多繩摩擦式提升機(jī)天輪裝置常見故障

 多繩摩擦式提升機(jī)的天輪裝置因承受工作載荷大、使用環(huán)境惡劣、維護(hù)困難等因素，多發(fā)生天輪異響、軸瓦聯(lián)接螺栓剪斷、軸瓦磨損、輪輻斷裂等問題。根據(jù)天輪裝置的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用工況，對(duì)故障形式進(jìn)行了分類，指出 了故障原因?yàn)闈?rùn)滑不良、鋼絲繩張力不平衡、提升中心線偏斜、使用環(huán)境惡劣等，并從維修與維護(hù)、設(shè)計(jì)與制造、安裝與使用等環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的解決方案。落地式多繩摩擦式提升機(jī)是礦山開采中重要的運(yùn)輸設(shè)備，核心部件天輪裝置對(duì)提升鋼絲繩起支撐和導(dǎo)向作用，其安全性和可靠性對(duì)礦井安全生產(chǎn)影響極大。

天輪裝置多處于露天環(huán)境，安裝在井架之上，工作在低速重載、頻繁啟動(dòng)、反復(fù)換向、加速減速、制動(dòng)停止等工況下，其承受的載荷很大，尤其是啟動(dòng)、加減速、制動(dòng)停止時(shí)，因受沖擊而使得所受載荷大大超過了提升機(jī)的最大靜張力。工作載荷大、使用環(huán)境惡劣、維護(hù)困難是天輪裝置所處工況的主要特點(diǎn)。隨著落地式多繩摩擦式提升機(jī)的廣泛使用，天輪裝置也成為提升機(jī)故障率較高的部件之一，常見的故障形式有天輪裝置異響、軸瓦聯(lián)接螺栓剪斷、軸瓦磨損嚴(yán)重、輪輻斷裂等。洛陽(yáng)天輪襯墊

1 天輪裝置結(jié)構(gòu)概述

多繩摩擦式提升機(jī)天輪裝置的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要由天輪軸、固定輪、游動(dòng)輪、軸瓦、軸承座、主軸承、天輪襯墊及卡箍等組成。其中 1 個(gè)輪子為固定輪，其他均為游動(dòng)輪。固定輪采用平鍵與天輪軸連接；游動(dòng)輪內(nèi)孔裝有軸瓦，軸瓦采用螺栓與游動(dòng)輪連接。當(dāng)各根鋼絲繩的線速度不完全相同時(shí)，每個(gè)游動(dòng)輪與天輪軸之間可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以消除各輪子因線速度差異而產(chǎn)生的附加力矩。

圖1 天輪裝置的結(jié)構(gòu)

1.軸承座 2.主軸承 3.平鍵 4.固定輪轂 5.固定輪 6.襯墊 7.游動(dòng)輪 8.游動(dòng)輪轂 9.軸瓦 10.卡箍 11.天輪軸

2 天輪裝置常見故障形式

天輪裝置受力大，工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常發(fā)生不同形式的故障，又因其安裝在較高的井架上，不便于檢查、維護(hù)或更換。一旦天輪裝置出現(xiàn)問題，輕則導(dǎo)致停產(chǎn)，重則可造成安全事故。

天輪裝置常見的故障形式有以下幾種：

(1) 運(yùn)行噪聲大，天輪裝置出現(xiàn)異響；

(2) 軸瓦聯(lián)接螺栓剪斷；

(3) 軸瓦磨損嚴(yán)重；

(4) 卡箍磨損；

(5) 輪輻焊縫開裂或輪輻斷裂；

(6) 襯墊偏磨嚴(yán)重，繩槽深淺不一；

(7) 天輪偏擺超差。

其中，故障 (1)～ (4) 發(fā)生的頻率相對(duì)較高，多為天輪軸瓦潤(rùn)滑問題引起的，且各問題經(jīng)常伴隨發(fā)生；故障 (5) 多為天輪環(huán)境問題引起的；故障 (6)、(7) 多為天輪裝置安裝、運(yùn)行問題引起的。

