无极绳绞车压绳装置的改进分析

杨飞龙

（山西汾西中兴煤业有限责任公司， 山西 交城 030500）

引言

煤矿井下有电机车、柴油机车以及轨道、无极绳绞车等多种辅助运输方式，其中无极绳绞车凭借运输成本低、适应性强、运输距离长以及运输量大等优点，在煤矿井下应用较为普遍[1-3]。由于煤矿井下地质条件复杂，无极绳绞车往往需要在大倾角、变坡多的巷道内布置，给绞车应用带来一定的挑战[4]。同时随着矿井综合机械化开采水平的提升，大型的采煤、运输设备应用更为普遍，这些设备在井下运输时小功率无极绳绞车往往难以满足需要，因而大功率无极绳绞车在煤矿井使用量逐步增加[5]。无极绳绞车通过钢丝绳给矿车运行提供动力，压绳装置是钢丝绳导向、固定的重要设备[6]，随着绞车功率增加，压绳装置受到的作用力显著提升，在使用时存在跳绳、压绳装置损坏等问题。为此，针对矿井无极绳绞车压绳装置现场应用存在的问题，进行针对性改进，对提升无极绳绞车应用效果具有显著意义。

1 无极绳绞车压绳装置应用中存在的问题

无极绳绞车在煤矿井下为常用辅助运输方式，山西某矿为高瓦斯矿井，井下地质构造发育、开采的煤层起伏较大，巷道内有较多的起坡点。为了提升井下运输效率，现阶段矿井基本采用无极绳绞车辅助运输，其中使用最为广泛的是SQ-80 型绞车，绞车结构由液压绞车、钢丝绳、平托轮组、压绳装置（主/副压绳轮）、张紧装置等构成。

无极绳绞车运输采用的压绳装置结构见图1 所示，结构包括转轴、托架、绳轮以及拉紧弹簧等。压绳装置中副压绳轮组安装完成后基本处于固定状态；主压绳轮组绳轮由于采用弹簧拉紧，当绳组受到较大的钢丝绳作用力时弹簧会松开，从而造成压绳轮组压绳轮张开，最终出现钢丝绳跳绳问题。根据井下压绳装置应用情况并结合笔者工作经验，具体将压绳装置应用过程中存在的问题归结为以下两个方面[7~9]：

图1 压绳装置

1）跳绳问题。跳绳问题多发生在无极绳绞车运送过程中，当巷道有变坡点或需要拐弯时，由于坡度变化造成钢丝绳有一定的向上作用力，当压绳装置提供的压绳力小于钢丝绳运行时作用到绳轮组上的作用力时，钢丝绳即会从压绳轮中弹出，出现跳绳，从而影响无极绳绞车钢丝绳运行。

2）压绳装置故障。由于煤矿井下环境恶劣，同时无极绳绞车需要频繁工作，钢丝绳时常给压绳装置作用力。压绳装置长时间使用时，绳轮下方布置的固定螺母容易松动，严重时导致绳轮从固定架上脱落。

2 压绳装置的受力分析

压绳装置结构包括有转轴、绳轮、托架以及张紧弹簧等，通过各个部件组合主要起到固定钢丝绳以及钢丝绳导向功能，从而满足无极绳绞车在井下巷道内长距离运输需要。针对井下无极绳绞车应用情况，并便于对压绳装置受力进行分析，文中主要考虑巷道坡度对压绳装置的受力影响，忽略拐弯影响。具体分两种情况：

1）压绳装置布置的巷道无坡度变化，巷道为近水平巷道（坡度在5°以内）；

2）巷道有坡度变化（坡度变化在5°以上）。

2.1 近水平巷道内压绳装置的受力分析

压绳装置在近水平巷道内布置时压绳轮受力情况见图2 所示，其中F 为钢丝绳上向作用力（即钢丝绳作用到压绳装置上的上向应力）；L 为力F 的力臂；F1、F2分别为张紧弹簧作用到压绳轮 1、2 上的预紧力；L1、L2分别为张紧弹簧作用到压绳轮 1、2 上的预紧力力臂；忽略压绳轮自身重力影响，则压绳轮受到的力矩 M 可通过公式（1）、（2）计算：

当压绳轮总力矩M≥0 时表示钢丝绳可以被压绳轮压紧，不会出现跳绳问题；当压绳轮总力矩M＜0 时表示压绳轮提供的力矩无法束缚钢丝绳，压绳轮会被分开从而造成钢丝绳弹出，出现跳绳问题。

