矿井提升机中绳索结构研究

张 金，秦 龙，郭孟嘉

（铁法能源公司大隆矿，辽宁 铁岭 112700）

引言

绳索应用于众多不同的机器和机构中，实现了其不同的功能。例如，它们应用于水平和垂直运输系统中的可变方向上传递轴向载荷。作为具有重要价值的构件移动轴向力，钢丝绳被应用于建筑、垂直和水平运输的采矿以及其他工业分支。绳索的一个主要优点是具有较高的耐久性和可靠性。第二个特征是，绳索具有平行的结构，如果一个或几个结构部件（钢丝）损坏时，不会影响整个系统运行。

1 矿井提升机中的绳索

矿井提升机被应用于垂直运输中，其运输深度是多样化的，比如山东能源新矿集团孙村煤矿深度达到1 350 m。由于这个原因，竖井提升机的结构是多样化的[1]。放置在标准矿井中如图1 所示，现有的单独绳索或绳索组可实现以下功能：

图1 矿井提升机中的绳索

1）承载：移动来自悬挂质量的总轴向载荷：提升盘、悬挂、绳索、运输采矿、物质或人。

2）平衡：用于平衡由于驱动轮两侧质量不平衡而产生的静力矩。

3）牵引：主导矿井内盘子的自由迁移。

4）限制：限制矿井中盘子的横向移动。

2 起重钢丝绳

矿井提升机中的提升绳根据驱动装置的类型以不同的布局工作，卷筒驱动装置中：在交叠布置中工作的绳索；在带有摩擦接触的传动装置中布置为一根、两根或四根绳索[2]。在多绳系统中，本质上是绳的工作方式相同。有必要在系统中使用相同数量的左右捻钢丝绳，因为这样可以最大限度地减少转动提升盘的倾向。对于起重钢丝绳，首先应列出重要的材料结构特征：生产钢丝的线材的化学成分。抗拉强度是决定起重钢丝绳基本功能特性的量，表示可接受的拉力，它取决于其化学成分。这些特征规定了线材的钢含量（质量分数）在0.3%～0.9%范围内，锰含量（质量分数）在0.3%～0.8%范围内，以及高达0.2%的金属（质量分数），例如：铬、镍、铜。硫和磷等元素的总含量（质量分数）不应超过0.05%[3]。

绳芯是圆形起重钢丝绳结构的一个重要组成部分。它决定了钢丝绳的适当形状，而且它是整根钢丝绳的绞合力矩轴。在起重绳索的主要目标中，关键核心在于：为绳股提供支撑，以便在运行时它们之间不会发生接触，抵消相当大的径向压力，并尽量减少钢丝绳截面直径的变形，保护绳索内部免受腐蚀。目前，国内矿井提升机主要采用圆股或三角股单层钢丝绳。它们的结构如图2 和3 所示。

图2 圆股钢丝绳结构

图3 三角股钢丝绳结构

上图所示的绳索是由一个圆形的股线组成的，这些股线由于缠绕在脊椎钢丝上而上升到下一层钢丝上。图中股线中的钢丝层之间，股线的最后一层和前一层钢丝之间出现了点接触。

三角股钢丝绳，就是钢丝绳之中的股绳横断面结构接近三角形，由三对圆钢丝和三根填充钢丝制成的三角股芯，三角股钢丝绳的直径取决于特定层中钢丝的直径和股中钢丝的数量。而多层提升钢丝绳（图4）应用于深井，周围股被拧在一起，这种结构的绳索具有很大的松脱性，钢丝的抗拉强度在1 770～2 000 MPa 范围内。在中间层和外层之间，它们有一个用剑麻纤维制成的油脂编结。

图4 多层起重钢丝绳结构

3 平衡绳

为了防止提升绳和驱动轮布置时出现未经检查的滑动的可能性，也为了平衡由于驱动轮两侧质量不平衡而产生的静力矩，矿井提升机采用了平衡绳。这些绳索应具有适当的质量，具有松散性、耐用性强，特别是耐腐蚀性环境的特点。为了尽量减少腐蚀的影响，圆绳的钢丝都涂上了保护涂层。