3 天輪故障原因分析

3.1 天輪軸瓦受力分析

以 4 繩天輪為例分析，理想狀況下 4 根鋼絲繩線速度相同且同步，游動(dòng)輪與天輪軸之間沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但實(shí)際上因?yàn)槊扛摻z繩的張力存在差異，導(dǎo)致每個(gè)輪體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也不完全一致。設(shè)計(jì)固定輪與游動(dòng)輪的目的就是為了適應(yīng)這種情況，并且輪子之間預(yù)留有 0.2～0.5 mm 的間隙，使 4 個(gè)輪子可以實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

天輪裝置工作時(shí)，鋼絲繩帶動(dòng)固定輪和游動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，固定輪在平鍵的作用下帶動(dòng)天輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)游動(dòng)輪與固定輪轉(zhuǎn)速不同時(shí)，游動(dòng)輪軸瓦與天輪軸就產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，二者之間發(fā)生滑動(dòng)摩擦；同時(shí)，軸瓦與游動(dòng)輪轂之間的聯(lián)接螺栓受到剪切力作用。

軸瓦的受力情況如圖 2 所示。f₁ 為軸瓦內(nèi)孔與天輪軸的摩擦力，f₂ 為軸瓦外端面與輪轂或卡箍摩擦力，f₃ 為軸瓦法蘭內(nèi)端面與游動(dòng)輪轂之間因螺栓把合產(chǎn)生的摩擦力。其中，f₁ 與軸瓦正壓力和摩擦因數(shù)正相關(guān)，f₂ 與軸瓦端面擠壓力和摩擦因數(shù)正相關(guān)，f₃ 與螺栓擰緊力矩正相關(guān)。當(dāng) f₁+f₂＜ f₃ 時(shí)，軸瓦磨損，螺栓不受剪切力；當(dāng) f₁+f₂＞f₃ 時(shí)，軸瓦磨損，螺栓還會(huì)受剪切力。

圖2 軸瓦的受力分析

當(dāng)軸瓦潤(rùn)滑不良或天輪受到非正常沖擊時(shí)，f₁ 增大；當(dāng)天輪裝置中心線與摩擦輪中心線存在偏差或游動(dòng)輪竄動(dòng)、軸瓦受到軸向力時(shí)，f₂ 增大，導(dǎo)致聯(lián)接螺栓所受剪切力增大。天輪裝置長(zhǎng)期在這種情況下運(yùn)行，就會(huì)發(fā)生軸瓦磨損嚴(yán)重或聯(lián)接螺栓剪斷的情況，進(jìn)而導(dǎo)致天輪裝置產(chǎn)生異響。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，軸瓦聯(lián)接螺栓剪斷時(shí)，與固定輪相鄰的游動(dòng)輪和最外側(cè)的游動(dòng)輪軸瓦螺栓損傷較嚴(yán)重。其原因是天輪可能受到某種外力引起的軸向力，使得 3個(gè)游動(dòng)輪都沿軸向往一側(cè)偏斜，軸瓦互相擠壓、互相摩擦，最外側(cè)的游動(dòng)輪受擠壓力尤為嚴(yán)重，最終增加了軸瓦端面的摩擦力，提高了此處軸瓦聯(lián)接螺栓所受的剪切力。而這種外力可能是由于提升容器非正常擺動(dòng)或罐道偏斜等因素導(dǎo)致的。

鋼絲繩導(dǎo)致的軸向力會(huì)產(chǎn)生疊加、放大效應(yīng)，游動(dòng)輪向同側(cè)運(yùn)動(dòng)后，抵消了軸瓦軸向 0.2～0.5 mm 的間隙，力疊加，磨損加劇，并形成惡性循環(huán)。

