提升机滚轮罐耳胶胎的磨损分析与优化探讨

张琦,李侃（.山东科技大学,山东泰安700;.泰安得力凯特机械有限公司,山东泰安7000）

提升机滚轮罐耳胶胎的磨损分析与优化探讨

张琦1,李侃2
（1.山东科技大学,山东泰安270012;2.泰安得力凯特机械有限公司,山东泰安271000）

摘要：针对提升机用滚轮罐耳在实际应用中出现的磨损快、寿命短等主要问题，通过实践分析排除了滚轮罐耳胶胎质量问题、滚轮罐耳结构、轴承设计、罐道等因素，确定磨损产生的主要原因是提升容器的重力与提升力之差和滚轮惯性力的关系是否合理，滚轮与罐道之间是否有相对滑动。并提出了提高胶胎寿命的措施，如加大胶胎内径，改变材质，合理设计提升机加减速时间等。使胶胎厚度变薄、转动惯量减小，这样即减轻重量、节省材料又改善滚轮罐耳的散热条件。

关键词：滚轮罐耳；胶胎；惯性矩；相对滑动；磨损

随着我国矿山开采业的发展，各大矿山都在向大型化、高效化发展，立井的井深在不断增加，提升速度不断提高，提升容量也在不断加大，因此对提升系统的各个设备及其关键零部件的质量要求也相应提高。

滚轮罐耳是在提升容器与罐道之间起着关键媒介做用的重要部件之一。它不仅起着支撑缓冲作用，还起到提升容器沿井筒轴线方向的导向作用，其工作质量的好坏直接影响到矿山生产效率和提升容器正常运行率。许多矿山都还在延用老式罐耳结构，其结构存在以下几方面的问题：

（1）使用寿命短；

（2）故障率高；

（3）可靠性差；

（4）维修成本高；

（5）重量较重；

（6）提升容器的提升速度和效率都受到限制；

（7）散热条件不好等。

近些年，滚轮罐耳胶胎损坏的问题反映普遍，损坏的滚轮胶胎如果检修更换不及时，常常会使提升系统出现紧急停车事故，不仅影响了正常的安全生产，还增加设备成本消耗，对矿井造成很大的损失。因此，查找胶胎磨损的原因并对滚轮罐耳进行优化设计显得更加迫切。

1胶胎磨损原因分析

通过作者多年来走访用户调研发现，几乎所有滚轮罐耳胶胎的损坏，都是由于它与罐道之间的相互摩擦造成的，为延长胶胎的使用寿命，减少检修时间，作者曾经用过将胶胎加厚的方法，但实验过程中出现加厚的滚轮罐耳的使用寿命更短的非常规现象，一个矿一年要更换60多个滚轮罐耳。如此严重的损坏，便从以下几个方面进一步分析主要原因：

1.1滚轮罐耳胶胎质量问题

将更改前后的胶胎和原胶胎取样后进行了各种理化实验分析，结果是其质量前后一致，没有什么区别。因此排除质量因素造成的磨损加剧影响使用寿命。

1.2滚轮罐耳的结构问题

对于滚轮罐耳的结构，在改进前后并没有改变，只是在保证胶胎安装尺寸和外径尺寸不变的情况下将胶胎加厚。

从以上的分析来看，几种情况都不可能出现多个胶胎同时快速磨损的状态，那么问题出在什么地方呢？

作者经过多次到使用现场进行深入细致的了解观察和理论上的认真分析研究，终于发现了问题的所在。

从理论上讲，胶胎出现周向均匀的磨损，它只有在胶胎与罐道之间出现相对运动是才能发生，而这一相对运动的产生，要从提升容器的整个使用过程来分析：

首先提升容器由静止启动时，滚轮也是由静止开始做加速转动，但是滚轮有一个静止的惯性，当提升的速度相对合理缓慢时，提升力与容器重力的差小于这个惯性力时，滚轮开始平稳的做匀加速转动，这时不会出现相对运动，滚轮胶胎也不会磨损；当提升速度突然增大，提升力大于惯性力时，滚轮由于惯性的作用还处在较慢的启动状态，这时滚轮就会被拖动，滚轮胶胎与罐道之间就有一个相对滑动，从而产生了磨损，但这个磨损只是在滚轮胶胎的一个平面上产生。

当提升容器完成启动，由加速运动转为正常的匀速运动时，滚轮的转速也变成了匀速转动，这时胶胎与罐道之间便没有了相对滑动，只是在罐道上进行纯滚动，所以在这一过程中磨损非常小。

当提升容器即将到达预定位置时，提升容器便开始做减速运动。在提升容器由匀速运动转为减速的时刻时，滚轮还处在匀速转动状态，它还保持着一个维持它转动的惯性力，当这个提升速度的减小相对合理缓慢时，容器重力与提升力的差小于滚轮转动的惯性力，滚轮胶胎与罐道之间也不会有相对滑动，也就不会产生磨损。当容器减速过快，其重力与提升力的差大于滚轮转动的惯性力时，滚轮与罐道之间就会产生相对滑动，从而产生磨损，这时的磨损将是在整个圆周上的均匀磨损。这也就是滚轮胶胎产生均匀圆周磨损的根本原因。

