隨著礦山規模和產量的日益擴大，提升機作為主要輔助運輸設備，其所在的井筒或巷道越來越長。尤其是早期使用的單繩纏繞式提升機，其在斜井與井下運輸具有優勢。井下提升時，為了節省井巷工程與投資，通常多選用游動天輪裝(zhuang)置，來(lai)縮短提(ti)(ti)升機主機與天輪裝(zhuang)置之(zhi)間的(de)(de)距離，以達到減小提(ti)(ti)升巷道長度(du)的(de)(de)目的(de)(de)；因此(ci)，游動天輪裝(zhuang)置的(de)(de)結(jie)構設計(ji)與布(bu)局在提(ti)(ti)升系(xi)統中顯得非常重要。

1 主要存在問題

在礦山(shan)實際應用(yong)中，提(ti)升(sheng)機(ji)游(you)動天輪裝(zhuang)置經常(chang)出(chu)現無法實現設計(ji)的游(you)動距離的問題(ti)，其主要原因有(you)：

(1) 礦井巷道環境比(bi)較惡劣，粉塵類物(wu)質(zhi)較多，常附著(zhu)在游動天輪軸的(de)裸露(lu)位(wei)置，造成潤滑不暢；

(2) 游(you)動天(tian)輪(lun)裝置大部分采用滑(hua)動結構，軸瓦設計不盡(jin)合理，潤滑(hua)不及時(shi)；

(3) 游動天輪裝置(zhi)安裝位(wei)置(zhi)不合適。

如果出現上述(shu)情況(kuang)，無(wu)法實現設(she)計的游(you)動距離(li)時，運行(xing)中會(hui)產(chan)生“咬(yao)繩(sheng)”現象，嚴重影(ying)響(xiang)鋼絲(si)繩(sheng)使用壽命，甚(shen)至(zhi)有斷繩(sheng)的風(feng)險，帶來巨大的安全隱患(huan)。

2 游動天輪結構改進

2.1 游動天輪裝置結構

游(you)動天(tian)(tian)(tian)(tian)輪(lun)(lun)(lun)裝置主要由(you)天(tian)(tian)(tian)(tian)輪(lun)(lun)(lun)體(ti)(ti)、天(tian)(tian)(tian)(tian)輪(lun)(lun)(lun)軸(zhou)、軸(zhou)承(cheng)座、調(diao)心滾子軸(zhou)承(cheng)、軸(zhou)瓦(wa)及(ji)襯(chen)墊 (耐磨繩(sheng)(sheng)襯(chen)) 等(deng)組(zu)成，如圖(tu) 1 所示。大部分游(you)動天(tian)(tian)(tian)(tian)輪(lun)(lun)(lun)裝置都(dou)采用輪(lun)(lun)(lun)緣、槽鋼以及(ji)輪(lun)(lun)(lun)轂等(deng)組(zu)焊結構，焊后整體(ti)(ti)退火(huo)。安裝時，天(tian)(tian)(tian)(tian)輪(lun)(lun)(lun)體(ti)(ti)先套在(zai)天(tian)(tian)(tian)(tian)輪(lun)(lun)(lun)軸(zhou)上(shang)，再將兩瓣軸(zhou)瓦(wa)把(ba)合在(zai)天(tian)(tian)(tian)(tian)輪(lun)(lun)(lun)體(ti)(ti)上(shang)，通過運行中鋼絲繩(sheng)(sheng)產生的側向力驅使天(tian)(tian)(tian)(tian)輪(lun)(lun)(lun)體(ti)(ti)與銅瓦(wa)一起(qi)在(zai)天(tian)(tian)(tian)(tian)輪(lun)(lun)(lun)軸(zhou)上(shang)左右(you)游(you)動。耐磨繩(sheng)(sheng)襯(chen)安裝在(zai)輪(lun)(lun)(lun)緣槽內，能夠有效保護鋼絲繩(sheng)(sheng)，延長鋼絲繩(sheng)(sheng)使用壽(shou)命(ming)。

圖1 游動天輪裝置

1.軸(zhou)承(cheng)座 2.調心(xin)滾子軸(zhou)承(cheng) 3.襯墊 4.天(tian)輪(lun)體(ti) 5.天(tian)輪(lun)軸(zhou) 6.軸(zhou)瓦

2.2 游動軸瓦改進設計

天輪裝(zhuang)置游動性能(neng)的好壞，主(zhu)要(yao)取決于軸(zhou)瓦(wa)的結構(gou)設計(ji)(ji)與(yu)潤滑(hua)條(tiao)件(jian)等。針對軸(zhou)瓦(wa)，可以從以下 3 方面進(jin)行(xing)設計(ji)(ji)改進(jin)。