3.2 環(huán)境因素影響分析

天輪輪子分為固定輪 (見圖 3) 和游動(dòng)輪 (見圖 4)兩種，它們一般為鑄焊式結(jié)構(gòu)，即每個(gè)輪體由鑄造或鍛造的輪緣、輪轂與槽鋼組成的輪輻焊接而成。

                                                                                                         圖3 固定輪結(jié)構(gòu)                                圖4 游動(dòng)輪結(jié)構(gòu)

                                                                                                    1.輪緣 2.輪輻 3.固定輪轂                      1.輪緣 2.輪輻 3.游動(dòng)輪轂

天輪輪輻損壞主要有以下幾個(gè)原因：

(1) 天輪裝置輪子承受的載荷較大，并且工作時(shí)受到交變應(yīng)力的影響，易引起材料疲勞；

(2) 天輪裝置所處環(huán)境惡劣，經(jīng)常受到雨雪侵蝕，容易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，尤其對(duì)天輪輪輻影響較大；

(3) 處于極端低溫或極端高溫環(huán)境的天輪裝置，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，自然環(huán)境下對(duì)天輪材料的機(jī)械性能產(chǎn)生較大影響。

以上原因都可能導(dǎo)致天輪異響、輪輻焊縫開裂，甚至輪輻斷裂。

3.3 其他影響因素

3.3.1 天輪裝置安裝問題

在天輪裝置安裝的諸多要求中，有兩個(gè)主要因素：天輪裝置底座的水平度、天輪軸軸心線與垂直于天輪軸的提升中心線的垂直度。天輪裝置的一般安裝要求如下：

(1) 天輪裝置的中心線與提升中心線應(yīng)重合，其偏差不應(yīng)大于 1 mm；

(2) 天輪裝置底座的水平度不超過 0.05/1 000；

(3) 天輪軸軸心線與垂直于天輪軸的提升中心線，在水平面內(nèi)的垂直度不應(yīng)超過±0.15/1 000。

如果前期安裝或因井架變形、基礎(chǔ)沉降等而導(dǎo)致不能達(dá)到以上要求時(shí)，就會(huì)改變天輪輪體受力狀況，甚至產(chǎn)生軸向力，進(jìn)而引起襯墊偏磨、輪體竄動(dòng)、軸瓦偏磨、甚至天輪偏擺超差等問題。

3.3.2 鋼絲繩張力不平衡

襯墊繩槽直徑偏差、鋼絲繩長(zhǎng)度偏差及剛度偏差等，會(huì)使長(zhǎng)度較大的鋼絲繩受到較小的張力，長(zhǎng)度較小的鋼絲繩受到較大的張力。為使鋼絲繩受力平衡，通常使用調(diào)繩器來調(diào)節(jié)。但調(diào)繩器使用不當(dāng)，比如調(diào)繩液壓缸漏液，造成調(diào)繩液壓缸無壓或者欠壓，使某根鋼絲繩不受力或少受力；單根鋼絲繩伸長(zhǎng)量超過調(diào)繩液壓缸調(diào)整極限，使單根鋼絲繩不受力或受力較小，調(diào)繩器無法起到平衡多根鋼絲繩受力的作用；當(dāng)提升中心線和罐道位置發(fā)生偏移時(shí)，罐道對(duì)罐籠形成向上或向下的阻力，從而使罐籠作用在提升繩上的力不均勻。當(dāng)各鋼絲繩受力不均時(shí)，各輪體受力也不均，引起襯墊磨損、軸瓦磨損或天輪異響。

4 故障解決方案

針對(duì)上述影響因素，可采取以下解決方案。

4.1 制訂加油維護(hù)制度

制訂加油維護(hù)制度并嚴(yán)格執(zhí)行，為天輪裝置提供良好的潤(rùn)滑條件。油脂選擇、加油維護(hù)和軸瓦清洗建議參考以下要求進(jìn)行。

