多繩摩擦式提升機(jī)天輪裝置常見故障及解決方案

高志康，李玉輝，劉坤良

1洛陽礦山機(jī)械工程設(shè)計研究院有限責(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

落地式多繩摩擦式提升機(jī)是礦山開采中重要的運(yùn)輸設(shè)備，核心部件天輪裝置對提升鋼絲繩起支撐和導(dǎo)向作用，其安全性和可靠性對礦井安全生產(chǎn)影響極大。

天輪裝置多處于露天環(huán)境，安裝在井架之上，工作在低速重載、頻繁啟動、反復(fù)換向、加速減速、制動停止等工況下，其承受的載荷很大，尤其是啟動、加減速、制動停止時，因受沖擊而使得所受載荷大大超過了提升機(jī)的最大靜張力。工作載荷大、使用環(huán)境惡劣、維護(hù)困難是天輪裝置所處工況的主要特點(diǎn)。隨著落地式多繩摩擦式提升機(jī)的廣泛使用，天輪裝置也成為提升機(jī)故障率較高的部件之一，常見的故障形式有天輪裝置異響、軸瓦聯(lián)接螺栓剪斷、軸瓦磨損嚴(yán)重、輪輻斷裂等。

1 天輪裝置結(jié)構(gòu)概述

多繩摩擦式提升機(jī)天輪裝置的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要由天輪軸、固定輪、游動輪、軸瓦、軸承座、主軸承、天輪襯墊及卡箍等組成。其中 1 個輪子為固定輪，其他均為游動輪[1]。固定輪采用平鍵與天輪軸連接；游動輪內(nèi)孔裝有軸瓦，軸瓦采用螺栓與游動輪連接。當(dāng)各根鋼絲繩的線速度不完全相同時，每個游動輪與天輪軸之間可以相對轉(zhuǎn)動，以消除各輪子因線速度差異而產(chǎn)生的附加力矩[2]。

圖1 天輪裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of head sheave device

2 天輪裝置常見故障形式

天輪裝置受力大，工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常發(fā)生不同形式的故障，又因其安裝在較高的井架上，不便于檢查、維護(hù)或更換。一旦天輪裝置出現(xiàn)問題，輕則導(dǎo)致停產(chǎn)，重則可造成安全事故[3]。

天輪裝置常見的故障形式有以下幾種：

(1) 運(yùn)行噪聲大，天輪裝置出現(xiàn)異響；

(2) 軸瓦聯(lián)接螺栓剪斷；

(3) 軸瓦磨損嚴(yán)重；

(4) 卡箍磨損；

(5) 輪輻焊縫開裂或輪輻斷裂；

(6) 襯墊偏磨嚴(yán)重，繩槽深淺不一；

(7) 天輪偏擺超差。

其中，故障 (1)～ (4) 發(fā)生的頻率相對較高，多為天輪軸瓦潤滑問題引起的，且各問題經(jīng)常伴隨發(fā)生；故障 (5) 多為天輪環(huán)境問題引起的；故障 (6)、(7) 多為天輪裝置安裝、運(yùn)行問題引起的。

3 天輪故障原因分析

3.1 天輪軸瓦受力分析

以 4 繩天輪為例分析，理想狀況下 4 根鋼絲繩線速度相同且同步，游動輪與天輪軸之間沒有相對轉(zhuǎn)動，但實(shí)際上因?yàn)槊扛摻z繩的張力存在差異，導(dǎo)致每個輪體的轉(zhuǎn)動速度也不完全一致。設(shè)計固定輪與游動輪的目的就是為了適應(yīng)這種情況，并且輪子之間預(yù)留有 0.2～0.5 mm 的間隙，使 4 個輪子可以實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)動速度。

天輪裝置工作時，鋼絲繩帶動固定輪和游動輪轉(zhuǎn)動，固定輪在平鍵的作用下帶動天輪軸轉(zhuǎn)動。當(dāng)游動輪與固定輪轉(zhuǎn)速不同時，游動輪軸瓦與天輪軸就產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，二者之間發(fā)生滑動摩擦；同時，軸瓦與游動輪轂之間的聯(lián)接螺栓受到剪切力作用。

