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超深井用多繩纏繞式提升機選型研究
發布時間：
2023-09-01
來源：
近年來，隨著國民經濟的飛速發展，我國對礦產資源的需求量大幅度增長，這促使我國地下礦產資源的開采不斷向深層擴展，深部資源的開發與利用問題已受到不少學者的關注。目前我國礦山的開采深度平均在 500 m 左右，隨著淺層礦產資源的消耗，未來開采深度必然達到 1 000～2 000 m。我國超深井提升裝備基本處于空白狀態，研發適合千米深井及超深井應用的提升設備是我國提升機設計與生產廠家所面臨的機遇與挑戰。
目前我國礦井提升主要采用單繩纏繞式提升機和多繩摩擦式提升機，單繩纏繞式提升機在應用于深井及超深井時提升能力過小；而多繩摩擦式提升機在超深井提升過程中，因主繩內部張力變化過大，導致鋼絲繩壽命急劇縮短。國外學者認為，當提升深度超過 1 400 m 到 1 500 m 時，多繩摩擦式提升機主繩的張力變化范圍就將成為決定主繩壽命的關鍵因素，并推斷多繩摩擦式提升機的經濟極限提升深度在 1 600 m 左右。
多繩纏繞式提升機采用 2 根或以上鋼絲繩同時提起一個提升容器，比多繩摩擦式和單繩纏繞式提升機更適合超千米深井提升；因此，多繩纏繞式礦井提升機的研發對我國深部資源的開發利用具有現實的意義，其選型設計的正確與否直接關系到提升系統的安全與穩定。
1 多繩纏繞式提升機的起源與結構形式
1957 年，南非英美公司的技術工程師羅伯特·布萊爾發明了一種用 2 根或者更多鋼絲繩來提升 1 個提升容器的提升機，這種提升機被稱為多繩纏繞式提升機 (Blair Multi-Rope Hoist)。目前，多繩纏繞式提升機都采用 2 根鋼絲繩提起一個提升容器。提升機的卷筒被擋繩板分隔成兩部分，2 根鋼絲繩分別在這兩區纏繞后提起同一個提升容器，并通過同步裝置對鋼絲繩進行同步，如圖1 所示。
多繩纏繞式提升機有多種不同的布置方式，包括雙卷筒直聯式 (見圖2)、齒輪結合式、電結合式、萬向聯軸器結合式 (見圖3) 等。其中，萬向聯軸器結合式的多繩纏繞式提升機具有如下優點：
(1) 萬向聯軸器連接了 2 個主軸裝置，可以讓上升和下降容器的轉矩相平衡，有效減小了所需電動機的驅動功率；
(2) 萬向聯軸器讓 2 個主軸裝置呈角度布置，能更好地滿足繩偏角的要求，并減小井筒尺寸。
2 多繩纏繞式提升機的選型
2.1 鋼絲繩的類型
提升鋼絲繩是礦井提升機的重要組成部分，直接關系到礦井的正常生產和人員的生命安全。在超深井提升時，多繩纏繞式提升機的提升鋼絲繩通常需要多層纏繞，在纏繞過渡過程中出現的層間與圈間過渡，使鋼絲繩產生振動、沖擊、擠壓及摩擦磨損等現象，同時鋼絲繩本身在纏繞過程中又受到彎曲、拉力、扭轉以及過載等影響。
應用于超深礦井時，多繩纏繞式提升機的鋼絲繩必須具有高強度、良好的抗旋轉性能和抗疲勞性能，且需耐磨損，并能夠承受上層鋼絲繩的壓力。根據對南非超深井提升系統的調研，推薦多繩纏繞式提升機采用三角股鋼絲繩 (見圖4(a)) 或新型的多圓股涂塑鋼絲繩 (見圖4(b))；隨著鋼絲繩技術的不斷發展，鋼絲繩廠家也推出新結構鋼絲繩，如 DYFROM 34LR/PI Class 等，如圖4(c) 所示。
