落地式多繩摩擦式提升機(jī)天輪裝置異響分析及解決方案

趙光輝，徐永福，段秋華，劉同欣

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽 471039

天輪裝置用于落地式多繩摩擦式提升機(jī)，是提升機(jī)的主要承力部件之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的高低影響著提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行和企業(yè)的生產(chǎn)效率[1]。隨著礦山生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和提升技術(shù)水平的提高，多繩摩擦式提升機(jī)的提升能力和規(guī)格越來越大，天輪裝置上的負(fù)載也隨之增大，如國內(nèi)最大的落地式多繩摩擦式提升機(jī) (JKMD－6.2×4 型提升機(jī))，其單個(gè)游動輪 (或固定輪)的受力達(dá)到 821 kN[2]。過大的載荷使得天輪裝置在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)異常響聲，甚至連接螺栓被剪斷等現(xiàn)象，影響礦井的安全生產(chǎn)，亟待解決。

1 天輪裝置的結(jié)構(gòu)

落地式多繩摩擦式提升機(jī)的提升系統(tǒng)如圖 1 所示。天輪安裝在井架上，其作用一是改變鋼絲繩的方向；二是根據(jù)提升系統(tǒng)要求，調(diào)整提升容器的中心距。

圖1 落地式多繩摩擦式提升機(jī)的提升系統(tǒng)Fig.1 Hoisting system of floored multi-rope friction hoist

圖2 天輪裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of head sheave

天輪裝置的結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。每套由 4 個(gè)單獨(dú)的輪子組成，其中一個(gè)輪子用平鍵與天輪軸連接，稱作固定輪；其他輪子相對天輪軸是游動的，稱作游動輪。鋼絲繩運(yùn)動時(shí)帶動固定輪轉(zhuǎn)動，固定輪又帶動天輪軸一起轉(zhuǎn)動。每一個(gè)游動輪的輪轂與天輪軸之間裝有 4 個(gè)兩半式軸瓦，4 個(gè)輪子之間各有 0.2～0.5 mm的軸向間隙，當(dāng)每條鋼絲繩的線速度不完全相同時(shí)，游動輪與天輪軸之間可自由地相對轉(zhuǎn)動[3-4]。

最外端游動輪用兩半式卡箍軸向定位，卡箍安裝在天輪軸環(huán)形槽內(nèi)，其厚度在裝配時(shí)進(jìn)行磨配，以保證各游動輪之間的間隙為 0.2～0.5 mm[5]，這樣游動輪可以發(fā)生微小的軸向位移。

2 天輪裝置異響原因分析

2.1 軸瓦的受力分析

軸瓦的受力如圖 3 所示。提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，軸瓦受力主要為摩擦力。

圖3 軸瓦受力分析Fig.3 Force analysis on bearing bush

2.1.1 軸瓦與天輪軸之間的摩擦力

單個(gè)輪體的受力

式中：Fmax為鋼絲繩最大靜張力，kN；α為鋼絲繩出繩仰角，(°)。

軸瓦與天輪軸之間的摩擦力

式中：μ為摩擦因數(shù)。

軸瓦與天輪軸之間的摩擦力由軸瓦連接螺栓承擔(dān)，力的大小與軸瓦和天輪軸間是否充分潤滑有關(guān)。潤滑充分時(shí)，f天輪軸較小，螺栓承受的剪切力較小；潤滑不佳時(shí)，f天輪軸較大，螺栓承受的剪切力較大。因此必須保證螺栓的規(guī)格和數(shù)量，才能避免螺栓因承載力不夠而被剪斷。

2.1.2 軸瓦與輪轂之間的摩擦力

連接螺栓緊固后，軸瓦與輪轂結(jié)合面之間產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力

式中：k為不平衡系數(shù)，取 0.75；z為螺栓數(shù)量，個(gè)；N為螺栓預(yù)緊力，N。

2.1.3 軸瓦端面與其他游動輪、固定輪或卡箍之間的摩擦力

提升容器的非正常擺動、提升中心線偏斜 (罐道偏斜)等因素會使游動輪受到軸向力作用，使游動輪與游動輪、固定輪或卡箍間產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力

式中：n為游動輪數(shù)量，n=3；β為提升機(jī)主軸中心線與天輪軸線的夾角 (偏斜角)，(°)。

天輪裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，f輪轂＞f天輪軸，f端面=0。

2.2 天輪裝置異響原因分析

天輪裝置出現(xiàn)異常聲響，一般與軸瓦連接螺栓的斷裂有關(guān)。導(dǎo)致螺栓斷裂的直接原因是軸瓦和游動輪轂之間產(chǎn)生相對運(yùn)動，這主要與以下因素有關(guān)。

(1)螺栓松動 軸瓦連接螺栓未緊固或者螺栓受力過大時(shí)，導(dǎo)致螺栓松動，造成f輪轂減小，使得f輪轂＜f天輪軸。此時(shí)，軸瓦會產(chǎn)生圓周方向的相對運(yùn)動，螺栓受切向力，并且隨著相對運(yùn)動的加大，螺栓所受剪切力也越來越大，直至螺栓被剪斷。剪斷的螺栓在輪轂端面形成溝槽，導(dǎo)致天輪運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生異響。

(2)軸瓦潤滑不良 軸瓦潤滑不良，導(dǎo)致軸瓦與主軸之間產(chǎn)生粘連，造成f天輪軸增大，使得f輪轂＜f天輪軸。反復(fù)的正反向剪切力，使得連接螺栓逐漸被剪斷。與此同時(shí)，軸瓦與天輪軸之間由充分潤滑變?yōu)楦赡Σ粒瑢?dǎo)致天輪運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生異響。