軸瓦的受力情況如圖 2 所示。f1為軸瓦內(nèi)孔與天輪軸的摩擦力，f2為軸瓦外端面與輪轂或卡箍摩擦力，f3為軸瓦法蘭內(nèi)端面與游動輪轂之間因螺栓把合產(chǎn)生的摩擦力。其中，f1與軸瓦正壓力和摩擦因數(shù)正相關(guān)，f2與軸瓦端面擠壓力和摩擦因數(shù)正相關(guān)，f3與螺栓擰緊力矩正相關(guān)。當(dāng)f1+f2＜f3時，軸瓦磨損，螺栓不受剪切力；當(dāng)f1+f2＞f3時，軸瓦磨損，螺栓還會受剪切力。

圖2 軸瓦的受力分析Fig.2 Force analysis of bearing bush

當(dāng)軸瓦潤滑不良或天輪受到非正常沖擊時，f1增大；當(dāng)天輪裝置中心線與摩擦輪中心線存在偏差或游動輪竄動、軸瓦受到軸向力時，f2增大，導(dǎo)致聯(lián)接螺栓所受剪切力增大。天輪裝置長期在這種情況下運(yùn)行，就會發(fā)生軸瓦磨損嚴(yán)重或聯(lián)接螺栓剪斷的情況，進(jìn)而導(dǎo)致天輪裝置產(chǎn)生異響。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軸瓦聯(lián)接螺栓剪斷時，與固定輪相鄰的游動輪和最外側(cè)的游動輪軸瓦螺栓損傷較嚴(yán)重。其原因是天輪可能受到某種外力引起的軸向力，使得 3個游動輪都沿軸向往一側(cè)偏斜，軸瓦互相擠壓、互相摩擦，最外側(cè)的游動輪受擠壓力尤為嚴(yán)重，最終增加了軸瓦端面的摩擦力，提高了此處軸瓦聯(lián)接螺栓所受的剪切力。而這種外力可能是由于提升容器非正常擺動或罐道偏斜等因素導(dǎo)致的。

鋼絲繩導(dǎo)致的軸向力會產(chǎn)生疊加、放大效應(yīng)，游動輪向同側(cè)運(yùn)動后，抵消了軸瓦軸向 0.2～0.5 mm 的間隙，力疊加，磨損加劇，并形成惡性循環(huán)。

3.2 環(huán)境因素影響分析

天輪輪子分為固定輪 (見圖 3) 和游動輪 (見圖 4)兩種，它們一般為鑄焊式結(jié)構(gòu)，即每個輪體由鑄造或鍛造的輪緣、輪轂與槽鋼組成的輪輻焊接而成[4]。

圖3 固定輪結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of fixed sheave

圖4 游動輪結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of floating sheave

天輪輪輻損壞主要有以下幾個原因：

(1) 天輪裝置輪子承受的載荷較大，并且工作時受到交變應(yīng)力的影響，易引起材料疲勞；

(2) 天輪裝置所處環(huán)境惡劣，經(jīng)常受到雨雪侵蝕，容易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，尤其對天輪輪輻影響較大；

(3) 處于極端低溫或極端高溫環(huán)境的天輪裝置，長期運(yùn)行時，自然環(huán)境下對天輪材料的機(jī)械性能產(chǎn)生較大影響。

以上原因都可能導(dǎo)致天輪異響、輪輻焊縫開裂，甚至輪輻斷裂。

3.3 其他影響因素

3.3.1 天輪裝置安裝問題

在天輪裝置安裝的諸多要求中，有兩個主要因素：天輪裝置底座的水平度、天輪軸軸心線與垂直于天輪軸的提升中心線的垂直度。天輪裝置的一般安裝要求如下：

(1) 天輪裝置的中心線與提升中心線應(yīng)重合，其偏差不應(yīng)大于 1 mm；

(2) 天輪裝置底座的水平度不超過 0.05/1 000；

(3) 天輪軸軸心線與垂直于天輪軸的提升中心線，在水平面內(nèi)的垂直度不應(yīng)超過±0.15/1 000。

如果前期安裝或因井架變形、基礎(chǔ)沉降等而導(dǎo)致不能達(dá)到以上要求時，就會改變天輪輪體受力狀況，甚至產(chǎn)生軸向力，進(jìn)而引起襯墊偏磨、輪體竄動、軸瓦偏磨、甚至天輪偏擺超差等問題。

