲繩的轉(zhuǎn)動慣量大幅度減少，從而在作用于摩擦輪上的制動力相同情況下，制動時間明顯縮短而造成減速度大幅增大。

4 解決問題

在上述原因分析的基礎(chǔ)上，考慮到現(xiàn)實存在的問題及減少后期維護強度等因素，企業(yè)采用了如下整改措施：

(1)更換4根首繩：在經(jīng)過強度驗算滿足要求后，選擇了內(nèi)芯含油量較少的鍍鋅異形股重要用途鋼絲繩，型號為6V×21+FC(表面不涂油)；在掛繩前，用柴油清洗鋼絲繩表面油膜。

(2)用柴油清洗干凈摩擦輪、天輪、導向輪繩槽殘余的含油增摩脂。

(3)對液壓平衡裝置進行檢查保養(yǎng)，確保設備工作狀態(tài)可靠[5]；調(diào)整4根鋼絲繩長度，保證鋼絲繩液壓平衡裝置油缸長度滿足張力調(diào)節(jié)的范圍。

經(jīng)過上述處理后，檢測人員按照前次安全制動測試方法，對該提升機進行了2次測試，結(jié)果完全達到預期效果，具體數(shù)據(jù)，見表3。表3中顯示的滑移距離應是摩擦輪與天輪繩槽直徑誤差所致，實質(zhì)上鋼絲繩無滑移。

表3 整改后測試結(jié)果表Tab.3 Test results after rectification

5 建議

(1)多繩摩擦式提升機使用單位應重視對鋼絲繩的選型，除了考慮鋼絲繩受力滿足安全系數(shù)要求外，還要考慮鋼絲繩使用過程中表面油膜的形成，建議選擇表面不涂油型鋼絲繩。

(2)應加強對摩擦式提升機的維護保養(yǎng)，在鋼絲繩使用一定時間后，及時清洗鋼絲繩表面油膜，確保鋼絲繩與摩擦輪的摩擦系數(shù)在任何運行工況下，均能滿足不滑移的要求。

(3)應加強對提升機維護人員的能力培養(yǎng)，掌握多繩摩擦式提升機的系統(tǒng)構(gòu)造及運行原理，明確日常檢查內(nèi)容和定期維護內(nèi)容，確保設備安全性能始終處于受控狀態(tài)。

(4)在發(fā)現(xiàn)鋼絲繩滑移情況時，應立即停止運行，查明原因并解決后，方能再次投入使用。

(5)嚴格遵守定期檢測制度，以全面地掌握提升機安全性能狀態(tài)。

6 結(jié)論

在任何運行工況下，確保鋼絲繩與摩擦輪間不能出現(xiàn)任何滑移，是多繩摩擦式提升機安全運行的重要保障指標。通過上文中對特定案例中鋼絲繩滑移原因分析及問題的解決，可以看出使用企業(yè)應該落實專人掌握一定深度的摩擦式提升機運行機理，避免鋼絲繩選型錯誤的類似事項發(fā)生，減少損失。同時，由于摩擦式提升機控制系統(tǒng)較為復雜且安全保障措施較為全面，使用企業(yè)應該加強對維護保養(yǎng)力量的培養(yǎng)，嚴格落實日常保養(yǎng)制度，滿足提升機處于正常運行狀態(tài)的能力要求，以充分發(fā)揮摩擦式提升機的優(yōu)勢，為企業(yè)高效、安全的生產(chǎn)提供有力保障。