2.2.1 儲油(you)槽的結構改進

目前(qian)，軸(zhou)(zhou)瓦(wa)油(you)槽(cao)(cao)多為螺旋(xuan)式(shi)結(jie)(jie)構(gou)(gou) (見圖(tu) 2(a))。螺旋(xuan)式(shi)油(you)槽(cao)(cao)的(de)主要缺(que)點：油(you)槽(cao)(cao)淺(qian)，有效(xiao)長度短(duan)，存油(you)量很少；螺旋(xuan)形(xing)結(jie)(jie)構(gou)(gou)，在(zai)(zai)天輪游動過(guo)程(cheng)中，潤(run)滑(hua)油(you)很容易被(bei)擠出，影響潤(run)滑(hua)效(xiao)果。改(gai)進后(hou)，軸(zhou)(zhou)瓦(wa)采用縱橫(heng)交(jiao)互式(shi)油(you)槽(cao)(cao) (見圖(tu) 2(b))。縱橫(heng)交(jiao)互的(de)結(jie)(jie)構(gou)(gou)大大增加(jia)了油(you)槽(cao)(cao)的(de)有效(xiao)長度。如果在(zai)(zai)原 2 mm 基礎上將(jiang)油(you)槽(cao)(cao)加(jia)深(shen)至(zhi)4 mm，儲油(you)量能夠增加(jia) 5 倍以上，可顯著改(gai)善潤(run)滑(hua)效(xiao)果。改(gai)進前(qian)后(hou)油(you)槽(cao)(cao)結(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)對(dui)比如圖(tu) 2 所示。

圖2 軸瓦油槽結構的改進

2.2.2 軸(zhou)瓦(wa)圓角(jiao)設計(ji)改(gai)進

改進前(qian)，軸(zhou)(zhou)瓦兩端(duan)面倒角為 2×45°。當天(tian)輪(lun)體受到(dao)側(ce)向力(li)游(you)動時，軸(zhou)(zhou)瓦兩端(duan)因受力(li)不(bu)同，會在軸(zhou)(zhou)瓦與(yu)天(tian)輪(lun)軸(zhou)(zhou)間隙(xi)允(yun)許(xu)范圍內產生(sheng)傾斜(xie)。此時，軸(zhou)(zhou)瓦端(duan)面倒角內側(ce)棱邊與(yu)天(tian)輪(lun)軸(zhou)(zhou)形成線接觸，產生(sheng)較大的摩擦力(li)，影響游(you)動效果，甚至劃傷天(tian)輪(lun)軸(zhou)(zhou)。

改進后，將 2×45°倒角改為 R5 圓角(jiao) (見圖 3)，軸(zhou)瓦(wa)在任何作用力下與天輪(lun)(lun)軸(zhou)均為(wei)面接(jie)觸，能有效降低天輪(lun)(lun)體游動(dong)時的摩擦(ca)力阻力，同時可(ke)預防天輪(lun)(lun)軸(zhou)劃傷。

圖3 軸瓦端部倒角的改進

2.2.3 軸瓦(wa)應用(yong)新材料

游動(dong)天輪裝置軸(zhou)(zhou)瓦(wa)(wa)常(chang)用(yong)(yong)的材(cai)料為鑄銅(tong)合(he)(he)金ZCuZn38Mn2Pb2，其(qi)有較好(hao)的力學性(xing)能、耐(nai)蝕(shi)性(xing)及(ji)耐(nai)磨性(xing)，適用(yong)(yong)于滑動(dong)速(su)度(du)小的穩定載荷或沖(chong)擊(ji)載荷工(gong)況。近(jin)年來，鋅基合(he)(he)金 ZA-27 材(cai)料日(ri)益(yi)成熟(shu)，加之其(qi)適用(yong)(yong)于具有沖(chong)擊(ji)的低速(su)重(zhong)載工(gong)況，已逐步代替銅(tong)合(he)(he)金軸(zhou)(zhou)瓦(wa)(wa)應用(yong)(yong)在礦山設(she)備上，效果良(liang)好(hao)。鋅基合(he)(he)金軸(zhou)(zhou)瓦(wa)(wa)與銅(tong)合(he)(he)金軸(zhou)(zhou)瓦(wa)(wa)性(xing)能對(dui)比如(ru)表 1 所列。