3.3.2 鋼絲繩張力不平衡

襯墊繩槽直徑偏差、鋼絲繩長度偏差及剛度偏差等，會使長度較大的鋼絲繩受到較小的張力，長度較小的鋼絲繩受到較大的張力。為使鋼絲繩受力平衡，通常使用調(diào)繩器來調(diào)節(jié)。但調(diào)繩器使用不當(dāng)，比如調(diào)繩液壓缸漏液，造成調(diào)繩液壓缸無壓或者欠壓，使某根鋼絲繩不受力或少受力；單根鋼絲繩伸長量超過調(diào)繩液壓缸調(diào)整極限，使單根鋼絲繩不受力或受力較小，調(diào)繩器無法起到平衡多根鋼絲繩受力的作用；當(dāng)提升中心線和罐道位置發(fā)生偏移時，罐道對罐籠形成向上或向下的阻力，從而使罐籠作用在提升繩上的力不均勻[5]。當(dāng)各鋼絲繩受力不均時，各輪體受力也不均，引起襯墊磨損、軸瓦磨損或天輪異響。

4 故障解決方案

針對上述影響因素，可采取以下解決方案。

4.1 制訂加油維護(hù)制度

制訂加油維護(hù)制度并嚴(yán)格執(zhí)行，為天輪裝置提供良好的潤滑條件。油脂選擇、加油維護(hù)和軸瓦清洗建議參考以下要求進(jìn)行。

(1) 油脂選擇 軸瓦潤滑脂一般采用 1～ 3 號極壓鋰基潤滑脂。日常維護(hù)時，用戶可根據(jù)當(dāng)?shù)夭煌竟?jié)、溫度，選擇合適牌號的潤滑脂。

(2) 加油維護(hù) 加油維護(hù)計劃如表 1 所列。

表1 潤滑油維護(hù)計劃Tab.1 Lubricate maintenance scheme

(3) 軸瓦清洗方法 天輪管路中和軸瓦內(nèi)的潤滑脂很可能變質(zhì)失效、風(fēng)干，附著在油管內(nèi)壁和軸瓦油槽中，甚至形成堵塞，必須定期對其進(jìn)行清洗，保證油路暢通。軸瓦清洗時，將煤油或其他清洗劑通過輪緣上的注油孔注入油路，從游動輪輪轂中部出油口(此口也可以做注油口使用) 流出，清洗完成后用螺塞封堵。

4.2 天輪裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

天輪裝置故障的發(fā)生也與天輪裝置本身的結(jié)構(gòu)相關(guān)，對天輪裝置的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)優(yōu)化，可提高天輪裝置的適應(yīng)性。

(1) 增大軸瓦聯(lián)接螺栓規(guī)格、強(qiáng)度或增加螺栓數(shù)量，以提高軸瓦聯(lián)接螺栓整體強(qiáng)度和抗剪切能力。

(2) 增加軸瓦端面定位鍵 (見圖 5)，以提高抗剪能力，減小螺栓受到的剪切力。

圖5 軸瓦定位鍵Fig.5 Locating key of bearing bush

(3) 改進(jìn)加工工藝，采用無縫加工工藝 (見圖 6)，以提高軸瓦加工精度和整體性，消除軸瓦竄動空間。

圖6 無縫軸瓦結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of seamless bearing bush

(4) 改善軸瓦潤滑油槽結(jié)構(gòu)，采用井字形縱橫交錯的油槽形式，以加大軸瓦油槽的有效長度，增加油槽深度，以提高儲油量，改善潤滑效果。

4.3 自動加油式天輪裝置設(shè)計

天輪裝置安裝在較高的井架上，不便于人工對其進(jìn)行潤滑，現(xiàn)場難以保證足夠的加油頻率。同時，天輪裝置往往采用油脂潤滑，如果不及時補(bǔ)油，會導(dǎo)致潤滑油變干，甚至堵塞注油孔，最終無法潤滑軸瓦。天輪裝置在潤滑不良的情況下工作，將導(dǎo)致軸瓦嚴(yán)重磨損甚至燒瓦。為此，設(shè)計了電動泵自動加油式天輪裝置，如圖 7 所示。

