新型首绳悬挂装置设计

李彦辉

(辽宁能源煤电产业股份有限公司，辽宁 沈阳 110014)

目前我国煤矿矿井提升系统主要是依靠钢丝绳提升罐笼来完成。沈阳焦煤股份有限公司林盛煤矿副井提升系统安装有2台多绳摩擦轮提升机，采用的钢丝绳由于传统的楔形绳环和首绳悬挂装置自身结构和刚性固接工作原理的限制，存在提升钢丝绳扭转力矩积聚严重、实际使用寿命较短、张力自动平衡装置平衡精度较低、日常调绳工序繁琐效率低下等问题，人为操作或设备故障而发生的小幅超载时有发生，虽然未酿成安全生产事故，但是仍存在一定的安全隐患，一旦提升系统出现意外，对矿井的安全生产影响会特别大。因此有必要对传统的钢丝绳连接器的连接方式进行研究分析和优化设计，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。

1 新型首绳悬挂装置的方案设计

新型多功能张力自动平衡首绳悬挂装置旨在替代现有的楔形绳环和XSZ型张力平衡自动悬挂装置，要求既能够实现楔形绳环的锁绳功能，实现XSZ型张力平衡自动悬挂装置的张力自动平衡功能，同时还需要克服上述两种装置存在的问题与弊端，进行产品优化和功能完善。综合矿井实际情况，从以下4个方面进行新型首绳悬挂装置的方案设计。

1.1 张力自动平衡方案的设计

目前矿井普遍使用的XSZ型张力平衡自动悬挂装置，其在张力平衡方面的使用效果基本能够满足矿井日常生产的需要。但是，现有的悬挂装置调绳距离较短，而所有矿井在更换新绳后，新绳的塑性变形较大，要求首绳悬挂装置具有较大的调绳距离来调节和平衡新绳的塑性变形。特别是随着井深的增加，钢丝绳的总变形量增大，调绳的范围和频率更高，对最大调绳距离的要求更高。因此，在新型首绳悬挂装置的设计方案中，依旧采用多功能闭环无源液压连通自动平衡模式，只需根据实际需要改进液压缸结构，增加设备的最大调绳距离，提升液压元器件的密封性能，引入一定的自动控制技术提高设备的操控性即可。

1.2 连接方式(约束)方案的设计

楔形绳环和XSZ型张力平衡自动悬挂装置最大的缺点就是采用了刚性连接，限制了钢丝绳和提升罐笼之间的自由度，这种全约束会导致提升钢丝绳随着提升罐笼的交变振动和摆动发生旋转，进而逐步产生巨大的扭转力矩，所带来的应力集中和剪切应力很容易使钢丝发生破断。因此，在新型首绳悬挂装置的设计方案中，将尝试取消钢丝绳和悬挂装置轴向旋转的约束，使得悬挂装置能够有条件地带动钢丝绳以钢丝绳为轴进行旋转，以此来释放积聚在钢丝绳上的扭转力矩，减小扭转力矩对钢丝绳的剪切破坏。在方案设计中，要求钢丝绳和悬挂装置的轴向旋转是有条件的，只有扭转力大到足以克服压力油对缸筒的压阻时，才会产生旋转动作来释放扭转力。

1.3 锁紧方式方案的设计

楔形绳环采用的弯曲锁绳结构，将首绳沿楔形绳环绳槽弯曲缠绕一周，然后用绳卡固定，实现了刚性连接。采用这种锁紧方式确实可以牢固锁紧钢丝绳，但是在井筒恶劣的工况条件下，绳卡处的螺栓螺母很容易发生锈蚀，日常维护十分不便，当需要紧绳或者拆换钢丝绳时非常困难，简单的工作就要耗费大量的人力和工时。同时，采用的弯曲锁绳结构，折弯后与楔形绳环接触的那部分钢丝绳在巨大的压力下容易发生变形，会压断一部分钢丝，在调绳时需要截取一大段受损的钢丝绳，限制了钢丝绳的调绳空间。因此，在新型首绳悬挂装置的设计方案中，采用直连式一锁、二备、三保险的平面斜楔锁绳结构。

1.4 备用扩展功能方案的设计

矿井开采深度越来越大，提升速度显著加快，提升罐笼的单次提升量也在不断增加。在这种高负载运行状态下，矿井提升系统的事故频率有增加趋势，包括提升系统超载引起的断绳、坠罐，系统运行过程中的卡罐、振动冲击、过卷过放等，这些事故的原因大多与钢丝绳张力即提升载荷有关。针对上述问题，在新型首绳悬挂装置的设计方案中，特意在连通的液压管路预留了备用的快速接头和提升载荷无线监测装置的位置，只要条件允许随时都可以进行功能扩展，实现对各个钢丝绳张力值的动态监测。监测提升载荷一旦发生异常便会发出声光警告，及时判断、发现和排除故障，提高矿井提升工作的可靠性。