多繩纏繞式提升機同一容器上的 2 根鋼絲繩，其應類型相同且旋向相反，以抵消鋼絲繩因為扭轉產生的轉矩。超深井提升時，為減小鋼絲繩直徑，宜選用公稱抗拉強度較高的鋼絲繩。南非某礦用多繩纏繞式提升機的提升高度達 3 000 m，其選用鋼絲繩的公稱抗拉強度為 1 960 MPa。
2.2 提升容器的計算與選擇
2.2.1 確定提升速度
根據《煤礦安全規程》及《金屬非金屬礦山安全規程》，最大提升速度 v 應符合以下要求。
式中：H 為提升高度，m。其中提人時，最大提升速度 v 不得超過 12 m/s。
根據對南非某礦的調研，其多繩纏繞式提升機的實際最大提升速度已經達到 18 m/s。
2.2.2 計算提升循環時間
多繩纏繞式提升機的提升循環時間
式中：a 為提升加速度，m/s2；µ 為箕斗進入卸載曲軌前后的爬行段所占用的時間，一般取 10 s；θ 為容器裝載時間，s。
如果多繩纏繞式提升機采用單容器提升，則其提升循環時間 T1=2T。
2.2.3 一次提升量的計算及提升容器的選取
多繩纏繞式提升機一次提升量
式中：c1 為礦井提升的不均勻系數，無特殊要求時取1.15；c2 為礦井提升能力的富裕系數，主提升水平取 1.2；AN 為礦井年產量，kg；Th 為每天工作時間，h；bτ 為礦井的年工作時間，d。
根據一次提升量 Q，可以選擇相應的提升容器，得到容器質量 Qr。對于應用于超深井的多繩纏繞式提升機來說，減輕提升容器的質量在經濟上具有重要的意義。
容器系數
在安全系數不變的情況下，容器系數的降低，意味著提升能力的提高。目前我國纏繞式提升機的單繩箕斗容器系數在 0.755～1.223，多繩摩擦式提升機的多繩箕斗容器系數在 0.90～1.17。對于應用于超深井的纏繞式提升機，采用輕質合金制造的提升容器，有望將容器系數減小到 0.40 左右。國外學者認為，目前輕型箕斗的容器系數的極限約為 0.333。
2.3 鋼絲繩安全系數的確定
我國纏繞式提升機選擇鋼絲繩時，應按最大靜張力，并考慮一定安全系數的方法，進行鋼絲繩的計算與選型。鋼絲繩安全系數，即提升系統鋼絲繩的破斷力總和與其所承受的最大靜載荷之比。最大靜載荷包括容器重量 Qr、有效載荷 Q (即提升量) 以及鋼絲繩重量 (假設為 n 根)。表1 所列為我國及南非對纏繞式提升機鋼絲繩安全系數的規定。
需要注意，我國提升機鋼絲繩安全系數的規定依據鋼絲繩的最小破斷力總和，而南非等國依據鋼絲繩的最小破斷力，二者關系為：
式中：F0 為鋼絲繩的最小破斷力總和，N；K2 為鋼絲繩最小破斷力總和與鋼絲繩最小破斷力的換算系數；Fb 為鋼絲繩的破斷力，N。
對于多繩纏繞式提升機，我國提升鋼絲繩的安全系數
南非等國提升鋼絲繩的安全系數
式中：n 為同一容器上提升鋼絲繩的數量，根；p 為鋼絲繩單位質量，kg/m；g 為重力加速度，取 9.81 m/s2。
2.4 鋼絲繩直徑 d 的計算
鋼絲繩安全系數確定之后，可以進行多繩纏繞式提升機所用鋼絲繩直徑 d 的計算。根據參考文獻[22]，鋼絲繩單位質量
式中：K 為鋼絲繩單位長度的質量系數，kg/(100 m× mm2)；d 為鋼絲繩直徑，mm。
鋼絲繩最小破斷拉力