表1 銅合金軸瓦與鋅基合金軸瓦性能對比

從表 1 可(ke)知，與銅瓦相(xiang)比，鋅(xin)基軸瓦的抗拉強度(du)和布(bu)氏硬(ying)度(du)都(dou)較(jiao)高，摩(mo)擦(ca)因(yin)數和密度(du)較(jiao)低，且(qie)有良(liang)好的自潤滑性，適用于短暫缺油(you)工況，整體使用壽命可(ke)提高 1 倍以上。在相(xiang)同規(gui)格下，使用鋅(xin)基合(he)金軸瓦的成本可(ke)降低 30%～40%。

3 游動天輪位置確定

3.1 常規計算方法

《煤炭安全規(gui)程》2011 版中第 418 條規(gui)定(ding)天(tian)輪到滾筒(tong)上的(de)鋼絲繩的(de)內、外偏(pian)(pian)角都不(bu)得超(chao)過1°30′(1.5°)。假定(ding)主機設備采用(yong)單卷筒(tong)提升機，系(xi)統仍然按照內外偏(pian)(pian)角不(bu)得超(chao)過 1.5°的(de)要求(qiu)來進行設計(ji)，如圖 4 所示。

圖4 提升系統設計示意

天輪裝置中心線與主軸裝置中心線的水平距離估值 Lg 的算式為：

式中：β 為鋼絲繩實際偏角，(°)；B 為卷筒纏繩區寬度，m；l 為(wei)游動天輪的(de)游動距離，m。

鋼(gang)絲(si)繩(sheng)從卷筒到天輪的許用偏(pian)角(jiao)

由式 (1) 和 (2) 可(ke)知，天輪中(zhong)心(xin)線到主軸(zhou)中(zhong)心(xin)線的水平距離滿(man)足

井下運輸巷道采用游動天輪時，一般 L 值都(dou)不大，借(jie)鑒其估值計(ji)算方法可知：

式中：Lx 為提升鋼絲繩斜長，m；L 為游動天輪中心線到主軸裝置中心線的水平距離，m；H 為游動天輪距離地坪中心高，m；r 為游動天輪半徑，m；h 為主軸裝置距離地坪中心高，m；R 為卷筒直徑，m。

由式 (4) 可知，選型規格和游動距離確定后，可通過調整 L 值大小來滿足繩偏角 β ≤1.5°。實際工程設計中，單層纏繞式時，一般采用 β ≤1.25°；多層纏繞式時，β ≤1.17°。

3.2 修正計算方法

游動天輪裝置在提升系統中的安裝位置至關重要，如僅按照鋼絲繩允許偏角計算，在實際運行中仍經常出現游動距離不夠、發生受憋的情況，導致鋼絲繩偏角 β ≥ 1.5°。這(zhe)表(biao)明天(tian)輪裝置的位(wei)置除(chu)了受到鋼(gang)絲繩偏角的影響外(wai)，還與井下巷道的變坡點(dian)(dian)及鋼(gang)絲繩牽引(yin)鉤頭的摘掛點(dian)(dian)位(wei)置有關。采用(yong)修正算法時，提升(sheng)系統(tong)的設計(ji)如圖 5 所(suo)示。

圖5 修正算法的提升系統示意

式中：L2 為(wei)摘掛點到(dao)(dao)天(tian)輪軸中線的距(ju)離(li)，m。變坡(po)點到(dao)(dao)卷筒的水平(ping)距(ju)離(li)為(wei)

式中：L1 為變坡(po)點到(dao)摘掛點的距離，m。

根據三(san)角形的相似理論可得

將式 (5) 和 (6) 代(dai)入式 (7) 可(ke)得

由此可知，由式 (8) 計算得到的 L 既能夠滿足(zu)變坡(po)點對游動距離的要求，又能滿足(zu)摘(zhai)掛點對繩(sheng)偏(pian)角的要求。

4 結語

結(jie)合(he)提升機游動天(tian)輪(lun)裝置(zhi)在實(shi)際工(gong)程(cheng)應用中存在的(de)問題(ti)，分析了無法(fa)實(shi)現(xian)設計(ji)(ji)游動距離而造(zao)成繩偏角過(guo)大的(de)原因(yin)，得(de)出(chu)(chu)了天(tian)輪(lun)軸瓦設計(ji)(ji)結(jie)構和位(wei)置(zhi)布(bu)局(ju)影響的(de)結(jie)論，提出(chu)(chu)了軸瓦結(jie)構改進方案(an)，并(bing)推演(yan)了天(tian)輪(lun)位(wei)置(zhi)布(bu)局(ju)的(de)修正計(ji)(ji)算方法(fa)。該改進設計(ji)(ji)已應用在多個礦山項(xiang)目，效果良好。