新型多功能张力自动平衡首绳悬挂装置研究

曲立文

(平顶山天安煤业股份有限公司六矿,河南 平顶山 467000)

目前,煤矿使用的提升钢丝绳与箕斗、罐笼的连接器均为楔块锁紧形式,实现提升容器和提升钢丝绳在连接器处的刚性连接[1]。尽管这种连接方式牢固可靠,不会出现松动和脱落现象,但是在长期的实际应用中也凸显出如下缺点:

1)无法释放扭转力矩,扭转力矩产生的横向剪切力和应力集中是造成钢丝绳断丝的主要因素,导致钢丝绳实际使用寿命远低于额定值。

2)现有首绳连接装置在换绳时存在更换工艺复杂、安全性差、劳动强度和工作量大、可操作性差、所需施工人员多、工期较长等诸多缺点。

3)钢丝绳扭转波动产生的横向捻力会影响张力平衡悬挂装置的平衡精度,一定程度上降低了平衡悬挂装置对提升钢丝绳的张力平衡效能[2]。

4)作为纯机械设备,自动化程度较低,不具备功能拓展接口,无法利用新技术测试钢丝绳张力值。

鉴于上述因素,研制一套新型多功能张力自动平衡首绳悬挂装置,通过改变其钢丝绳的连接方式,使其连接处能够以提升钢丝绳为轴进行自由转动,以此有效地释放扭转力矩,消除扭转力矩带来的横向剪切应力,缓解提升钢丝绳局部应力集中现象,彻底改善整条提升钢丝绳的受力状况,提高提升钢丝绳的可靠性和安全性,有效延长提升钢丝绳的使用寿命。

1 结构及工作原理

新型多功能张力自动平衡首绳悬挂装置见图1。新型多功能张力自动平衡首绳悬挂装置自上而下主要由双向平衡油缸、楔式锁绳器、液压楔式调绳器、保险卡构成直连式一锁、二备、三保险的平面斜楔锁绳结构,取代了楔形绳环的弯曲锁绳方式,采用逐级增压的联动模式,可以牢固地将提升容器固定于提升钢丝绳上,有效避免滑绳现象的发生。防护罩和上筒体用于保护平衡油缸,下筒体为主要机械受力件,楔式锁绳器、液压楔式调绳器自上而下布置在下筒体内,工作时相对于下筒体进行相对运动。连接叉上部连接悬挂装置下筒体,下部用于连接提升容器。双向平衡油缸、楔式锁绳器和液压楔式调绳器中的液压缸、五通管、上腔液压阀组、下腔液压阀组共同构成了多功能闭环无源液压自动平衡系统,作为整套装置的动力单元和执行单元。

1-双向平衡油缸；2-上筒体；3-上腔液压阀组；4-下腔液压阀组；5-楔式锁绳器；6-液压楔式调绳器；7-保险卡；8-下筒体；9-连接叉；10-五通管图1 新型多功能张力自动平衡首绳悬挂装置Fig.1 New multifunctional tension automatic balance first rope suspension device

穿绳时,首先打开楔式锁绳器和液压楔式调绳器中的楔块,将钢丝绳自上而下依次穿过双向平衡油缸、楔式锁绳器、液压楔式调绳器和保险卡。控制液压楔式调绳器中的油缸向上运行,利用该油缸推动楔式锁绳器中的楔块向上运行,利用自锁角锁紧钢丝绳,完成一级锁紧。其次利用专用工具人工推动液压楔式调绳器中楔块向上运行,利用自锁角锁紧钢丝绳,完成二级锁紧。最后,将保险卡固定安装在钢丝绳末端位置,假如钢丝绳发生打滑,保险卡可以顶紧液压楔式调绳器中楔块,确保楔块不会自动打开,实现三级锁绳。

通过改变原有钢丝绳连接装置中钢丝绳与提升容器的刚性固定连接方式,引入转动副,增加连接处沿钢丝绳提升方向的轴向转动自由度,钢丝绳和楔式锁绳器、液压楔式调绳器固结为一个整体,当扭转力矩足够大时,能够克服液压密封阻力,实现钢丝绳可控旋转,从而平衡和消除钢丝绳集聚的扭转力矩。

采用多功能闭环无源液压连通自动平衡模式,利用五通管连通四架悬挂装置。当钢丝绳张力不平衡时,张力大的悬挂装置中油缸内的油液通过五通管管路流入张力值较小的悬挂装置油缸内,推动活塞杆向外伸长,悬挂缩短使得钢丝绳承受的张力值变大,直至每根钢丝绳的张力值相等,连通器运动才相应地停止,从而自动实现张力平衡。

