深豎井大噸位提升機高比壓高摩擦因數襯墊的研制

發布時間：

2023-01-10

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針對深豎井、大噸位的提升條件下，摩擦襯墊需要高比壓和高摩擦因數的難題，在工況分析和參數設計的基礎上，研制了比壓為 2.5 MPa、摩擦因數為 0.28 的摩擦襯墊，并分別對襯墊的穩定性、抗比壓能力、硬度特性、壓力特性和磨損情況進行試驗。委托第三方檢測驗證，襯墊的比壓試驗值達到 9.8 MPa，摩擦因數試驗值達到 0.381，滿足實驗室的指標要求。

礦井提升機是礦山重要的“咽喉”設備，承擔著礦物的提升、人員的上下、材料和設備的運送任務。多繩摩擦式提升機利用鋼絲繩與襯墊之間的摩擦力來傳遞動力，襯墊摩擦性能的優劣，直接關系到提升機的提升能力、工作效率和安全可靠性。

國內摩擦襯墊的材質經歷了聚氯乙烯(PVC)—聚氨酯(CPUR)—新型復合材料的發展歷程，摩擦因數的設計值從最初的 0.20 提高到現在的 0.25。目前，國內使用較多的摩擦襯墊有：德國原裝進口的 K25，利用進口材料在國內壓制的 K25SC、GDM326，這幾種材質的摩擦襯墊均能滿足現有礦井提升機的選型要求。近年來，向地球更深處尋找礦物資源已成為國家發展的重要戰略，研發深豎井、大噸位礦井提升裝備成為行業發展的趨勢，開發能滿足此類提升裝備選型所需的高比壓、高摩擦因數襯墊迫在眉睫。

1 襯墊研制的必要性

摩擦襯墊必須有足夠的抗壓強度，以承擔兩側提升鋼絲繩運行時產生的各種動載荷和沖擊載荷。同時，摩擦襯墊與鋼絲繩之間必須具有足夠的摩擦因數，以滿足設計生產能力，并防止提升過程中的滑動。比壓和摩擦因數是衡量摩擦襯墊性能的 2 個主要參數。

摩擦襯墊的比壓

式中：Tjs為重載側鋼絲繩的靜張力，kN；Tjx 為輕載側鋼絲繩的靜張力，kN；D 為摩擦輪直徑，mm；d為鋼絲繩直徑，mm。

摩擦襯墊的摩擦因數

式中：α 為圍抱角，常取 180°～195°。

以國家重點研發計劃《深豎井大噸位高速提升裝備與控制關鍵技術》課題任務書中參數為依據：提升深度為 2 000 m；提升速度大于 18 m/s；有效載荷大于50 t。基于這些參數，摩擦輪直徑取 6 500 mm，鋼絲繩直徑取 64 mm。利用式 (1) 計算可得 P=2.17 MPa。

然而，現有襯墊比壓在工程應用中被限定為 2.0 MPa，要滿足此要求，不得不加大摩擦輪直徑或鋼絲繩直徑，或增加鋼絲繩繩數，導致設備過于龐大。因此，研制深豎井大噸位礦井提升機用比壓為 2.5 MPa、摩擦因數為 0.28 的高比壓、高摩擦因數襯墊，對于深部建井和提升是十分必要的。

一方面，增大襯墊比壓可降低設備選型規格。以JKM-4×6 提升機為例，最大靜張力為 1 200 kN，最大靜張力差為 340 kN，鋼絲繩最大直徑為 44 mm，比壓計算值為 1.95 MPa。如果將比壓許用值從 2 MPa 提高至 2.5 MPa，在采用更高強度鋼絲繩且不降低鋼絲繩安全系數及繩徑比的前提下，可以采用更小規格的JKM-3.5×4 提升機，計算比壓提高至 2.23 MPa。另一方面，增大襯墊摩擦因數可提高一次有效提升量。以 JKM-4.5×4 提升機為例，最大靜張力為 980 kN，最大靜張力差為 340 kN，假定鋼絲繩圍抱角為 185°，在其他條件不變的情況下，摩擦因數由 0.25 提高至0.28，則最大靜張力差提高約 17%，可顯著提高設備一次提升量，從而提高產量。

2 高比壓、高摩擦因數襯墊研制

2.1 工況分析

從摩擦學原理來講，摩擦襯墊與鋼絲繩之間能產生犁切分量和粘著分量，犁切分量主要與材料的表面粗糙度及物理機械性能有關。工作中摩擦襯墊和鋼絲繩表面狀態是動態變化的，表面粗糙度存在難以控制的因素，犁切分量的影響存在不可預知性和不確定性，因此有效地提高粘著分量是提高襯墊摩擦性能的可靠保證。

根據粘著摩擦理論，摩擦副表面的接觸主要發生在微凸體的頂端，在法向力的作用下形成接點，切向力的作用使接點長大和滑脫。在金屬配對副中，接點是具有“冷焊”性質的高強度接點，接點的化學粘接是形成接點的主要機理。按照化學粘接的假設，提高正壓力會增大接觸面積，提高摩擦力；提高溫度有利于提高分子的密切接觸，提高粘接強度；添加少量強基性基團，可提高粘接強度。

2.2 襯墊參數設計

2.2.1 襯墊比壓

襯墊的比壓分為測試值、許用值和設計值，且測試值的 70% 為許用值，許用值的 70% 為設計值，該現象是鋼絲繩的特殊表面結構造成的。當襯墊比壓的設計值為 2.5 MPa 時，許用值應為 5.1 MPa，測試值應為 7.2 MPa。

2.2.2 襯墊摩擦因數

襯墊摩擦因數也分為測試值、許用值和設計值。摩擦襯墊測試值為在專用試驗機上進行連續測試，取值是所有測試數據的平均值。許用值由測試值經過計算得出，考慮因素包括最大值、最小值、數據出現的概率等。數據離散度越大，許用值下降幅度越大，一般比測試值低 10%～ 15%。設計值是設備設計采用的摩擦因數值。摩擦因數與材料的組織結構有關，也就是說材料確定，摩擦因數即確定。現代摩擦因數理論認為：一種材料的摩擦因數不是固定不變的，在正常使用情況下，它隨著使用工況的變化而變化，工況突變，變化較大，波動范圍在±10%。

當摩擦因數設計值取 0.28 時，許用值約為 0.33，考慮到材料系數波動，測試值必須大于 0.36。

2.3 襯墊研制

襯墊材料主要成分包括基體材料、添加劑和填充劑。基體材料選用粉末丁腈橡膠和酚醛樹脂；添加劑選用不溶性硫磺和 DTDM；填充劑包括氣相白炭黑、氧化鋁和硫酸鈣晶須等。

襯墊研制的過程：①按照密煉、開煉、破碎、壓制的工藝進行產品的試制；② 通過硬度測試，密度測試，拉伸、彎曲、壓縮性能測試，疲勞彎曲性能測試，摩擦磨損性能測試，摩擦因數及磨損率測試，優化試驗配方及試制工藝；③重復以上步驟進行反復試驗，最終得到滿足性能需求的摩擦襯墊。

最終得到的襯墊摩擦因數測試結果如圖 1 所示。干凈狀態下，最大摩擦因數為 0.680，最小摩擦因數為 0.499，平均摩擦因數為 0.547；淋水狀態下，最大摩擦因數為 0.726，最小摩擦因數為 0.588，平均摩擦因數為 0.649；涂脂狀態下，最大摩擦因數為 0.455，最小摩擦因數為 0.373，平均摩擦因數為 0.404。可見，新襯墊的摩擦因數滿足測試值必須大于 0.36 的要求。