图2 压绳轮受力图

2.2 有坡度巷道压绳轮的受力分析

巷道坡度用α 表示，压绳角用β 表示，则无极绳绞车运行时钢丝绳作用到压绳轮上的向上作用力可通过式（3）计算：

式中：T 为无极绳绞车运行时产生的牵引力。压绳角β 与巷道坡度α 成正比，即α 越大β 越大，反之α越小β 小。无极绳绞车未工作时钢丝绳牵引力T 为0，钢丝绳不会出现跳绳问题。无极绳绞车牵引的矿车载重越大，钢丝绳牵引力T 越大，则压绳轮受到钢丝绳作用力F 越大；巷道坡度α 越大，则压绳角β 越大，压绳轮受到作用力越大。当F 超过压绳轮极限载荷时，钢丝绳即会出现跳绳问题。

3 压绳装置的改进

3.1 增加张紧弹簧数量

从压绳装置在使用过程中受力分析可知，避免钢丝绳出现跳绳可从降低压绳轮受到载荷（即降低钢丝绳牵引力）或者增加压绳轮本身力矩两个方面出发。由于无极绳绞车在使用过程中难以避免需要运输如液压支架、采煤机等重载荷设备，降低压绳轮受到载荷（即降低钢丝绳牵引力）显然不现实。因此可通过增加压绳轮力矩对压绳装置进行改进，具体为将张紧弹簧数量由原本1 个增加至2 个，则压绳轮本身可提供的力矩即可增加1 倍，从公式（1）（2）看出，压绳装置出现钢丝绳跳绳几率则会明显降低。

为了更好地提升压绳装置适应性，可采用下述方式合理选择弹簧：对压绳装置使用过程中钢丝绳受到的牵引力F 进行取值分析，并考虑安全系数，从而最终确定弹簧的弹性系数，并以此为基础最终确定选用的弹簧。根据矿井压绳装置使用现场条件，最终选用弹簧中径D 为36 mm 的弹簧。

3.2 优化张紧装置布置

在井下辅助运输时根据无极绳绞车使用环境需要对压绳装置布置方式、位置进行优化，从而降低压绳轮受力。在巷道坡度较大、需频繁运输重型设备或者材料的无极绳绞车时，可通过加密压绳装置、降低钢丝绳对压绳轮组影响，反之当无极绳绞车布置环境较好或者无需重载荷运输时可适当增加压绳装置间距，从而减少压绳装置安装工作量以及钢丝绳运行工作阻力。

3.3 改进压绳轮插销结构

由于压绳装置频繁受到钢丝绳作用力影响，导致压绳轮下部螺母时常出现脱落问题，严重时会导致压绳轮从固定架上掉落。为了避免上述问题，在对压绳轮结构进行分析的基础上，对结构组成进行改进，具体为在压绳轮轴上增加布置一挡销，通过挡销作用固定轴压绳轮轴，限制压绳轮轴转动，从而避免缩紧螺母松动、掉落，具体改进后压绳轮轴的结构见图3。

4 压绳装置改进效果分析

将改进后的压绳装置现场应用后，压绳装置压绳轮可给钢丝绳提供足够压力，不会出现由于钢丝绳受力较大或使用点坡度大而引起的跳绳问题。同时在对压绳轮插销结构改进后，压绳轮下部缩紧螺母常松动、掉落问题得以彻底解决。现场应用接近6个月时间内，改进后的压绳装置运行平稳、安全，可以更好地满足井下复杂巷道运输需要，现场应用取得显著效果，在一定程度上提升了无极绳绞车辅助运输效率。

5 结论

1）对煤矿井下常用的无极绳绞车压绳装置使用过程中存在的钢丝绳跳绳、绳轮脱落等问题进行分析，并从增加压绳装置内张紧弹簧数量、优化张紧装置布置解决钢丝绳跳绳问题；在压绳轮结构内增加布置挡销避免压绳轮轴随压绳轮运转，从而解决缩紧螺母松松、掉落引起的绳轮脱落问题。

图3 改进后压绳轮轴结构

2）提出的压绳装置简单，在井下即可对压绳装置进行改进。将改进后的压绳装置现场应用后，无极绳绞车重载运行时钢丝绳也未出现跳绳、压绳装置绳轮脱落问题。

3）通过对压绳装置进行改进，提升了压绳装置井下适应性并降低了运输故障发生率，确保了无极绳绞车使用效率，为煤矿井下辅助运输工作的高效开展创造了良好条件。