(1) 油脂選擇 軸瓦潤(rùn)滑脂一般采用 1～ 3 號(hào)極壓鋰基潤(rùn)滑脂。日常維護(hù)時(shí)，用戶可根據(jù)當(dāng)?shù)夭煌竟?jié)、溫度，選擇合適牌號(hào)的潤(rùn)滑脂。

(2) 加油維護(hù) 加油維護(hù)計(jì)劃如表 1 所列。

表1 潤(rùn)滑油維護(hù)計(jì)劃

(3) 軸瓦清洗方法 天輪管路中和軸瓦內(nèi)的潤(rùn)滑脂很可能變質(zhì)失效、風(fēng)干，附著在油管內(nèi)壁和軸瓦油槽中，甚至形成堵塞，必須定期對(duì)其進(jìn)行清洗，保證油路暢通。軸瓦清洗時(shí)，將煤油或其他清洗劑通過輪緣上的注油孔注入油路，從游動(dòng)輪輪轂中部出油口(此口也可以做注油口使用) 流出，清洗完成后用螺塞封堵。

4.2 天輪裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

天輪裝置故障的發(fā)生也與天輪裝置本身的結(jié)構(gòu)相關(guān)，對(duì)天輪裝置的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)優(yōu)化，可提高天輪裝置的適應(yīng)性。

(1) 增大軸瓦聯(lián)接螺栓規(guī)格、強(qiáng)度或增加螺栓數(shù)量，以提高軸瓦聯(lián)接螺栓整體強(qiáng)度和抗剪切能力。

(2) 增加軸瓦端面定位鍵 (見圖 5)，以提高抗剪能力，減小螺栓受到的剪切力。

圖5 軸瓦定位鍵

(3) 改進(jìn)加工工藝，采用無縫加工工藝 (見圖 6)，以提高軸瓦加工精度和整體性，消除軸瓦竄動(dòng)空間。

圖6 無縫軸瓦結(jié)構(gòu)

(4) 改善軸瓦潤(rùn)滑油槽結(jié)構(gòu)，采用井字形縱橫交錯(cuò)的油槽形式，以加大軸瓦油槽的有效長(zhǎng)度，增加油槽深度，以提高儲(chǔ)油量，改善潤(rùn)滑效果。

4.3 自動(dòng)加油式天輪裝置設(shè)計(jì)

天輪裝置安裝在較高的井架上，不便于人工對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑，現(xiàn)場(chǎng)難以保證足夠的加油頻率。同時(shí)，天輪裝置往往采用油脂潤(rùn)滑，如果不及時(shí)補(bǔ)油，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油變干，甚至堵塞注油孔，最終無法潤(rùn)滑軸瓦。天輪裝置在潤(rùn)滑不良的情況下工作，將導(dǎo)致軸瓦嚴(yán)重磨損甚至燒瓦。為此，設(shè)計(jì)了電動(dòng)泵自動(dòng)加油式天輪裝置，如圖 7 所示。

圖7 自動(dòng)加油式天輪裝置

自動(dòng)加油式天輪裝置通過管路與旋轉(zhuǎn)密封裝置將電動(dòng)加油泵與天輪軸游動(dòng)輪一側(cè)的中心孔相連通，將潤(rùn)滑油脂從天輪軸軸向深孔和每個(gè)游動(dòng)輪對(duì)應(yīng)位置的徑向孔，加注到各個(gè)游動(dòng)輪的軸瓦處。人員不必爬上井架，在地面機(jī)房就可以對(duì)該裝置進(jìn)行操控，而且不必停車就可以加注油脂，從而實(shí)現(xiàn)定期自動(dòng)加油的目的。