圖7 自動加油式天輪裝置Fig.7 Automatic refueling -type head sheave device

自動加油式天輪裝置通過管路與旋轉(zhuǎn)密封裝置將電動加油泵與天輪軸游動輪一側(cè)的中心孔相連通，將潤滑油脂從天輪軸軸向深孔和每個游動輪對應(yīng)位置的徑向孔，加注到各個游動輪的軸瓦處。人員不必爬上井架，在地面機(jī)房就可以對該裝置進(jìn)行操控，而且不必停車就可以加注油脂，從而實(shí)現(xiàn)定期自動加油的目的。

4.4 滾動軸承式游動輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸瓦與軸是開放式結(jié)構(gòu)，為滑動摩擦形式，與滾動軸承相比，加油頻率高、維護(hù)量大、壽命短，而滾動軸承定期更換一次油脂就能長期正常使用。根據(jù)滑動軸瓦和滾動軸承各自的特點(diǎn)，結(jié)合天輪裝置工作的實(shí)際情況，在天輪裝置游動輪上采用滾動軸承支撐的結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)使用軸瓦支撐的結(jié)構(gòu)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)[6]。

4.5 加裝天輪防護(hù)設(shè)施

針對環(huán)境因素對天輪輪輻材質(zhì)性能產(chǎn)生影響的問題，建議具備條件的現(xiàn)場可對天輪裝置加裝防護(hù)設(shè)施，比如在天輪裝置井架安裝平臺增加圍擋、防雨棚等，甚至可將天輪裝置與主軸裝置之間的鋼絲繩也用圍擋保護(hù)起來 (見圖 8)，優(yōu)化天輪裝置工作環(huán)境。這對于處于雨雪充沛、極端高/低溫環(huán)境的礦山設(shè)備尤其重要。在國內(nèi)南方地區(qū)，它可減少雨水對天輪裝置的影響；在北方地區(qū)，它有利于天輪裝置保溫，減少雨雪及低溫環(huán)境對天輪裝置的影響。

圖8 現(xiàn)場帶有防護(hù)設(shè)施的天輪Fig.8 On-site head sheave with protective facility

4.6 輻板式天輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于井架高度特別高或其他一些原因，導(dǎo)致增加防護(hù)措施難度較大的礦山，可采用輻板式結(jié)構(gòu)天輪裝置，如圖 9 所示。不同于一般天輪輪體采用槽鋼輻條式，輻板式天輪的輪緣與輪轂采用輻板、肋板連接，輻板分別與輪緣、輪轂焊接在一起。輻板式受力方式與輻條式不同，不會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

圖9 輻板式天輪裝置結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of spode board-type head sheave device

4.7 使用維護(hù)注意事項(xiàng)

(1) 在安裝天輪裝置時，使用單位應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)安裝規(guī)范和廠家說明書進(jìn)行安裝，吊裝運(yùn)輸時需注意起吊方式和起吊位置，確保天輪輪體不發(fā)生變形，盡可能利用專用起吊工具進(jìn)行吊裝；

(2) 日常使用中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況制訂加注油制度，定期清洗軸瓦及注油管路，確保油路通暢、潤滑良好；

(3) 定期檢測天輪井架是否有變形、基礎(chǔ)是否有沉降等情況，確保天輪中心線、水平度、井筒中心線對中度等符合相應(yīng)要求。

5 結(jié)論

天輪裝置發(fā)生故障是一個復(fù)雜的過程，應(yīng)全面、系統(tǒng)地分析問題。筆者主要從天輪裝置軸瓦潤滑、天輪環(huán)境、安裝使用幾方面對天輪異響、軸瓦螺栓斷裂、輪輻斷裂等故障進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

(1) 在軸瓦潤滑方面，可制訂加油制度并嚴(yán)格執(zhí)行，也可采用自動加油式天輪裝置或滾動軸承式游動輪結(jié)構(gòu)天輪裝置。

(2) 在環(huán)境因素方面，可加裝天輪防護(hù)措施，也可采用輻板式天輪裝置。

(3) 對于目前現(xiàn)場在用的天輪裝置，如果出現(xiàn)上述問題，建議有條件時，可以按照原有安裝尺寸定制一組新結(jié)構(gòu)的天輪裝置作為備件，對其中一組原天輪裝置進(jìn)行替換，原天輪裝置拆下后進(jìn)行返修或局部改造，返修或局部改造完成后，再對另一組原天輪裝置進(jìn)行替換，在不影響生產(chǎn)的情況下對天輪大修。