2 功能特点

相比于现有的立井提升首绳悬挂装置,新研制的钢丝绳多功能张力自动平衡首绳悬挂装置在结构上和功能上实现了质的革新和完善,实现了产品的全面升级换代。优化后的结构更为牢固紧凑,功能更为完善多样,性能更加安全可靠。在安全高效生产的前提下,其创新性的功能特点主要体现在以下三个方面:

1)创造性地采用直连式一锁、二备、三保险的平面斜楔锁绳结构,引入转动副,增加连接处沿钢丝绳提升方向的轴向转动自由度,通过可控随动旋转和采取新的平衡模式,可以有效释放钢丝绳在运行过程中积聚的扭转力矩,显著消除扭转力矩对钢丝绳的剪切破坏,提升钢丝绳可靠性,延长钢丝绳的实际使用寿命。

2)研制了智能化液压控制系统,借助液压步进系统和自动化控制系统实现了装绳、固绳、调绳、换绳工作的自动化,可以在不棚罐、不卡绳、全负荷条件下轻松快速完成上述工作,投入少、效率高,满足人性化生产的要求,可实现一人快速穿绳、固绳、调绳,多绳同时操作。

3)提高了首绳悬挂装置的张力平衡精度和调绳量,实现动、静状态下精确的张力自动平衡,杜绝了钢丝绳偏窜现象的发生[3]。

3 应用效果

平煤六矿于2016年8月换装新型多功能张力自动平衡首绳悬挂装置，在一年多的实际应用中,展现出了良好的应用性能,产品性能优越、功能多样,满足矿井恶劣工况下的应用要求。其应用效果主要体现在以下几个方面:

采用直连式一锁、二备、三保险的平面斜楔锁绳结构。采用这种锁紧方式,一方面,锁紧部分均在密闭空间内,而且还有润滑油脂的保护,因此受井筒环境的影响和破坏较小,日常维护更为简便;另一方面,采用平面斜楔锁绳结构,钢丝绳与平面斜楔的接触面积较大,对钢丝绳自身的破坏较小,提高了钢丝绳的使用寿命。同时,该结构能够实现钢丝绳可控旋转,从而平衡和消除钢丝绳集聚的扭转力矩,相应地消除扭转剪切应力,优化钢丝绳受力情况,基本杜绝了早期断丝现象。目前,平煤六矿使用的提升钢丝绳已经连续正常使用16个月,而且钢丝绳状况良好,其实际使用寿命较换装前提高了一倍,仅钢丝绳采购成本一项约节约310万,安全性和经济性大大提高。

采用全液压操控模式,引入智能化液压控制技术,采用液压动力源和液压执行机构,在装绳、换绳时,省去了传统连接装置复杂繁琐的解锁工序,钢丝绳可以轻松穿入打开的平面斜楔,然后利用液压缸的挤压力锁紧平面斜楔,再辅以保险卡,实现牢固固绳。在调绳时,借助液压步进机构可以轻松实现各钢丝绳在动、静状态下精确的张力自动平衡,利用就地液压控制柜,只需1～2名操作工人即可在短时间内完成整个装绳、换绳、调绳工作,能够节省大量的人力、物力和时间。应用实践证明,一次装、调绳工作较传统悬挂装置,节约人力投入90%,节约工作时间70%,从而间接增加了矿井的正常生产时间,间接为平煤六矿创造360万元的经济效益。

借助预留的信号接口进行功能扩展,配套载重量实时监测系统,实现对各个钢丝绳张力值的动态监测,监测提升载荷是否在正常范围内,一旦发生异常便会发出声光警告,及时判断、发现和排除提升故障,提高矿井提升工作的可靠性。在实际应用中,该套系统可以稳定、准确地测量提升动态载荷,及时预警超载隐患[4]。

4 结束语

首绳悬挂装置是矿井提升系统中重要承力设备和连接设备,而传统的首绳悬挂装置由于受到自身结构和连接方式的限制,扭转力矩不能得到有效释放,对钢丝绳的破坏比较明显,且功能单一、自动化水平较低,不适应安全、高效、智能化矿山的建设要求。该套新型多功能张力自动平衡首绳悬挂装置进行了结构上的革新优化,通过产品结构和工作原理的创新升级,很好地解决了传统首绳悬挂装置存在的诸多现实问题,提高了产品的可靠性和安全性。现场应用实践证明,在满足安全可靠使用的基础上,其多样化的功能设计和先进的液压自动控制模式,优化了以往装绳、换绳、调绳工作中繁琐复杂的工序,大大提高了工作效率,为矿企带来可观效益的同时,推动了自动化、智能化矿山的建设步伐。