式中：K′為鋼絲繩的最小破斷拉力系數；R0 為鋼絲繩的公稱抗拉強度，MPa。
由式 (7)～(10)，可以得到依據國內規程時的鋼絲繩直徑：
由式 (8)～(10)，可以得到依據南非等國規程的鋼絲繩直徑：
2.5 卷筒直徑 D 的計算
多繩纏繞式提升機鋼絲繩直徑 d 確定之后，可以根據 D/d 來確定卷筒直徑 D。D/d 為纏繞鋼絲繩的卷筒或者天輪直徑與鋼絲繩直徑的比值。不同國家對 D/d 的規定如表2 所列。
表2 不同安全規程下的提升機 D/d 值
多繩纏繞式提升機的卷筒直徑
2.6 卷筒纏繩區寬度 L 的驗算
當多繩纏繞式提升機的直徑 D 確定后，需根據容繩量對提升機的纏繩區寬度 L 進行驗算。需要指出的是，多繩纏繞式提升機卷筒寬度的計算與單繩纏繞式提升機有所區別，單繩纏繞式提升機的卷筒寬度等于其纏繩區寬度；而多繩纏繞式提升機的卷筒寬度等于 2 個纏繩區寬度與中間擋繩板厚度之和，如圖5 所示。
應用于超深井時，多繩纏繞式提升機通常需要多層纏繞。為保證纏繞的平穩性，礦山企業多采用平行折線繩槽，并配備鋼絲繩纏繞監控裝置 (見圖6)。國內學者已對平行折線繩槽進行了研究，相關成果已在一些項目上得到應用。根據現場應用的效果來看，鋼絲繩在平行折線繩槽上纏繞時，過渡平穩，過渡響聲小，有效減少了過渡區的鋼絲繩擠壓斷絲現象。
卷筒纏繩區應容納以下幾部分鋼絲繩：
①提升高度 H；② 鋼絲繩試驗長度，30 m；③卷筒表面應保留 3 圈摩擦圈，以減輕繩與卷筒固定處的拉力；④ 多層纏繞時，上層到下層過渡段鋼絲繩每季度需錯動 1/4 圈，共取 4 圈。
纏繩區寬度 L 的驗算公式如下。單層纏繞時，提升高度
2 層纏繞時，提升高度
3 層纏繞時，提升高度，
4 層纏繞時，提升高度
式中：b 為出繩孔直徑，通常取 b=d+5，mm；ε 為繩圈間隙，mm；nm 為摩擦繩圈，取 3；ls 為試驗繩長，取 30 m；ng 為多層纏繞時供移動用的繩圈，取 4；Dp 為鋼絲繩平均纏繞直徑，mm；nz 為纏繞層數。
2.7 多繩纏繞式提升機的選擇
當鋼絲繩選型完成，卷筒直徑、纏繩區寬度等參數確定以后，可以根據有效載荷、容器質量以及鋼絲繩參數，以確定多繩纏繞式提升機的最大靜張力 F、最大靜張力差 Fs、有效終端載荷 Fz 等相關參數。
多繩纏繞式提升機最大靜張力
最大靜張力差
有效終端載荷
確定了這些參數以后，可根據多繩纏繞式提升機的型譜，選擇滿足需要的提升機型號。表3 和表4 分別給出了單、雙筒多繩纏繞式提升機的參數。
3 超深井用多繩纏繞式提升機與多繩摩擦式提升機的選型對比
3.1 多繩摩擦式提升機及其安全系數的修正
多繩摩擦式提升機是一類以摩擦輪上的襯墊與鋼絲繩的摩擦力傳遞動力進行提升的機械，其采用多根鋼絲繩代替 1 根直徑較粗的鋼絲繩來提升容器。與單繩纏繞式提升機相比，多繩摩擦式提升機具有鋼絲繩直徑小、機械結構緊湊、質量輕、適用于中等深度礦井提升等突出優點。根據資料，南非多繩摩擦式提升機提升高度最深的是西部深層礦 (Western Deep Levels Mines)，提升高度為 1 948 m，但據報告其鋼絲繩壽命非常短。目前國內多繩摩擦式提升機提升高度最深的是云南會澤鉛鋅礦 3 號豎井，提升高度為 1 523 m，采用 1 臺 JKMD-5.5×6 落地式 6 繩摩擦式提升機提升。目前正在建設的山東萊州紗嶺金礦，將采用 1 臺 JKMD-6×8 落地式 8 繩摩擦式提升機，其提升高度為 1 547.5 m。