2 新型首绳悬挂装置的结构设计

悬挂装置包括油缸、旋转锁绳器、步进调(锁)绳器、锁绳卡、下筒体、连接叉、销轴等。设计结构图如图1所示。

图1 新型首绳悬挂装置的结构设计简图

旋转锁绳器分为楔块A，楔块B和导向体，楔块A和楔块B在导向体中上下运动，向上移动可以锁紧钢丝绳，向下移动可以解锁钢丝绳。旋转锁绳器锁紧钢丝绳后可随钢丝绳产生的扭转力旋转，油缸下端通过外壁与下筒体相连接，下筒体与需要提升的容器连接在一起，锁绳卡安装在钢丝绳的尾端。多绳提升时，每根钢丝绳安装一架悬挂装置，油缸的上进油口多个联通由开关总阀A统一控制，下进油口多个联通由开关总阀B统一控制。步进锁绳器可以锁住钢丝绳，步进调(锁)绳器包括楔块C，楔块D和导向套，楔块C和楔块D在导向套中向上运动锁住钢丝绳，向下运动解锁钢丝绳，步进调(锁)绳器与下筒体可以通过销固定。

安装时，将钢丝绳依次穿过油缸，旋转锁绳器，步进调(锁)绳器，锁绳卡，楔块A和楔块B向上移动,旋转锁绳器锁紧钢丝绳，向上推动楔块C和楔块D，步进锁绳器锁紧钢丝绳，固绳夹板夹紧钢丝绳。当需要窜绳时，打开要窜绳的钢丝绳上的油缸的上进油口和下进油口，关闭其他钢丝绳上油缸的上进油口和下进油口。如果油缸活塞不在上极限位置，从油缸下进油口加压带动旋转锁绳器向上运动，到达需要窜绳的位置；若油缸活塞在上极限位置，从油缸上进油口加压，带动旋转锁绳器和步进锁绳器向下运动，将步进锁绳器移动到与销配合的位置，将步进锁绳器和外壁通过销固定，此时旋转锁绳器的楔块A和楔块B被油缸带动向下运动，解锁旋转锁绳器，从油缸下进油口加压，带动楔块A和楔块B向上运动，锁紧旋转锁绳器，此时油缸带动步进锁绳器的导向套向上运动，楔块C和楔块D相对导向套向下运动，解锁步进锁绳器，若此时到达需要窜绳的位置，拆下销，向上移动步进锁绳器到与旋转锁绳器下端相接触，锁紧步进锁绳器，窜绳结束；若没到达位置再重复：从油缸上进油口加压，油缸带动导向套向下运动，楔块C和楔块D相对导向套向上运动，锁紧步进锁绳器，此时旋转锁绳器的楔块A和楔块B被油缸带动向下运动，解锁旋转锁绳器；从油缸下进油口加压，带动楔块A和楔块B向上运动，锁紧旋转锁绳器，此时油缸带动步进锁绳器的导向套向上运动，楔块C和楔块D相对导向套向下运动，解锁步进锁绳器，直到到达需要窜绳的位置，拆下销，向上移动步进锁绳器到与旋转锁绳器下端相接触，锁紧步进锁绳器，窜绳结束。将锁绳卡向上移动到接近步进锁绳器，用高强螺栓将锁绳卡锁闭。打开每条钢丝绳上油缸的上进油口和下进油口，关闭开关总阀A和开关总阀B。当需要调控张力平衡时，由关闭开关总阀A或者开关总阀B统一为油缸加压，使每条钢丝绳达到张力自动平衡。

利用步进调(锁)绳器和旋转锁绳器，可以快速地锁紧钢丝绳。因为步进锁绳器和旋转锁绳器同时存在，可以实现带载快速窜绳，即锁紧步进锁绳器时，解锁和移动旋转锁绳器，或锁紧旋转锁绳器时，解锁和移动步进锁绳器，为悬挂装置提供多重的安全保障。在提升罐笼运行时，钢丝绳所产生的扭转力，会使旋转锁绳器和导向体转动，在一定程度上释放扭转力。因为油缸的进油口联通统一控制，在进出油量上一致，通过控制油量可以达到多绳张力自动平衡。

3 试制过程中遇到的难题及技术攻关

在新型XSZZ型钢丝绳多功能张力自动平衡首绳悬挂装置样机试制过程中，遇到部分难题，经过改进和完善，得到了有效地处理。

3.1 锁绳器试制中遇到的问题及改进措施

锁绳器是新型XSZZ型钢丝绳多功能张力自动平衡首绳悬挂中最重要的安全部件，在整个样机试制过程中投入的工作量也是最大的。楔套最初的设计方案是将中心对称的两部分采用螺栓固接为一个整体，但是在试制过程中发现该方案存在较为明显的缺点。一方面，上述方案中两部分零部件加工制造较为复杂，而且精度难以保证，尤其是对称性很难把握，而对称性的丧失必然导致组装后的楔套锥度存在较大误差，影响产品性能；另一方面，按上述方案加工的楔套结构复杂、体积较大，导致整套悬挂装置的径向尺寸增加，而在实际使用中钢丝绳的绳间距是有限的，所以悬挂装置径向尺寸的增加非常不利于现场实际使用。