在多层钢丝绳中，股线的特定层和股线的各个层之间出现的钢丝接触是钢平衡绳的另一个重要结构特征。由于平衡绳采用了圆形多层绳（图5）。钢丝绳股的参数和钢丝绳股的结构非常匹配，因此这些钢丝绳不会有逆着自身轴线旋转的趋势。

图5 圆平衡绳结构

国产结构的两层圆平衡绳是用相同直径的钢丝制成的。为了获得最佳的股线形状，三层钢丝绳的脊索直径比股线大0.1 mm。由于有大量的股线，这种结构的钢丝绳有可能获得弹性。在操作过程中，多层圆平衡钢丝绳应确保钢丝绳悬挂时有可能发生转动，这是由于作用在钢丝绳上的合成力矩使钢丝绳绞合。

目前，在大多数情况下，作为平衡绳使用钢橡胶绳，具有很高的疲劳耐久性，耐腐蚀环境的作用，以及能承受坠落物体的轻微打击。在适当的制造工艺下，可应用于2 200 m 以上的竖井提升机。钢制橡胶绳的基本优点有：巨大的耐腐蚀性和小型坠落物体的冲击力；能用硫化或胶粘方法修复机械损伤处橡胶涂层；不需要额外润滑，抗静电性等。钢制橡胶绳的重量取决于钢丝绳的数量和直径以及橡胶涂层的厚度。

4 引绳和护弦绳

导向绳应用于竖井提升机，在竖井提升机中，采用了导向绳，而不是刚性导向盘。这些绳索的主要任务是在竖井提升机中提供自由但明确的碟形件位移。限制竖井提升机中圆盘的横向移动是护弦绳的任务[5]。这种结构的绳索具有表面“光滑”、无磨损、耐腐蚀、耐磨损、抗拉强度大、横向和纵向刚度大等特点。图6 中给出了两种典型的应用导缆和护弦绳的解决方案：

1）角落布置，其中引绳位于提升盘的角落，如图6-1；

2）侧面布置，引导绳沿提升盘的一侧布置，如图6-2。

图6 竖井提升机中引绳和护弦绳的位置

如图6 所示，导绳绕盘布置是国内竖井提升机最常用的解决方案。在最新的轴式提升机中，盘形圆股的导绳采用普通捻无纺导绳。该类提升机中的引绳，除引碟外，通常也都是悬挂在竖井内的工作平台的提升绳。在采矿法规中，确定了国内竖井提升机中操作的导向绳和护弦绳的基本要求。其中包括：要求最小安全系数[6]，即一根钢丝绳的实际拉力与最大静载荷的商、导缆和护弦绳的数量、盘周围布置的引绳方式和竖井内的护弦绳等。导绳和护弦绳属于扭绳的一种，是最常见的封闭和半封闭结构。接下来的几层圆钢丝被缠绕在中央脊柱钢丝上。

在封闭结构的绳索中，在先前拧在一起的圆钢丝层上，缠绕一层交替排列的形状和圆形钢丝，然后缠绕一层其他形状的钢丝。在这类绳索的结构中使用楔形钢丝导致，它们的特点是刚度增加。圆股导绳属于双捻钢丝绳，它们是通过在纤维芯上缠绕一层或多层股线制成的。

5 结语

在对竖井提升机钢丝绳各种结构方案进行功能和结构分析的基础上，可以得出以下结论：生产的绳索具有结构多样性大的特点，但同时通用性不强。上述因素导致绳索仍然是我们进行大量研究的对象。比如竖井提升深度超过500 m 时，采用多层绳索，其特点是非常不牢固；绳索的结构多样性，特别是多层结构导致对当前绳索技术条件的评估非常复杂。