一种矿山缠绕式提升机钢丝绳增阻器的设计和应用

韦 林 赵元元 韦彦哲

（1.广西高峰矿业有限责任公司，广西 河池 547205；2.广西华锡矿业公司，广西 河池 547205；3.兰州大学，甘肃 兰州 730000）

广西高峰矿业有限责任公司（以下简称公司）是一家锡多金属地下开采中型矿山企业，其主提升系统采用4 级斜井单绳多层缠绕式提升机分级提升，提升钢丝绳损耗是公司的主要耗材之一。在实际生产过程中，新安装的钢丝绳经常出现“灯笼”状或绳忒挤出等结构性破坏，严重时出现大面积断丝、断股现象。造成此种现象的主要原因是安装新钢丝绳时预紧力不足，新绳在卷扬机滚筒内盘绳不紧密所致，目前没有解决该问题的有效办法。因此，公司要求技术部门设计、制作一种可提供反张力的预紧装置[1-3]，解决新绳安装预紧力不足的问题。

1 钢丝绳安装使用的预紧方法和存在问题

根据国内外的经验数据，单绳多层缠绕提升机钢丝绳的安装需要给予钢丝绳施加静载荷10%～20%的反张力，目前钢丝绳安装的预紧方法主要有两种：

（1）利用钢丝绳自身重量为提升机卷筒施加预紧力

这是一种给钢丝绳施加反张力最普遍的方式，大多数地下矿山安装钢丝绳时，都采用这种方式，但该种方式存在一个缺点：无外力施加作用，钢丝绳反张力不足。以下为实例计算说明。

钢丝绳规格为Φ31 mm 三角股钢丝绳，单位重量P=4.30 kg/m，斜井倾角30°，安装钢丝绳斜长L=100 m，斜井提升最大静载荷10 000 kg。安装钢丝绳时，把钢丝绳运送到斜井斜长100 m 部位，利用钢丝绳本身自重产生的反张力为提升机卷筒施加预紧力。其预紧力的计算式为：

式中：F为钢丝绳预紧力，kg；m为钢丝绳质量，m=P·L=4.30×100=430 kg；θ为斜井倾角，θ=30°；μ为地辊和钢丝绳的摩擦系数，μ=0.05。

把以上已知数据代入公式，得F=234 kg。而按国内外的经验数据，钢丝绳最小预紧力Fmin至少为：Fmin= 提升最大静载荷×10%=10 000×0.1=1000 kg，F=234 kg ＜Fmin，因此，该方法预紧力F不足。

（2）利用器械设备给钢丝绳提供反张力

此类器械，最典型的是由浙江省建设机械集团有限公司取得的实用新型专利“钢丝绳紧绳装置（CN 204281159 U）”。该装置存在的问题：结构复杂，造价较高，其卷筒、减速箱、制动器等体量大。根据《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423-2020）要求，钢丝绳绕过卷筒时，卷筒直径和钢丝绳直径比不能小于60 mm。如果使用Φ31 mm 钢丝绳，则该装置的卷筒最小直径Dmin=31×60=1860 mm，安装、使用时需要较大空间。对于地下矿山，由于受巷道或场地影响，该装置的搬运、安装、使用和回收将耗费大量的人力、物力。该装置不适合地下矿山使用，仅见用于码头、大型驳船的钢丝绳安装。

针对目前钢丝绳安装使用的预紧方法存在反张力不足和预紧装置体量大的问题，公司技术人员利用摩擦阻力原理，设计、制作了一种结构简单、操作简易的钢丝绳增阻器，在新钢丝绳安装时提供充足的反张力，使新绳在卷扬机滚筒上的盘绳更加紧密，提高钢丝绳的使用寿命和安全系数。

2 增阻器的设计和制作

2.1 设计要求和构想

为解决目前缠绕式提升机新钢丝绳安装时反张力不足、钢丝绳在卷筒上盘绳不紧密的问题，新制作的钢丝绳预紧装置必须符合以下三个条件：（1）反张力达到钢丝绳最小预紧力，即F≧Fmin=1000 kg；（2）适应矿山井下复杂场地、高温高湿环境条件；（3）体量小，搬运、安装、使用和回收方便。

根据以上三点设计要求，公司技术人员提出利用摩擦阻力产生反向张力对钢丝绳进行紧绳作用的设计构想：新安装钢丝绳穿过地辊（动态）和衬垫胶板（静态）中间，对地辊施加压力，使钢丝绳在地辊和衬垫胶板之间产生摩擦阻力，钢丝绳的摩擦阻力对卷扬机滚筒产生反向张力，从而对钢丝绳起到紧绳作用。如图1。

图1 设计构想图

2.2 增阻器的制作

要实现设计构想并使钢丝绳产生反向张力，需要对地辊和衬垫胶板进行固定，并在它们之间施加可调节的压力，因此需要制作主支架、制动片等辅助零配件进行组合才能形成一个完整的增阻器。

（1）增阻器零配件及其材料选用

如图2（b），增阻器各零配件的组成及材料要求如下：

图2 增阻器3D 和零配件图

① 主支架：45#钢板，厚度δ=10 mm，设有摩擦轮固定槽、制动片固定杆孔、制动加压横板孔、衬垫支架孔（衬垫支架也可焊接在主支架上）、增阻器固定孔。要求：为减轻主支架重量，在其不受力部位尽量缩小其尺寸。

