矿井提升机天轮衬垫的分析与应用

肖慧儒，高宝录，何方金，施海斌，顾永刚，崔哲峰

1承德铜兴矿业有限责任公司 河北承德 067250

2中信重工机械股份有限公司 河南洛阳 471039

3承德恒力机电制造有限责任公司 河北承德 067250

天 轮是单绳缠绕式矿井提升机的重要部件。天轮使用寿命在很大程度上取决于轮缘使用寿命，故延长轮缘使用寿命即可延长天轮使用寿命。在早期的天轮设计中，除了铸铁轮缘必须采用衬垫外，铸钢和焊接轮缘较少采用衬垫。为了延长天轮和钢丝绳的使用寿命，承德铜兴矿业有限责任公司 (以下简称“铜兴公司”)从 2003 年 5 月开始，在提升机及绞车天轮的铸钢轮缘上均采用了衬垫，并对铸铁轮缘原衬垫进行了改造。当衬垫绳槽磨损到影响正常使用时，只需更换衬垫即可，避免了因轮缘过度磨损而导致天轮报废，从而延长了天轮使用寿命。同时，衬垫使钢丝绳处于无磨损摩擦状态，延长了钢丝绳使用寿命。铜兴公司及其他矿山采用天轮衬垫数十年的实践表明[1-2]，衬垫既延长了天轮和钢丝绳的使用寿命，减小了提升中心变化，也提高了提升系统运行的可靠性。

1 天轮衬垫的应用与效果

铜兴公司采用的天轮衬垫主要有以下几种形式，现简述其应用效果。

1.1 整体方形块

整体方形块衬垫如图 1 所示。其材质原为尼龙6，1983 年 5 月改为耐油橡胶 I4，用于铜兴公司副井KJ2×3×1.5D-20 型提升机 (主轴装置与制动系统已更新为 2JK-3/20A 型提升机结构[3])φ3.0 m 铸铁轮缘天轮，平均使用寿命约 1.17 a。2003 年 9 月，铜兴公司将衬垫材质改为聚氨酯，其平均使用寿命约 6.83 a。由于衬垫的保护作用，现用重锤和罐笼的天轮迄今分别已使用近 35 a 和 39 a。

图1 整体方形块衬垫Fig.1 Integral square block liner

1.2 剖分式楔形块与整体矩形块

剖分式楔形块衬垫如图 2 所示。其材质为榆木，用于铜兴公司副井 2БМ×2.5-20 型提升机 (已整机更新为 2JK-2.5/20A 型提升机)φ2.5 m 铸铁轮缘天轮。木质衬垫的缺点是寿命短，平均使用寿命约 0.83 a。2003 年 10 月，铜兴公司将衬垫改为聚氨酯整体矩形块，如图 3 所示，其平均使用寿命约 6.5 a，使用寿命约为木质衬垫的 7.8 倍。现用 2 个天轮均为 1975 年 5月安装，迄今已使用近 45 a。

图2 剖分式楔形块衬垫Fig.2 Split wedgy liner

图3 整体矩形块衬垫Fig.3 Integral rectangular block liner

1.3 扇形整体块Ⅰ与剖分式楔形块Ⅰ

扇形整体块Ⅰ衬垫如图 4 所示。其为铜兴公司设计，材质为聚氨酯，用于铜兴公司主井 KJ2×4×1.8D-11.5 型提升机 (主轴装置与制动系统已更新为 2JK-4/11.5A 型提升机结构[4])φ4.0 m 铸钢轮缘天轮。原天轮为铸钢与铆焊两半式结构，总重 7.159 t，因无衬垫，轮缘和钢丝绳磨损严重。曾因此提前报废的 1 号和 2 号天轮，其轮缘绳槽底部磨损均达 22 mm 以上。轮缘绳槽磨损较深后，槽底半径变小，使钢丝绳产生过度挤压，导致其因磨损和断丝超标而提前报废。2个新天轮分别仅使用 9 a 和 5.67 a 时，其轮缘绳槽又分别磨损达 9、6 mm 以上。为提高天轮和钢丝绳使用寿命，2003 年 5 月，铜兴公司在 2 个天轮上均安装了聚氨酯衬垫，其平均使用寿命约 9.5 a，钢丝绳使用寿命也有所延长，同时提高了设备的运转效率。

图4 扇形整体块Ⅰ衬垫Fig.4 Fan-shaped integral block liner I

2015 年 7 月，1 号天轮因轴瓦等原因更新时 (已使用近 22 a)，轮缘衬垫采用了如图 5 所示的剖分式楔形块Ⅰ系列产品。其材质为超高分子聚乙烯，使用 4 a 多来效果较好。

