无导向轮塔式提升机钢丝绳滑移量测定解决方案

2013-06-26陈兴

金属矿山 2013年12期

陈兴

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室;3.金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心)

1 问题的提出

随着我国对矿山安全的重视，目前，我国对于提升装置的机电控制系统，已经强制要求有过卷、过速、限速、减速等各种情况下的有效制动等保护与电气闭锁装置。然而对于多绳摩擦轮提升装置来说，除了需要注意以上安全问题外，还需要注意钢丝绳的滑动与张力不平衡等问题。对于钢丝绳滑动，目前在提升系统电气控制上已经能够实现实时监控，其监控方法为分别在提升机主轴及天轮(或导向轮)上安装1个高速光电脉冲编码器采集信号，然后电控系统可将2个脉冲编码器的信号转换成速度进行比较。其中主轴上的编码器反映的是主轴的速度，天轮上的编码器反映的是钢丝绳的速度(由于天轮并无动力驱动，其转动是通过钢丝绳的位移摩擦来带动天轮转动的，因此，天轮的转动速度换算后就相当于钢丝绳的位移速度)。当主轴和天轮的转速(实际为换算后主导轮和钢丝绳的线速度)出现差值，速度的差值高于1.2 m/s，并且持续2 s的时间，便视为滑绳，电控系统便能够报警或采取保护措施。

以上实时监控对于落地式提升机及带导向轮的塔式提升机来说，均不存在任何问题。然而，对于无导向轮的塔式提升机来说，由于测定钢丝绳速度的编码器无地方安装，因此，无法测定。由于钢丝绳滑移实时监控是最近几年才开始逐步实施的，而我国因许多矿山规模较小，矿山提升机直径均不大，特别是一般盲竖井采用的塔式提升机，主导轮直径在2.25 m以下的占相当部分，而对于这部分提升机来说，由于其直径和提升容器中心距相当，所以相当部分都没有导向轮。根据最新的《GB/T 10599—2010多绳摩擦式提升机》4.3.4条“提升机应设置钢丝绳滑动监测装置”的规定，所有多绳摩擦式提升机又都应该安装钢丝绳滑动监测装置，但如何安装目前却还未见统一的技术解决方案，甚至连一些提升机厂家也没有解决办法。据了解，仅有少部分提升机厂家提供的解决方案是在井筒中紧贴提升钢丝绳安装1个小滑轮，将编码器安装在滑轮上(为称呼更科学，本研究暂将该滑轮定义为测绳轮)。从技术上来说，这种解决方案是最简单、有效的，也是完全可行的。但该种做法由于仅是部分厂家行为，没有统一的技术标准，也未见相关手册或文章涉及该方案的实施技术要点，要作为一个可靠的技术解决方案，还需要有一定的理论支撑。为此，本研究尝试在现有相关规程规范作为依据的基础上，对该方案从理论上进行分析、论述，并最终提出一个简单、可行的解决方案。

从理论上来说，紧贴提升钢丝绳安装小滑轮测定钢丝绳滑移需要解决以下技术问题:①该测绳轮与钢丝绳的围包角值多少较为合适?②该测绳轮边沿压钢丝绳的水平距离值多少为宜?

2 相关技术问题论述

2.1 测绳轮与钢丝绳围包角计算

多绳提升机提升动力的传递是依靠摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦力来实现的，根据柔索传动的欧拉公式可知，在极限状态下，摩擦轮两侧钢丝绳张力的比值为

式中，Fz为重载侧(提升侧)钢丝绳的张力，N;Fk为空载侧(下放侧)钢丝绳的张力，N;μ为钢丝绳与轮之间的摩擦系数，通常取μ=0.2～0.25;α为钢丝绳对测绳轮的围包角，rad。

同理，测绳轮要实现转动，也需要借助于钢丝绳与轮本身的摩擦力带动测绳轮转动，因此，测绳轮与钢丝绳的围包角可通过欧拉公式反算，即

将围包角α弧度换算成角度后，则为

根据金属非金属矿山安全规程第6.3.5.21条要求“多绳摩擦提升系统，……，重载侧和空载侧的静张力比，应小于1.5”可知，Fz/Fk最大值只能为1.5，而最小值即为两边静张力相等，也即其值为1。而钢丝绳与轮之间的摩擦系数μ因轮衬的材料不同而不同，国内常用轮衬材料对应摩擦系数见表1。

表1 轮衬常用材料对应摩擦系数

根据以上分析，可计算出采用不同轮衬材料的测绳轮与钢丝绳的围包角，其结果如表2。

表2 各种轮衬材料的围包角范围

2.2 测绳轮边沿压迫钢丝绳水平距离计算

通过2.1节虽然已经计算出测绳轮与钢丝绳的围包角，但测绳轮实际安装的话，一般很难通过围包角来给测绳轮安装定位，现实中比较好操作的就是计算出测绳轮压迫钢丝绳水平距离来给钢丝绳定位，如图1所示，也即计算出图1中x的值。

图1 测绳轮定位

从图1通过三角函数，可以很容易地计算得出

式中，r为测绳轮半径，mm。

从表2可知，围包角最小为0;摩擦系数为0.2时，围包角最大为116.157°;摩擦系数为0.25时，围包角最大为92.926°。以上3种情况下求出的x分别为0、0.47r、0.31r。

3 测绳轮的制作与安装

由于测绳轮仅仅用于测定钢丝绳的位移速度，因此，其大小并不需要太大，含轮衬材料直径以200～500 mm为宜，厚度以40～90 mm为宜。这种轮子加工制作简单，制作好后，再在轮子表面加上耐磨的轮衬材料即可。如果企业没有自己的机修加工设施或为省事，也可直接购买罐笼上所使用的滚轮(如图2)。一般罐笼滚轮上的聚胺脂厚度有70～80 mm，但露出的部分只有30～40 mm，当聚胺脂磨损到铸铁边沿时即需更换，里边还剩有一半厚度的聚胺脂。因此，从节省费用的角度考虑，甚至可以将罐笼使用更换下来废弃不用的滚轮用来作为测绳轮使用。