多绳摩擦提升系统首绳悬挂装置选型

谭清述，李照连

(紫金(厦门)工程设计有限公司)

随着国内矿业发展，地表浅层矿石已被大量开采，矿石开采逐步由地表浅层向深部发展。目前，国内已有多条深度超过1 000 m的竖井，设计深度超过1 600 m的深井。多绳摩擦提升系统被广泛应用于提升高度300～2 000 m的竖井中，由于技术发展不充分及外在条件限制，大部分超深井均采用多绳摩擦提升系统[1]。

世界各国对多绳摩擦提升系统的首绳悬挂方式进行了广泛深入研究。瑞典广泛采用杠杆式平衡装置，但这种悬挂方式不适合成对使用，其通常在一个容器上使用，且作为首绳的钢丝绳伸长量的调整范围有限。英国经常在首绳两端不采用任何平衡装置，只在绳环与容器之间装设测力器和绳长调整装置，使竖井调绳工作量增加。德国广泛采用三角形杠杆平衡装置，可以避免因装置不稳定导致的失衡，杠杆偏转时会产生恢复平衡位置的力矩。俄罗斯部分矿井上装设弹簧式平衡装置，钢丝绳伸长量的调整范围有限，且在弹簧机械疲劳后调整作用基本可以忽略。目前，国内主要使用张力自动平衡首绳悬挂装置，该装置采用闭环无源液压连通自动调整平衡系统，能高精度地实现钢丝绳在动、静状态下的张力自动平衡，并可以通过计算选择合适的调节长度，该种悬挂装置更适合深井提升系统[2]。

多绳摩擦提升系统通常需要4根或6根提升首绳，作为首绳的钢丝绳机械性能不尽相同。各钢丝绳在生产捻制过程中捻制力控制存在差异，导致各钢丝绳的弹性模量及残余伸长量不同，在提升机运转过程中部分钢丝绳伸长量较大，部分钢丝绳伸长量较小，伸长量较小的钢丝绳承受张力较大，为了达到钢丝绳之间的自平衡，伸长量较小的钢丝绳会产生部分滑动，加速钢丝绳的损坏及绳槽的磨损[3]。钢丝绳在加工过程中也存在加工误差，导致各钢丝绳直径存在细微差异，且提升机摩擦衬垫之间机械性能也并不完全相同。因此，在以上因素的影响下，钢丝绳与绳槽配合使用时钢丝绳会出现滑动现象。

以绳槽直径1 000 mm和1 200 mm 2种状态下卷筒旋转1周钢丝绳行走距离及钢丝绳受力状态(见图1)为例。在相同提升高度下，绳槽直径较小的首绳需要较多的转动圈数；
在相同转动圈数下，绳槽直径较小的首绳由于行走距离短，因此受力大；
钢丝绳受力的增加导致绳槽直径较小的首绳向前滑动，从而加速钢丝绳的损坏及绳槽的磨损。

图1 首绳行走及受力状态示意图

提升系统运行过程中，首绳需要承受启动加速时、制动减速时、装卸载时的冲击荷载。在冲击荷载作用下，提升系统两侧受力在短时间内出现较大波动，破坏了两侧受力平衡，首绳与提升机绳槽间可能出现滑动现象。同时由于绳槽误差、钢丝绳性能差别的影响，受力较大的钢丝绳滑动现象更加明显，进而使受力较大的钢丝绳损坏，对应绳槽的磨损加剧。

机械性能差别、制造误差、提升系统运行特性等会导致系统运行过程中钢丝绳间受力不均衡，使部分钢丝绳产生滑动。提升系统周期运行，钢丝绳在运行过程中反复滑动致使钢丝绳更容易损坏，同时进一步加剧提升机衬垫的磨损，致使提升机绳槽直径差越来越大，引起更大的磨损，缩短钢丝绳使用寿命。平衡钢丝绳之间受力不均衡除了尽可能提升材料机械性能及配合精度外，最有效的解决方案是选择合适的悬挂装置，通过悬挂装置调整钢丝绳长度，使各钢丝绳间受力平衡。