图5 剖分式楔形块Ⅰ衬垫Fig.5 Split wedgy liner I

2019 年 9 月，2 号天轮因毂轴连接失效进行更新时 (已使用 22.58 a)，轮缘衬垫仍采用剖分式楔形块Ⅰ，为提高其使用寿命，材质采用了聚氨酯。

1.4 扇形整体块Ⅱ与剖分式楔形块Ⅱ

扇形整体块Ⅱ衬垫如图 6 所示。其为铜兴公司设计，材质为聚氨酯，图 6(a)衬垫用于铜兴公司盲主井 2JK-2.5/20 型提升机φ2.5 m 铸钢轮缘天轮，其平均使用寿命约 7.5 a；图 6(b)衬垫用于铜兴公司盲副井 2JK-3/11.5 型提升机φ3.0 m 铸钢轮缘天轮，其平均使用寿命 10 a 以上。原天轮均无衬垫，造成轮缘和钢丝绳磨损严重。2003 年 7 月，铜兴公司在 4 个天轮上均安装了衬垫，迄今 3 个天轮仍正常使用，其中 2个副井天轮均已使用 35 a 以上，主井 1 号天轮已使用30 a 以上。

图6 扇形整体块Ⅱ衬垫Fig.6 Fan-shaped integral block liner II

2018 年 5 月，因毂轴连接失效更新主井 2 号天轮时 (已使用 28.5 a)，轮缘衬垫采用了如图 7 所示的剖分式楔形块Ⅱ，材质为超高分子聚乙烯。4 个天轮采用衬垫后，钢丝绳使用寿命均有所延长。

图7 剖分式楔形块Ⅱ衬垫Fig.7 Split wedgy liner II

1.5 剖分式楔形块系列

2017 年 9 月，铜兴公司斜井 JTP-1.6×1.2/20 型提升绞车天轮采用剖分式楔形块系列产品，材质仍为超高分子聚乙烯。

综上所述，天轮是否采用衬垫及其材质的不同，对天轮、钢丝绳及衬垫的使用寿命均影响较大。采用衬垫可延长天轮和钢丝绳的使用寿命；合理选用衬垫材质，是延长其使用寿命、减少更换频次及提高设备效率等的关键。

2 天轮衬垫应用的标准及要求

《金属非金属矿山安全规程》[5](以下简称《规程》)规定：“6.3.5.7 天轮的轮缘应高于绳槽内的钢丝绳，高出部分应大于钢丝绳直径的 1.5 倍。带衬垫的天轮，衬垫应紧密固定。衬垫磨损深度相当于钢丝绳直径，或沿侧面磨损达到钢丝绳直径的一半时，应立即更换”。铜兴公司及其他矿山采用天轮衬垫数十年的实践表明，采用衬垫须严格执行《规程》规定并应符合以下标准及要求。

2.1 衬垫的安装与更换标准

根据《规程》规定，衬垫的轴向和径向外形尺寸应大于其安装槽的尺寸，使其装配后产生一定的过盈而紧密固定，其公差G的值应视衬垫材质而定。热塑性聚氯乙烯塑料 (PVC)及新型 PVC、尼龙 6 和超高分子聚乙烯应较小，G值＜1.0 mm 为宜；聚氨酯宜居中，G值为 1.0～ 1.8 mm 合适；利用报废的运输胶带或由一般橡胶的制成品可稍大，G值 ＞ 1.8 mm 为宜。此外，为紧密排列，还应根据衬垫安装的最后周向间隙值，制作合适的“间隙衬垫”，以手锤打入，保证衬垫的周向紧密固定。

衬垫的更换要严格按《规程》规定执行，以尽量减小提升中心的变化，减轻罐道及其导向槽 (器)的磨损，延长天轮使用寿命，保护钢丝绳等。

2.2 衬垫径向厚度

无衬垫的天轮由矿山自行安装衬垫后，钢丝绳提升中心的变化一般在 28～40 mm。这是因为，天轮直径在 2.5～4.0 m，其钢丝绳直径d为 28～40 mm。《规程》6.3.3.8 对提升容器的导向槽 (器)与罐道之间的间隙做出规定，《规程》6.3.3.9 对导向槽 (器)和罐道之间的磨损更换程度做出规定。这些间隙和磨损的累计之和，如木罐道的最大值为 10＋15=25 mm，仍然无法弥补因安装衬垫而产生的钢丝绳提升中心的变化值，因此必将增加容器在罐道上的摩擦力，加剧容器导向装置与罐道的磨损。对于钢丝绳罐道单绳多段提升而言，提升中心的变化也是造成“卡罐”的原因之一[1]。

减轻导向装置与罐道磨损的有效方法，就是选择一个比较合理的衬垫径向厚度H，以尽量缩小钢丝绳提升中心的变化值。H值应为d与衬垫更换前的最小厚度e之和，即H＝d＋e。笔者根据经验认为，若天轮原无衬垫，e取 0～10 为宜；若天轮原有衬垫，考虑到新衬垫性能一般优于原衬垫，故取新衬垫更换前的最小厚度e′＜e。显然，当H或H′值居中时，钢丝绳提升中心与提升容器设计提升中心相重合 (原有衬垫时)或接近 (原无衬垫时)。采用聚氨酯时，当H′与H相差较大时，衬垫减薄值f(f＝e－e′=H－H′)可安装为“固定垫层”，这样既可保持钢丝绳提升中心不变或少变，又可减薄新衬垫厚度，以降低其购价。

