超深井用多绳缠绕式提升机选型研究

刘劲军

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2智能矿山重型装备全国重点实验室 河南洛阳 471039

近年来，随着国民经济的飞速发展，我国对矿产资源的需求量大幅度增长，这促使我国地下矿产资源的开采不断向深层扩展，深部资源的开发与利用问题已受到不少学者的关注[1]。目前我国矿山的开采深度平均在 500 m 左右，随着浅层矿产资源的消耗，未来开采深度必然达到 1 000～2 000 m[2]。我国超深井提升装备基本处于空白状态，研发适合千米深井及超深井应用的提升设备是我国提升机设计与生产厂家所面临的机遇与挑战[3-4]。

目前我国矿井提升主要采用单绳缠绕式提升机和多绳摩擦式提升机，单绳缠绕式提升机在应用于深井及超深井时提升能力过小[5]；而多绳摩擦式提升机在超深井提升过程中，因主绳内部张力变化过大，导致钢丝绳寿命急剧缩短[6]。国外学者认为，当提升深度超过 1 400 m 到 1 500 m 时，多绳摩擦式提升机主绳的张力变化范围就将成为决定主绳寿命的关键因素，并推断多绳摩擦式提升机的经济极限提升深度在 1 600 m 左右[7-8]。

多绳缠绕式提升机采用 2 根或以上钢丝绳同时提起一个提升容器，比多绳摩擦式和单绳缠绕式提升机更适合超千米深井提升；因此，多绳缠绕式矿井提升机的研发对我国深部资源的开发利用具有现实的意义，其选型设计的正确与否直接关系到提升系统的安全与稳定。

1 多绳缠绕式提升机的起源与结构形式

1957 年，南非英美公司的技术工程师罗伯特·布莱尔发明了一种用 2 根或者更多钢丝绳来提升 1 个提升容器的提升机，这种提升机被称为多绳缠绕式提升机 (Blair Multi-Rope Hoist)[9]。目前，多绳缠绕式提升机都采用 2 根钢丝绳提起一个提升容器。提升机的卷筒被挡绳板分隔成两部分，2 根钢丝绳分别在这两区缠绕后提起同一个提升容器，并通过同步装置对钢丝绳进行同步[10-11]，如图1 所示。

多绳缠绕式提升机有多种不同的布置方式，包括双卷筒直联式 (见图2)、齿轮结合式、电结合式、万向联轴器结合式 (见图3) 等[9]。其中，万向联轴器结合式的多绳缠绕式提升机具有如下优点：

图2 直联式多绳缠绕式提升机Fig.2 Direct-connected multi-rope winding hoist

图3 万向联轴器结合式多绳缠绕式提升机 Fig.3 Multi-rope winding hoist combined with universal coupling

(1) 万向联轴器连接了 2 个主轴装置，可以让上升和下降容器的转矩相平衡，有效减小了所需电动机的驱动功率；

(2) 万向联轴器让 2 个主轴装置呈角度布置，能更好地满足绳偏角的要求，并减小井筒尺寸。

2 多绳缠绕式提升机的选型

2.1 钢丝绳的类型

提升钢丝绳是矿井提升机的重要组成部分，直接关系到矿井的正常生产和人员的生命安全。在超深井提升时，多绳缠绕式提升机的提升钢丝绳通常需要多层缠绕，在缠绕过渡过程中出现的层间与圈间过渡，使钢丝绳产生振动、冲击、挤压及摩擦磨损等现象，同时钢丝绳本身在缠绕过程中又受到弯曲、拉力、扭转以及过载等影响[12]。

应用于超深矿井时，多绳缠绕式提升机的钢丝绳必须具有高强度、良好的抗旋转性能和抗疲劳性能，且需耐磨损，并能够承受上层钢丝绳的压力[13-14]。根据对南非超深井提升系统的调研，推荐多绳缠绕式提升机采用三角股钢丝绳 (见图4(a)) 或新型的多圆股涂塑钢丝绳 (见图4(b))；随着钢丝绳技术的不断发展，钢丝绳厂家也推出新结构钢丝绳，如 DYFROM 34LR/PI Class 等，如图4(c) 所示。

图4 多绳缠绕式提升机采用的 3 种典型钢丝绳Fig.4 Three typical wire ropes used in multi-rope winding hoist

多绳缠绕式提升机同一容器上的 2 根钢丝绳，其应类型相同且旋向相反，以抵消钢丝绳因为扭转产生的转矩。超深井提升时，为减小钢丝绳直径，宜选用公称抗拉强度较高的钢丝绳。南非某矿用多绳缠绕式提升机的提升高度达 3 000 m，其选用钢丝绳的公称抗拉强度为 1 960 MPa。

2.2 提升容器的计算与选择

2.2.1 确定提升速度

根据《煤矿安全规程》[15]及《金属非金属矿山安全规程》[16]，最大提升速度v应符合以下要求。

提人时，

升降物料时，

式中：H为提升高度，m。其中提人时，最大提升速度v不得超过 12 m/s。

根据对南非某矿的调研，其多绳缠绕式提升机的实际最大提升速度已经达到 18 m/s。

2.2.2 计算提升循环时间

多绳缠绕式提升机的提升循环时间

式中：a为提升加速度，m/s2；µ为箕斗进入卸载曲轨前后的爬行段所占用的时间，一般取 10 s；θ为容器装载时间，s。

如果多绳缠绕式提升机采用单容器提升，则其提升循环时间T1=2T。

2.2.3 一次提升量的计算及提升容器的选取

多绳缠绕式提升机一次提升量[17]

式中：c1为矿井提升的不均匀系数，无特殊要求时取1.15；c2为矿井提升能力的富裕系数，主提升水平取 1.2；AN为矿井年产量，kg；Th为每天工作时间，h；bτ为矿井的年工作时间，d。