4.4 滾動(dòng)軸承式游動(dòng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸瓦與軸是開放式結(jié)構(gòu)，為滑動(dòng)摩擦形式，與滾動(dòng)軸承相比，加油頻率高、維護(hù)量大、壽命短，而滾動(dòng)軸承定期更換一次油脂就能長(zhǎng)期正常使用。根據(jù)滑動(dòng)軸瓦和滾動(dòng)軸承各自的特點(diǎn)，結(jié)合天輪裝置工作的實(shí)際情況，在天輪裝置游動(dòng)輪上采用滾動(dòng)軸承支撐的結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)使用軸瓦支撐的結(jié)構(gòu)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)。

4.5 加裝天輪防護(hù)設(shè)施

針對(duì)環(huán)境因素對(duì)天輪輪輻材質(zhì)性能產(chǎn)生影響的問題，建議具備條件的現(xiàn)場(chǎng)可對(duì)天輪裝置加裝防護(hù)設(shè)施，比如在天輪裝置井架安裝平臺(tái)增加圍擋、防雨棚等，甚至可將天輪裝置與主軸裝置之間的鋼絲繩也用圍擋保護(hù)起來 ，優(yōu)化天輪裝置工作環(huán)境。這對(duì)于處于雨雪充沛、極端高/低溫環(huán)境的礦山設(shè)備尤其重要。在國(guó)內(nèi)南方地區(qū)，它可減少雨水對(duì)天輪裝置的影響；在北方地區(qū)，它有利于天輪裝置保溫，減少雨雪及低溫環(huán)境對(duì)天輪裝置的影響。

4.6 輻板式天輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于井架高度特別高或其他一些原因，導(dǎo)致增加防護(hù)措施難度較大的礦山，可采用輻板式結(jié)構(gòu)天輪裝置，如圖所示。不同于一般天輪輪體采用槽鋼輻條式，輻板式天輪的輪緣與輪轂采用輻板、肋板連接，輻板分別與輪緣、輪轂焊接在一起。輻板式受力方式與輻條式不同，不會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

4.7 使用維護(hù)注意事項(xiàng)

(1) 在安裝天輪裝置時(shí)，使用單位應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)安裝規(guī)范和廠家說明書進(jìn)行安裝，吊裝運(yùn)輸時(shí)需注意起吊方式和起吊位置，確保天輪輪體不發(fā)生變形，盡可能利用專用起吊工具進(jìn)行吊裝；

(2) 日常使用中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況制訂加注油制度，定期清洗軸瓦及注油管路，確保油路通暢、潤(rùn)滑良好；

(3) 定期檢測(cè)天輪井架是否有變形、基礎(chǔ)是否有沉降等情況，確保天輪中心線、水平度、井筒中心線對(duì)中度等符合相應(yīng)要求。

5 結(jié)論

天輪裝置發(fā)生故障是一個(gè)復(fù)雜的過程，應(yīng)全面、系統(tǒng)地分析問題。筆者主要從天輪裝置軸瓦潤(rùn)滑、天輪環(huán)境、安裝使用幾方面對(duì)天輪異響、軸瓦螺栓斷裂、輪輻斷裂等故障進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

(1) 在軸瓦潤(rùn)滑方面，可制訂加油制度并嚴(yán)格執(zhí)行，也可采用自動(dòng)加油式天輪裝置或滾動(dòng)軸承式游動(dòng)輪結(jié)構(gòu)天輪裝置。

(2) 在環(huán)境因素方面，可加裝天輪防護(hù)措施，也可采用輻板式天輪裝置。

(3) 對(duì)于目前現(xiàn)場(chǎng)在用的天輪裝置，如果出現(xiàn)上述問題，建議有條件時(shí)，可以按照原有安裝尺寸定制一組新結(jié)構(gòu)的天輪裝置作為備件，對(duì)其中一組原天輪裝置進(jìn)行替換，原天輪裝置拆下后進(jìn)行返修或局部改造，返修或局部改造完成后，再對(duì)另一組原天輪裝置進(jìn)行替換，在不影響生產(chǎn)的情況下對(duì)天輪大修。