2.2.1 衬垫拟减薄示例 1

图1 括号内 40.5 为衬垫减薄后数值。原e＝Hd＝86.5－37＝49.5，太厚；故取e′=H′-d＝40.5 -37=3.5，合适；则f＝e-e′=H-H′=46。

f安装为固定垫层后，既可保持钢丝绳提升中心不变，亦可减薄新衬垫厚度，减少聚氨酯用料，降低采购成本。廉价材质的衬垫不必考虑安装固定垫层。

2.2.2 衬垫拟减薄示例 2

由图 2 可得，tan 30°=x/13，x=7.5。H=40 -7.5=32.5，d=28，e＝H－d＝4.5；则图 3 括号内 32为衬垫减薄后数值。原e＝H－d＝50－28＝22，较厚；故取e′=H′-d＝32－28＝4，合适；则f＝ee′=H-H′=18。

应当指出，图 1 衬垫中绳槽深度与绳槽半径均设计为 50%d＝18.5 不合理。根据有关文献和铜兴公司近 30 a 的实践经验可知：

(1)绳槽深度取 25%d[6]＝9.25 或 30%d[7]＝11.1，较合理，原设计 18.5 比 9.25 或 11.1 分别深 9.25 或7.40，不合理。衬垫高度可减小至 95.75 或 93.9，H与H′均不改变；

(2)绳槽半径取 55%d[8]＝20.35 较合理，原设计18.5 比 20.35 小 1.85，钢丝绳会产生一定程度的挤压；

(3)天轮衬垫与卷筒衬木 (塑衬)的绳槽深度与绳槽半径的技术要求相同。

2.3 绳槽尺寸

2.3.1 绳槽深度

按文献 [7]要求，“卷筒衬木绳槽深度应为钢丝绳直径的 30%”。根据铜兴公司经验，当绳槽深度约为 25%d时，即可满足使用要求。原洛阳矿山机器厂设计的绳槽深度仅为 18%d。绳槽随着使用会逐渐加深，不会出现钢丝绳“跳槽”现象。铜兴公司 5 台提升机按 (20%～25%)d铣削的卷筒衬木或定制的卷筒塑衬，使用 30 余年从未出现过钢丝绳跳槽现象，故绳槽深度取 (20%～25%)d比较合理。

2.3.2 绳槽半径

绳槽半径过小会引起钢丝绳过度挤压而提前断丝；过大又会使钢丝绳支撑面积减小，增大其接触应力而导致绳与绳槽的加速磨损。合理的绳槽半径，应使钢丝绳与槽底紧密贴合并保持必要的间隙，此间隙是考虑到钢丝绳在工作时有向两侧分开的倾向。根据文献 [8]，绳槽半径取 55%d比较合理。

2.4 衬垫材质的选择

天轮衬垫的主要功能是避免天轮与钢丝绳之间直接接触而产生互相磨损，因而性能指标要求少且低。我国从 20 世纪 80 年代初开始使用热塑性聚氯乙烯(PVC)衬垫，由于其价格低，沿用近 30 a。由于 PVC衬垫是硬质无弹性塑料制品，使用中衬垫间出现较大的间隙，噪声大，安全性能受影响。后在原生产工艺及配方的基础上加以改进，研制出新型的 PVC 衬垫，比原 PVC 衬垫性能提高 20%，同时推出聚氨酯及超高分子聚乙烯衬垫，解决了 PVC 材料的不足，成为天轮衬垫的首选材质[9]。根据铜兴公司采用衬垫数十年的经验和有关文献及厂家的介绍，笔者认为，聚氨酯衬垫虽价格较高，但使用寿命较长；超高分子聚乙烯衬垫虽价格便宜，但使用寿命不如前者。各矿山可依据使用环境及工况，将二者作为天轮衬垫的首选材质。

3 结语

为了延长轮缘和钢丝绳的使用寿命，铜兴公司在提升机及绞车天轮的铸钢轮缘上均采用了衬垫，对铸铁轮缘上早期的衬垫亦进行了改造，均取得了很好的应用效果，可供同仁借鉴与参考。天轮改造或更新时应采用衬垫。

(1)衬垫的安装与更换标准须严格按《规程》规定执行，以保证在减小提升中心的变化、减轻罐道及其导向槽 (器)的磨损、延长天轮使用寿命以及保护钢丝绳等方面均取得较好的应用效果。

(2)衬垫材质应依据使用环境及工况进行选择，以延长其使用寿命周期、减少更换频次、提高设备运转效率为目标。

(3)合理的衬垫径向厚度、绳槽深度与绳槽半径等技术参数是衬垫优化的关键。