多繩摩擦式提升機為了滿足防滑需要，在容器下方安裝有尾繩。應用于深井和超深井時，主繩本身重量的增加，導致其內部張力在提升過程中發生較大變化。南非等國的經驗認為：在深井和超深井提升時，多繩摩擦式提升機主繩內的張力變化直接影響主繩壽命。為保證主繩具有足夠經濟的壽命，推薦該張力變化的范圍不超過主繩破斷力的 11.5%。
國內學者據此推薦：在超深井選型時，多繩摩擦式提升機的安全系數修正公式
3.2 多繩纏繞式提升機與多繩摩擦式提升機選型對比
為比較多繩纏繞式提升機與多繩摩擦式提升機在超深井條件下選型的差異，假設提升高度分別為 1 500 m 和 1 600 m，有效載荷為 23 t，分別對其進行選型設計，得到選型對比結果如表5 所列。
表5 選型結果的對比
注：本表計算基于特定的提升深度和有效載荷以及鋼絲繩廠家提供的鋼絲繩型號與參數，具體選型時還應根據項目的具體參數進行設計。
從表5 可知：當有效載荷不變，提升深度從 1 500 m 加深到 1 600 m 時，多繩摩擦式提升機為限制鋼絲繩的張力變化范圍，其系統參數發生急劇的變化；多繩纏繞式提升機的選型無需考慮張力變化范圍，其系統參數變化很小。多繩摩擦式提升機鋼絲繩直徑從 52 mm 加大到 62 mm，最大靜張力增加了 35%，這也驗證了多繩摩擦式提升機經濟性的極限提升深度在 1 600 m 左右的結論。
4 結論
(1) 對超深井用多繩纏繞式提升機的選型進行了探討，對選型過程中鋼絲繩的種類、提升速度的選取、輕質提升容器的容器系數取值進行了討論，并給出了基于我國規程和南非規程的多繩纏繞式提升機鋼絲繩直徑及卷筒直徑選型計算公式。確定了系統參數后，可根據型譜，選擇相應型號的多繩纏繞式提升機。
(2) 通過與多繩摩擦式提升機的選型對比，當提升深度從 1 500 m 增加到 1 600 m 時，多繩摩擦式提升機出現了因為張力變化范圍限制而導致鋼絲繩直徑急劇增大的現象。若未來多繩摩擦式提升機主繩張力變化范圍 (不得大于其破斷力的 11.5%) 的限制無法突破，則多繩摩擦式提升機的經濟極限提升深度將被限制在 1 600 m 左右，這也與國外學者的結論相符。我國煤礦的極限開采深度在 1 500 m 左右，因此多繩纏繞式提升機未來在我國超深的金屬礦中有望得到應用。
(3) 多繩纏繞式提升機作為一種適合深井和超深井的提升裝備，在國外已經有了六十多年的歷史，但是在國內尚無應用先例。近年來，隨著淺部資源的逐漸枯竭，我國已經逐步轉入深井或者超深井礦產資源的開采。多繩纏繞式提升機的研發與使用，將滿足我國超千米深井的提升需要，并填補我國超千米深井高速重載提升設備的空白。
引文格式：
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[1]劉勁軍.超深井用多繩纏繞式提升機選型研究[J].礦山機械,2023,51(8):26-32. |
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