② 制动片：DN200 无缝钢管（热轧，GB8163-87）加工成半圆形制动片，其内径和摩擦轮外径一致，其上设有制动片挡板和固定杆孔。

③ 制动加压螺杆：DN20 螺杆，等级8.8。

④ 加压横板：45#钢板，厚度δ=10 mm，按DN20 螺杆孔径制螺牙。

⑤ 摩擦轮：尼龙材质矿用地辊，直径D=200 mm，长度L=300 mm。其轮轴经过加工，既能方便装卸，又能固定在主支架卡槽内不发生转动，其摩擦部位沿轮面圆周加工钢丝绳绳槽，绳槽深度和宽度由安装钢丝绳绳径决定。

⑥ 衬垫支架：45#钢板，厚度δ=10 mm，中间设有摩擦衬垫卡槽。要求：卡槽稳固，方便摩擦衬垫的装卸，其竖向厚度受力大于9.8 kN。

⑦ 摩擦衬垫块：聚氨酯材质，其摩擦面加工一条钢丝绳绳槽，绳槽深度、宽度和摩擦轮的一致。

⑧ 制动片固定杆：镀锌钢管，DN20。既可作为制动片固定杆，又可作为移动、运输增阻器的承重杆。

（2）增阻器工作原理

如图3，安装钢丝绳时，钢丝绳11 穿过摩擦轮5（动态）和摩擦衬垫块7（静态）之间，制动片2通过制动加压螺杆3 和加压横板4 向制动片挡板10施加压力，使制动片2 和摩擦轮5 之间产生摩擦力f1。摩擦力f1控制摩擦轮5 的转速，通过摩擦轮5和摩擦衬垫块7 对钢丝绳施加压力产生摩擦力f2。钢丝绳的运行受到反向摩擦力f2的作用，最终对钢丝绳施加反向张力，产生紧绳作用。

图3 工作原理图

3 增阻器数据分析及使用效果

3.1 数据分析

（1）实例数据

斜井倾角为30°，增阻器距离卷扬机卷筒距离为100 m。钢丝绳规格：直径31 mm，4.30 kg/m。卷扬机卷筒直径为2.5 m，在卷扬机卷筒上安装4个（0～2T）垂直于卷扬机卷筒轴的无线传输测力传感器，检测钢丝绳对卷扬机滚筒产生的径向绕紧力q。安装钢丝绳时，实测得制动加压螺杆7 接触制动片挡板6 向下旋转圈数n和4 个传感器显示绕紧力q及钢丝绳张紧力F之间关系数据见表1。

表1 n、q、F 关系

表1 中：n为加压螺杆向下旋转圈数，n=0 时，表示加压螺杆刚刚接触制动挡板，两者之间压力为0，摩擦力为0；q为现场传感器实测数据，钢丝绳对卷扬机卷筒的绕紧力，垂直于卷扬机卷筒轴，kg/m；F为钢丝绳张紧力，F=q·d/2，d为钢丝绳卷绕直径，约等于卷筒直径，d=2.5 m。

（2）数据分析

① 理论数据

当n=0 时，钢丝绳张紧力F为钢丝绳本身重量在斜井中分力和摩擦力的合力：

F=m（sinθ+μcosθ） （2）

式 中：m为 钢 丝 绳 质 量，m=100×4.30=430 kg；θ为斜井倾角，θ=30°；μ为钢丝绳和斜井地辊的滚动摩擦系数，μ=0.05。经计算，F=233.6 kg。

② 实测数据

当n=0 时，实测绕紧力q=189.4 kg/m 时，张紧力F=236.7 kg ≈233.6 kg；当n=3 时，实测绕紧力q=807.3 kg/m 时，张紧力F=1 245.9 kg ≈1 242.8 kg，即理论计算值和实测数据计算值近似相等。依此类推，实测数据准确。

如表1 数据，钢丝绳紧绳器随着制动加压螺杆3 对制动片挡板10 的径向绕紧力q增大，钢丝绳张紧力F 增大，增阻器对钢丝绳的张紧作用明显。

3.2 使用效果

该发明增阻器总体尺寸长×宽×高=325 mm×300 mm×400 mm，重量为20 kg，体量小，在矿山井下移动、安装方便；制作材料如地辊、板材、衬垫等属于矿山常规耗材，取用方便，成本低。公司现已在4 条新钢丝绳安装时使用该增阻器，经过近两年的观察，所安装的钢丝绳不再出现下层保安绳出现大面积断丝现象，而且钢丝绳的总体使用寿命增加了40%～60%，每年可节约15 万元左右的钢丝绳损耗，效果良好。

4 结语

增阻器的设计和制作，是为了解决缠绕式提升机新钢丝绳安装时反张力不足、钢丝绳在卷筒上盘绳不紧密的问题，经过近两年的使用和观察，对钢丝绳的安装、使用取得了良好效果。该增阻器结构简单，安装方便，操作简易，使用灵活，造价低，其设计理念和依据可应用于其他行业，有一定拓展性。