在深井多绳摩擦提升系统中，钢丝绳使用寿命一直是行业研究焦点，除了钢丝绳旋转扭曲、反复弯曲、锈蚀等影响钢丝绳使用寿命的因素外，最重要的一点是各钢丝绳之间受力不均衡导致部分钢丝绳超载，在长期超载情况下加速钢丝绳损坏。在提升系统设计时，往往忽略了首绳悬挂装置的重要性，特别是深井提升系统，首绳悬挂装置对钢丝绳的平衡起着调节作用。选择合适的悬挂装置能有效减小首绳之间的张力差,减小首绳滑动，保护首绳及摩擦衬垫。

陕西洛南陈耳金矿有限责任公司(下称“陈耳金矿”)提升井为盲混合井，井筒内布置箕斗提升、罐笼提升两套多绳摩擦提升系统，均采用JKMD-2.8×4(I)E型提升机。箕斗系统设计提升高度1 003 m，罐笼系统设计提升高度950 m，均属深井系统。在设计阶段由于对深井提升系统钢丝绳状态认识不充分，按经验选择了首绳悬挂装置(油缸可调节长度为520 mm)，在竖井运行过程中经常出现钢丝绳受力不均现象，从而导致部分钢丝绳悬挂装置油缸顶死。为了使钢丝绳受力均衡，延长钢丝绳使用寿命，矿山每隔1周需要进行一次油缸打压调整，系统维护量大。如果长期在油缸顶死状态下工作，钢丝绳寿命会急剧缩短，且摩擦衬垫损坏加剧。

首绳悬挂装置选型计算主要从以下2方面入手：①根据提升系统配置计算悬挂装置破断力，确定悬挂装置受力等级；
②根据钢丝绳弹性伸长量、提升机绳槽累计误差长度、钢丝绳残余变形量及安装误差确定悬挂装置油缸调节长度。

2.1 悬挂装置破断力计算

悬挂装置破断力由式(1)计算得出。

(1)

式中：F为悬挂装置的破断力，即首绳连接装置必须承受的最小力(kN)；
m为连接装置安全系数，罐笼提升取13，箕斗提升取10[4];Pz为提升系统最大终端荷载(t);n1为提升系统尾绳数量；
q为提升系统尾绳单质量(kg/m)；
lw为提升系统尾绳悬垂长度(m)；
g为重力加速度(m/s2)；
n为提升系统首绳数量。

陈耳金矿罐笼井提升系统最大终端荷载14.5 t，尾绳数量2根，尾绳悬垂长度975 m，尾绳单质量6.24 kg/m，首绳数量4根。经计算：悬挂装置破断力为850.24 kN。

2.2 悬挂装置油缸调节长度计算

2.2.1 钢丝绳弹性伸长量

钢丝绳弹性伸长量由式(2)计算得出。

(2)

式中：l1为提升首绳弹性伸长量(m)；
P为系统位于井底装载时终端荷载(t)；
lb为首绳弹性变形区间长度(即首绳悬垂长度)(m)；
Ek为首绳钢丝绳弹性模量(N/mm2)；
S为首绳钢丝绳中钢丝截面积总和(mm2)。

陈耳金矿罐笼井首绳悬垂长度1 010.38 m，首绳钢丝绳弹性模量119 795.67 N/mm2，首绳钢丝绳中钢丝截面积总和341.5 mm2，系统位于井底装载时终端荷载为14.5 t。经计算：首绳钢丝绳弹性伸长量为0.878 27 m。

2.2.2 提升机绳槽累计误差长度

提升机绳槽累计误差长度由式(3)计算得出。

(3)

式中：l2为提升距离内绳槽累计误差长度(m)；
e为绳槽直径最大误差，取0.000 5 m(根据GB 50961—2014《有色金属矿山井巷安装工程质量验收规范》，绳槽底圆直径最大与最小之差为0.50 mm)；
h为提升高度(m);D为提升机卷筒直径(m)。

陈耳金矿罐笼井提升高度950 m，提升机卷筒直径2.8 m，经计算：钢丝绳提升距离内绳槽累计误差长度为0.054 03 m。钢丝绳弹性伸长量与绳槽累计误差为互补关系，当绳槽累计误差较大时，钢丝绳弹性伸长量则较小。