(3)提升中心線偏斜 提升容器的非正常擺動、罐道偏斜等使得提升機(jī)主軸中心線與天輪軸線之間存在一定的夾角，軸瓦端面會受到f端面的作用。此時(shí)，f端面≠0，從而引起軸瓦摩擦加劇，發(fā)出異響，連接螺栓出現(xiàn)松動而被剪斷。

3 解決方案

筆者從提高軸瓦螺栓抗剪切力、改善軸瓦耐磨特性等角度，提出以下解決方案。

3.1 加裝定位鍵

在游動輪轂和軸瓦上分別加工出鍵槽，在鍵槽處加裝定位鍵，利用 2 個(gè)螺栓將其分別固定在游動輪轂和軸瓦上，如圖 4 所示。定位鍵可承受軸瓦與游動輪轂之間的切向力，防止螺栓因受剪切力而被剪斷。

圖4 加裝定位鍵Fig.4 Addition of positioning key

(1)設(shè)計(jì)時(shí)，以鍵槽中心線N-N為基礎(chǔ)線進(jìn)行尺寸標(biāo)注，鍵槽與定位鍵之間采用過盈配合，游動輪轂和軸瓦上的軸瓦連接螺栓孔使用鉆模加工，這樣可避免軸瓦連接螺栓孔、注油孔出現(xiàn)過約束，確保定位鍵能正確定位。

(2)根據(jù)各規(guī)格天輪裝置的受力情況，以及游動輪、軸瓦結(jié)構(gòu)尺寸，合理確定定位鍵的尺寸及安裝螺栓的規(guī)格，結(jié)果如表 1 所列。

表1 定位鍵的尺寸及螺栓規(guī)格Tab.1 Size of positioning key and bolt

3.2 應(yīng)用鋅基合金軸瓦

(1)鋅基合金 (ZA-27)的強(qiáng)度和硬度高，對潤滑脂的親和力強(qiáng)，自潤滑性能好，抗黏著性強(qiáng)，減摩耐磨性能突出，具有較高的阻尼特性以及減振、抗噪強(qiáng)等特點(diǎn)。

(2)鋅基合金的摩擦因數(shù)低，使用該材料的軸瓦磨損小，使用壽命長，在同等使用條件下，其使用壽命是銅合金軸瓦壽命的 2 倍以上。

鋅基合金與銅合金 (ZCuZn38Mn2Pb2)的物理特性的對比如表 2 所列。由表 2 可知，鋅基合金性能優(yōu)于銅合金。采用鋅基合金軸瓦能滿足提升機(jī)天輪裝置的使用要求，可完全替代銅合金軸瓦。

表2 鋅基合金與銅合金的物理特性對比Tab.2 Contrast between zinc-matrixed alloy and copper alloy in physical properties

3.3 改善天輪裝置結(jié)構(gòu)

(1)增大螺栓規(guī)格或增加螺栓數(shù)量，降低軸瓦固定螺栓斷裂的概率。

(2)將固定輪與天輪軸的公差配合由 H8/js6 調(diào)整為 H7/n6，以提高裝配的配合精度，避免運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)異響。

(3)改進(jìn)兩半式軸瓦的加工工藝，由單獨(dú)加工改為整體加工后剖分，使同一游動輪的軸瓦內(nèi)徑和外徑尺寸一致，保證受力均衡。

(4)取消兩半式軸瓦之間的 3 mm 間隙，改善軸瓦圓周的相對運(yùn)動，減小螺栓所受剪切力。

(5)改進(jìn)卡箍結(jié)構(gòu)，確保連接螺栓能夠被卡箍全部或局部遮擋，避免螺栓因露出而被卡箍切斷。

(6)改進(jìn)軸瓦潤滑油槽結(jié)構(gòu)，加大油槽深度，以改善潤滑狀態(tài)。

(7)增加軸瓦上沉孔的剩余厚度，以增加強(qiáng)度。

(8)要求裝配時(shí)擰緊軸瓦連接螺栓，并且涂抹樂泰防松膠，消除松動隱患。

(9)增加天輪裝置輻條數(shù)量或加大輻條規(guī)格，提高天輪裝置的整體剛度和強(qiáng)度，從而提高其承載能力。

(10)增加清洗軸瓦的放油口，以便在必要時(shí)利用稀油對銅瓦進(jìn)行清理，恢復(fù)其正常工作狀態(tài)。

3.4 其他措施

(1)安裝時(shí)，確保天輪中線、罐道中心線、提升機(jī)中心線對正，防止鋼絲繩發(fā)生偏斜。

(2)運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常檢查各鋼絲繩的張力狀態(tài)，并及時(shí)調(diào)整保證張力平衡，避免天輪裝置出現(xiàn)故障。

(3)使用中，經(jīng)常檢查天輪的潤滑狀況，按要求加油或清洗潤滑管路，確保天輪裝置處于良好的潤滑狀態(tài)。

4 結(jié)語

通過對天輪裝置異響形成的原因進(jìn)行分析，提出了異響問題的解決方案。方案已廣泛用于多種規(guī)格的天輪裝置，效果很好，異響問題基本解決。這些解決方案對于舊結(jié)構(gòu)天輪裝置的升級改造及返廠維修具有一定的指導(dǎo)意義。