LGS型罐道绳连续拉紧装置的设计计算

于瑞华

（赤峰中色锌业有限公司，内蒙 赤峰 024000）

1 罐道绳拉紧装置现状

罐道绳拉紧装置主要有四种型式：螺旋拉紧式、弹簧拉紧式、重锤拉紧式和液压螺杆拉紧式.

螺旋拉紧式是将罐道绳底部固定，在井架上安装螺旋套环拉紧装置，采用螺杆来调整和保持罐道绳的张力，由于螺杆长度受到限制，所以只适用于井深较浅的矿井，而且受摩擦阻力的影响较大，拉紧力难于测定，调绳困难，目前此种方式已被淘汰.

弹簧拉紧式与上述螺旋拉紧式基本相同，只是在下部安装了螺旋弹簧，根据弹簧高度的变化检验拉紧力的大小，此种方式也只适用于较浅的井筒，且张力大小不容易判断，目前也不采用.

重锤拉紧式是将罐道绳上部固定，在井下采用重锤拉紧，优点是结构简单，易于制造和安装，通过调整重锤块的数量即可达到所需的拉紧力稳，但也存在许多弊端，除需要大量的铸铁和要开凿较深的井底水窝外，尚需装备多层金属结构，增加了安装时间和劳动强度，维修.检查观察困难.而且随着杂物在水窝里的堆积，容易将重锤拉紧装置淤起，降低绳端张紧力，减少了绳罐道的刚性系数，使罐道绳位移，给安全提升带来严重的威胁.

液压螺杆拉紧式是采用油缸内液压油推动活塞以及带螺纹的活塞杆推顶固绳装置来张紧罐道绳，液压油由于动油泵供给油缸，调整供油压力即可得到所需的张紧力.这种罐道绳拉紧装置张紧效果好，适用范围广，张紧力易于掌握，不需要很深的井底水窝且不需清理，加工这种装置用料省，安装也很方便，因此，多数矿井均采用此种张紧方式，但是，这种拉紧装置的油缸为单作用油缸，活塞行程仅为500mm，为便于调绳，通常是在天轮下方以下2m处紧罐道绳.因此，势必会加高井架高度，而且双楔块固绳器由于卡绳后难以通出，设节时间长，增加了劳动强度和劳动时间.

2 LGS型罐道绳连续拉紧装置改进方向、应用前景及现实意义

2.1 改进方向

为解决上述问题，LGS型罐道绳连续拉紧装置是一种结构简单，布局合理、控制精确、操作方便的新型罐道绳连续拉紧装置，此装置采用上下双卡绳器交替卡住罐道绳，通过油缸驱动上卡绳器上行和下放，实现对罐道绳的拉紧.此装置可根据需要随时调整罐道绳的张力，无需人工操作卡绳机构，直接操作液压系统即可完成，无其他辅助设施，单人即可完成操作，可大大减轻劳动时间和工作的劳动强度，将工作效率提高数倍以上，使罐道绳的拉紧作业更安全，可靠、高效.

2.2 应用前景及现实意义

此装置的应用前景十分广泛，适用于任何立井罐道绳道井筒装备.新建矿井可直接安装使用，对于老矿井，无需改动井架结构，可方便的替代现有重锤拉紧或液压螺杆拉紧装置.应用此装置对保证矿井安全生产，减少劳动时间和工人的劳动强度有着十分重要的现实意义和社会效益.

3 LGS型罐道绳连续拉紧装置设计计算

3.1 自锁上下卡绳器可靠性系数计算

在自锁上下卡绳器的设计过程中，采用一种滚动摩擦楔形自锁机构，在罐道绳与楔面摩擦力的作用下，推动楔子向下运动，使楔子圆弧面夹紧罐道绳.然后在罐道绳作用于楔子上力F2（F2即为罐道绳张力）作用下继续拉动楔子向下移动.罐道绳与楔子的摩擦系数为μ2，只有当摩擦力μ2N2>F2时，卡绳器才能形成自锁，楔子夹紧罐道绳后才会不产生相对滑动.如左上图所示，楔子的自锁条件有如下关系式：

根据力平衡方程∑X=0得：

根据力平衡方程∑Y=0得：

把式（3-2）（3-3）代入（3-4）式，得下式：

整理后得：

а必须满足（3-5）式的条件才能自锁

其中：а—楔子的斜角;

μ1—楔子与滚子之间的摩擦系数;

μ2—楔子与罐道绳之间的摩擦系数

取：μ1=0.02 μ2=0.2

根据（3-5）式则得：

所以，а=10°12″的楔子即可自锁.考虑到摩擦系数的变动，为了更加安全可靠取а=6°.