2.2.3 钢丝绳残余变形量

钢丝绳出厂时一般均会经过预拉伸，残余变形量较小，且提升系统在悬挂钢丝绳后，初期会经过多次调绳，进一步消除残余伸长量[5]，因此，在悬挂装置设计选型时可按提升高度的1/10 000计算残余变形量,残余变形量应不大于伸长量的1/10。残余变形量由式(4)计算得出。

(4)

式中：l3为钢丝绳残余变形量(m)。

陈耳金矿罐笼井首绳悬垂长度1 010.38 m。经计算：钢丝绳残余变形量为0.101 03 m。

2.2.4 安装误差

通常钢丝绳在井口安装，对于落地式提升机，安装误差可取钢丝绳弦长的1/1 000计算，对于塔式提升机安装误差可取0 m。钢丝绳安装误差由式(5)计算得出。

(5)

式中：l4为安装误差(m);ls为落地式提升系统钢丝绳弦长(m)。

陈耳金矿罐笼井为落地式布置，钢丝绳弦长为52.286 m。经计算：安装误差为0.104 57 m。

2.2.5 悬挂装置油缸调节长度

悬挂装置油缸调节长度(l)由式(6)计算得出。

l=|l1-l2|+l3+l4

(6)

经计算：陈耳金矿罐笼井首绳悬挂装置油缸调节长度为1.029 84 m。原所选装置油缸调节长度为520 mm，长度偏小。

2.3 选型应用效果

通过计算分析可知：陈耳金矿原XZS-A1350首绳悬挂装置油缸调节长度选取偏小，仅为520 mm，小于计算值，导致频繁出现油缸顶死现象。矿山每隔1周就需要停班进行维护调整，其中，某批次钢丝绳在使用几个月后出现大量断丝现象，矿山不得不提前更换钢丝绳，仅更换钢丝绳费用约30万元。

通过调研设备厂商后，该竖井更换了一种新型自动平衡首绳悬挂装置(专利号为ZL 2019 2 1084856.6)，该装置调绳距离约为3 m。经过长时间运行实践，陈耳金矿对首绳悬挂装置的维护作业已由每隔1周维护1次改为每年维护1次或2次，钢丝绳使用寿命基本达到2 a，使用效果良好。

2.4 首绳悬挂装置使用建议

尽管可通过计算分析选择首绳悬挂装置，但提升系统复杂多变，存在较多的不确定性，因此，在使用过程中应不断总结分析，确定适合矿山的维护制度。

自动平衡首绳悬挂装置采用闭环无源液压连通自动调整平衡，该装置通过油压平衡了各钢丝绳之间的张力，但由于各油缸之间连接组件没有锁死装置，不能完全避免钢丝绳间的串动现象。当某时刻某根钢丝绳在系统一侧受力突然增加，该侧油缸伸长，另一侧油缸缩短；
该侧其他油缸相应缩短，另一侧其他油缸相应伸长，重新达到内部油压平衡，使钢丝绳张力差为零。在重新达到平衡的过程中，钢丝绳在弹性变形调节能力外可能发生了串动。为了避免这种现象发生，设计时应在钢丝绳悬挂装置连接组件间增加控制阀门。根据国外对悬挂装置的使用经验，在竖井运行一段时间系统进入平稳期后，关闭一侧容器上方悬挂装置的调节功能，只利用另一侧进行张力平衡调节；
运行一段时间后，将该侧打开，另一侧锁死，交替使用可以很好地控制钢丝绳串绳现象。

对于深井提升系统，机械性能差别、制造误差、提升系统运行特性等因素会导致多绳摩擦提升系统中的钢丝绳受力不均衡，出现串绳现象，加剧钢丝绳和绳槽的磨损，轻则频繁出现调节油缸顶死现象，增加系统维护量；
重则使提升钢丝绳寿命急剧缩短。以陈耳金矿深竖井中的首绳悬挂装置为例，根据陈耳金矿实际工况对首绳悬挂装置进行选型计算，解决了需频繁维护首绳悬挂装置的问题，使维护作业由每隔1周维护1次改为每年维护1次或2次。因此，合理选择首绳悬挂装置能有效提高系统运行稳定性，减少系统维护工程量，延长钢丝绳使用寿命。