针对上述在试制过程中发现的问题，采用线切割技术，利用线切割的优势实现楔套的整体加工，而且切割下来的芯子还可以用来加工楔体，提高了钢材的利用率。除了加工方法和结构上的改进之外，楔体的材料也进行了改进处理。楔体原设计采用球墨铸铁，在试制过程中试验发现其强度不满足使用要求，韧性不足易断裂。后来，将线切割切下的芯子进行了相应的热处理，使其力学性能达到了使用要求，而且楔套和楔体的配合精度也得到了改善。

同时，为了防止扭转力矩过度释放，在试制过程中，在锁绳器上增加了两组滚轮。平面轴承保持架一开始采用钢板加工，不仅加工困难，而且使用效果也不理想，在试制中尝试采用其他材质进行加工，经过数次试验，最终采用了尼龙加工保持架的方案，加工简单而且使用效果良好。

3.2 调绳器试制中遇到的问题及改进措施

调绳器的楔套和楔体同锁绳器旋转楔加工方法相似，先粗车、线切割、磨削，缸筒、柱塞加工精度要求比较高。楔体与缸筒采用定位焊接，使得焊接变形降到最低，调绳器总体结构紧凑，具备过油密封、定位等多种功能。在试制过程中，必须按照编制的工艺要求进行，过油间隙在试制过程中不断进行调整。端盖与活塞杆最初采用M8螺钉连接，在试制中发现这种连接方式对连接强度和行程均有影响，最终改为M12×2的螺栓连接，固接效果得到明显改善。

3.3 锁绳卡试制中遇到的问题及改进措施

最初的设计方案是采用一副绳夹板，但是经试验发现摩擦力不够，钢丝绳会发生打滑现象，后改为凹凸绳夹板，但是试验发现容易造成钢丝绳发生较大变形，而且摩擦力仍然不满足要求，同时，上述两种绳夹板都存在安装困难的问题。为了确保锁绳卡具备足够的摩擦力，最终采用了卡座和棘卡结构。一开始选用传统的螺旋线多齿棘卡，但是经过试验发现使用效果并不好，摩擦力还是不够充足，而且反弹力很大，且组装很困难。后来又改为三个齿的棘卡，经过数次试验，卡绳效果有所改善，但是还未达到最佳效果。最终改为两个齿的棘卡，经试验摩擦力足够，而且卡绳效果得到明显改善。同时，绳卡转轴中的钢丝绳中心距十分关键，在经过多次试验后找到了最佳参数。在试制过程中，卡座和棘卡的安装和拆卸工作较为麻烦，为此特意设计增加了装卸手柄，很好地解决了拆装问题。

3.4 下筒体试制中遇到的问题及改进措施

下筒体是整套悬挂装置中体积最大、加工量最大、结构最复杂也是最主要的承力部件，其加工制造比较复杂。整体采用先锻打后调质，然后再切削加工的步骤，采用内外模冲击成型工艺，两侧尺寸放开，上下限位，最终的加工效果良好。在加工过程中，将锻打后下部分焊接固定，可以有效防止发生调质变形。最初设计方案中，为调绳而设计的D52销轴孔孔距为150 mm，但是在试验中发现孔距过大，调绳不方便，故最终将孔距改为75 mm。

4 结 语

目前该矿用提升钢丝绳首绳张力扭转力自动平衡装置样机已在林盛煤矿副井提升钢丝绳中应用，提升钢丝绳在该悬挂装置中进行装绳、换绳和调绳都较为方便，液压步进调绳装置能够在简单的人工辅助下实现自动精确调绳；当钢丝绳承受的扭转力大于缸筒的阻尼值时，该悬挂装置会发生随动旋转，从而有效释放了作用在提升钢丝绳上的巨大的扭转力，进而减轻了扭转力带来的剪切力和应力集中对钢丝绳的破坏，实现了该套装置最关键的性能要求。

新型钢丝绳首绳悬挂装置有效减轻和消除了因为摆动扭转而作用在提升钢丝绳上的扭转力矩，减轻了由扭转力矩产生的剪切应力和应力集中对提升钢丝绳的破坏，大大提高了提升钢丝绳的使用寿命和安全系数；减小提升钢丝绳摆动扭转对张力平衡悬挂装置的冲击和干扰，提高张力自动平衡悬挂装置的张力平衡精度和使用寿命；减小提升钢丝绳在提升滚筒绳槽内的旋转蠕动，减小了提升钢丝绳对绳槽磨损，提高摩擦衬垫的使用寿命，从本质上确保了提升钢丝绳的安全性能。