卡绳可靠性系数是指罐道绳对于楔子的作用力F2同楔子与罐道强间摩擦阻力μ2N2之比.μ2N2若大于F2则楔子能自锁.

由（3-4）式：

N1=F2/(μ1cosа+sinа)把 N1代入（3-3）式

得：N2=F2（cosа-μ1sinа）/（sinа+μ1cosа）

卡绳可靠性系数：K=μ2N2/F2=μ2（cosа-μ1sinа）/（sinа+μ1cosа） （3-6） 计算可知：

把以上各个值代入式（3-6）得：

即自锁上下卡绳器可靠性系数为1.60.

3.2 井下卡绳装置卡绳防滑计算

罐道绳的张力T由绳与滑楔之间的摩擦力来承担.该摩擦力是由楔块作用在绳上的压力P产生的，开始安装时应在外壳中压紧楔块，使楔块在罐道绳上产生预压力，楔块由于与罐道绳间的摩擦力而移动，压紧罐道绳.设楔块的斜角为а，楔块与外壳间的摩擦角为ρ,摩擦系数为μ1，则P可分解为两个力：N力方向垂直于楔面，μ1N1力方向沿斜面.

抵抗罐道绳张力T的纵向力为：

楔块压紧罐道绳的力P为：

联立（1）、（2）得：

要使罐道绳与楔块间不会产生滑动，则罐道绳与楔块间的摩擦系数μ2必须符合下列条件：

即 2μ2P≥2Ptan(а+ρ)

根据试验，罐道绳与楔块间的摩擦系数大于0.15，当楔块斜角tanа=1/40=0.025时，

则 tan（1°25′56″+ρ）≤0.15

即 tanэ≤0.125

当以石墨油脂为润滑剂时，楔块与外壳件的摩擦系数μ1≈0.12小于此值，因此罐道绳与楔块不会产生滑动.3.3 罐道绳拉紧力的计算

《煤矿安全规程》第388条做出以下规定：“罐道绳应优先选用密封罐道绳.每个提升容器（或平衡锤）设有4根罐道绳时，每根罐道绳的最小刚度系数不得小于500N/m,各罐道绳张紧力之差不得小于平均张紧力的5%，内侧张紧力大，外侧张紧力小.1个提升容器（或平衡锤）只有2根罐道绳时，每根罐道绳的最小刚度系数不得小于1000N/m，各根罐道绳的张力要相等.”

罐道绳拉紧力的大小将直接关系提升容器在运行中的摆动量.罐道绳拉紧力大摆动量就小，拉紧力小，摆动量就大，其拉紧力按下式计算：

式中：Q——罐道绳底端拉紧力Kgf

K——罐道绳刚性系数：一般取500N/m

L0——罐道绳极限悬垂长度m

L——罐道绳底悬垂长度m

δb——罐道钢丝绳的抗拉强度Kgf/cm2

η——罐道钢丝绳的安全系数

r——罐道绳的容重

4 罐道绳连续拉紧装置的设计、制造、试验

在研究国内外现状的基础上，对罐道绳拉紧力进行分析，依据其受力状态及布置形式，即可以对罐道绳拉紧装置的机械系统、液压系统分别进行设计.

5 结论

经现场试验表明，此装置工作性能稳定，使用方便，维护量小，归纳起来主要有以下几条：

（1）该装置既具有重拉紧方式的优点，又具有液压螺杆拉紧方式的优点，拉紧力稳定，日常维护量小.

（2）控制简单，可根据需要随时调整参数，控制精确，操作方便.

（3）机械设计新颖，结构合理，布局简单，工作可靠，灵敏度高.

（4）可直接工作，无需辅助件，拉升高度不受影响.

〔1〕国家安全生产监督总局.煤矿安全规程[M].煤炭工业出版社,2011.

〔2〕洪晓华.矿井运输提升[M].中国矿业大学,2005.

〔3〕王志勇,夏琴芬.煤矿专用设备设计计算[M].煤炭工业出版社,1983.

〔4〕唐大方,冯晓宁,杨现卿.机械设计工程学[M].中国矿业大学出版社,2001.