2减少磨损机理分析

通过上面的分析，可以清楚的知道这个磨损的产生主要是提升容器的重力与提升力之差和滚轮惯性力的关系是否合理。而这一关系产生的关键位置又是在提升容器的启动的加速和停止的减速过程中。又因为在启动过程中的摩擦是一个滚轮被拖拉的过程，这一过程中的磨损只是一个平面的磨损，所以在这里不考虑。因此只研究滚轮在停止减速过程中的磨损情况。如图1所示：

图1滚轮罐耳减速时的受力图

可以看出，在提升容器减速的过程中，滚轮受到轮轴给它的一个向上的力F；它自身的重力G；罐道给它的支撑力N；罐道对它的摩擦力f。

以轮轴O为旋转轴，当滚轮胶胎与罐道处于静摩擦与滑动摩擦的临界点时，罐道对胶胎摩擦力产生的力矩与滚轮胶胎的惯性矩是相等的即

Tf＝TO①

Tf——摩擦力对轮轴的力矩，N

TO——胶胎对轮轴的惯性矩，N

摩擦力对轮轴的力矩见下式：

Tf＝kNR②

k——胶胎对罐道的摩擦系数

R——胶胎外半径，m

胶胎对轮轴的惯性矩见下式：

TO＝Iε



I——胶胎对轮轴的转动惯量，kg•m2

ε——胶胎的角加速度,r/min

m——胶胎质量,kg

r——胶胎内半径,m

ρ——胶胎密度,kg/m3

将②、③代入①得

3滚轮罐耳胶胎优化设计

要想提高滚轮罐耳的胶胎寿命需尽量减小摩擦磨损，由公式④可以看出，影响胶胎寿命的主要因素有三个：一是胶胎的内外径，二是胶胎密度，三是胶胎的角加速度。为此可以从以下三方面寻找提高胶胎寿命的措施。

3.1加大胶胎内径，使胶胎厚度变薄

当K、N、R、ρ、ε已定的情况下，r越小，胶胎对轮轴的惯性矩TO越大。这也就是说，当在保证胶胎外径及其它条件不变情况下，减小胶胎内径，增加胶胎厚度时，其惯性矩TO也在增大，当它超过摩擦力临界点的惯性矩If时，胶胎就会与罐道之间出现相对滑动的现象，从而造成胶胎整个圆周都出现均匀磨损加快的现象。所以为了减小胶胎的磨损，延长胶胎的使用寿命就必须加大胶胎内径，使胶胎厚度变薄、转动惯量减小，这样即减轻了重量、节省了材料、改善了滚轮罐耳的散热条件，又降低了生产制造成本，同时还改善了产品的性能，延长了滚轮罐耳的使用寿命，同时也为客户提供了安全高效质优价廉的产品，使设备能够安全高效的正常运行，从而也达到对滚轮罐耳优化的目的。

3.2改善胶胎的材质

选用密度低，重量轻的材质制作胶胎，可以降低磨损。

3.3合理控制提升加减速度

缩短相对运动（滑动）的时间与行程，减少磨损。即控制提升循环中加速和减速阶段所占用时间和最大提升速度，并非速度越快越好，要综合考虑能耗和设备维护成本确定合理的参数。

以上三种措施中，方案3.1最易实现，是现有提升机滚轮罐耳经济实用的一种解决措施，现场使用效果很好。方案3.2有待进一步开发。方案3.3要结合矿井产能与提升系统全寿命周期设计综合考虑优化。

4结论

综上所述，对于转动件来说，当发现其圆周均匀磨损时，不能为了延长其使用寿命，以单一增加其磨损面的厚度来处理，在没有找到引起问题根本原因时，简单的如此处理往往会使其结果适得其反。

另外，目前有些个别客户也往往会用单纯的提高提升速度来提高生产能力，但实际上这样的决定会带来一定的负面影响。因为在高提升速度的同时，滚轮罐耳的动能也在加大，相同时间让它停止转动所需的加速度也在加大，即摩擦力也在加大，当它超过临界摩擦力时，滚轮罐耳胶胎与罐道之间便会产生滑动，造成严重的磨损，降低了胶胎的使用寿命，增加了维修成本和维护工作量，影响了生产。这是处理此类事情必须注意的一点。因此需要从全寿命周期角度去综合考虑提升机系统的运行。

参考文献：

[1]成大先主编.机械设计手册[S].化学工业出版社,2008.

[2]杨澎，宗良，华峰.新型滚轮罐耳在煤矿生产中的应用[J].建井技术，1997(18):44-47.