根据一次提升量Q，可以选择相应的提升容器，得到容器质量Qr。对于应用于超深井的多绳缠绕式提升机来说，减轻提升容器的质量在经济上具有重要的意义。

容器系数

在安全系数不变的情况下，容器系数的降低，意味着提升能力的提高。目前我国缠绕式提升机的单绳箕斗容器系数在 0.755～1.223，多绳摩擦式提升机的多绳箕斗容器系数在 0.90～1.17[18-19]。对于应用于超深井的缠绕式提升机，采用轻质合金制造的提升容器，有望将容器系数减小到 0.40 左右。国外学者认为，目前轻型箕斗的容器系数的极限约为 0.333[20]。

2.3 钢丝绳安全系数的确定

我国缠绕式提升机选择钢丝绳时，应按最大静张力，并考虑一定安全系数的方法，进行钢丝绳的计算与选型。钢丝绳安全系数，即提升系统钢丝绳的破断力总和与其所承受的最大静载荷之比。最大静载荷包括容器重量Qr、有效载荷Q(即提升量) 以及钢丝绳重量 (假设为n根)。表1 所列为我国及南非对缠绕式提升机钢丝绳安全系数的规定[21]。

表1 不同安全规程下的钢丝绳安全系数Tab.1 Safety factors for wire ropes under different safety regulations

需要注意，我国提升机钢丝绳安全系数的规定依据钢丝绳的最小破断力总和，而南非等国依据钢丝绳的最小破断力，二者关系为：

式中：F0为钢丝绳的最小破断力总和，N；K2为钢丝绳最小破断力总和与钢丝绳最小破断力的换算系数；Fb为钢丝绳的破断力，N。

对于多绳缠绕式提升机，我国提升钢丝绳的安全系数

南非等国提升钢丝绳的安全系数

式中：n为同一容器上提升钢丝绳的数量，根；p为钢丝绳单位质量，kg/m；g为重力加速度，取 9.81 m/s2。

2.4 钢丝绳直径 d 的计算

钢丝绳安全系数确定之后，可以进行多绳缠绕式提升机所用钢丝绳直径d的计算。根据参考文献[22]，钢丝绳单位质量

式中：K为钢丝绳单位长度的质量系数，kg/(100 m× mm2)；d为钢丝绳直径，mm。

钢丝绳最小破断拉力

式中：K′为钢丝绳的最小破断拉力系数；R0为钢丝绳的公称抗拉强度，MPa。

由式 (7)～(10)，可以得到依据国内规程时的钢丝绳直径[23]：

由式 (8)～(10)，可以得到依据南非等国规程的钢丝绳直径：

2.5 卷筒直径 D 的计算

多绳缠绕式提升机钢丝绳直径d确定之后，可以根据D/d 来确定卷筒直径D。D/d为缠绕钢丝绳的卷筒或者天轮直径与钢丝绳直径的比值。不同国家对D/d的规定如表2 所列。

表2 不同安全规程下的提升机 D/d 值Tab.2 D/d values of hoists under different safety regulations

多绳缠绕式提升机的卷筒直径

2.6 卷筒缠绳区宽度 L 的验算

当多绳缠绕式提升机的直径D确定后，需根据容绳量对提升机的缠绳区宽度L进行验算。需要指出的是，多绳缠绕式提升机卷筒宽度的计算与单绳缠绕式提升机有所区别，单绳缠绕式提升机的卷筒宽度等于其缠绳区宽度；而多绳缠绕式提升机的卷筒宽度等于 2 个缠绳区宽度与中间挡绳板厚度之和，如图5 所示。

图5 多绳缠绕式提升机卷筒宽度与缠绳区宽度示意Fig.5 Diagram of drum width and rope winding zone width of multi-rope winding hoist

应用于超深井时，多绳缠绕式提升机通常需要多层缠绕。为保证缠绕的平稳性，矿山企业多采用平行折线绳槽，并配备钢丝绳缠绕监控装置 (见图6)。国内学者已对平行折线绳槽进行了研究[24]，相关成果已在一些项目上得到应用。根据现场应用的效果来看，钢丝绳在平行折线绳槽上缠绕时，过渡平稳，过渡响声小，有效减少了过渡区的钢丝绳挤压断丝现象[25]。

图6 某项目提升机所用的平行折线绳槽Fig.6 Parallel groove of hoist for a certain project

卷筒缠绳区应容纳以下几部分钢丝绳：

①提升高度H；② 钢丝绳试验长度，30 m；③卷筒表面应保留 3 圈摩擦圈，以减轻绳与卷筒固定处的拉力；④ 多层缠绕时，上层到下层过渡段钢丝绳每季度需错动 1/4 圈，共取 4 圈。

缠绳区宽度L的验算公式如下。单层缠绕时，提升高度

2 层缠绕时，提升高度

3 层缠绕时，提升高度，

4 层缠绕时，提升高度

式中：b为出绳孔直径，通常取b=d+5，mm；ε为绳圈间隙，mm；nm为摩擦绳圈，取 3；ls为试验绳长，取 30 m；ng为多层缠绕时供移动用的绳圈，取 4；Dp为钢丝绳平均缠绕直径，mm；nz为缠绕层数。

2.7 多绳缠绕式提升机的选择

当钢丝绳选型完成，卷筒直径、缠绳区宽度等参数确定以后，可以根据有效载荷、容器质量以及钢丝绳参数，以确定多绳缠绕式提升机的最大静张力F、最大静张力差Fs、有效终端载荷Fz等相关参数。

多绳缠绕式提升机最大静张力

最大静张力差

有效终端载荷

确定了这些参数以后，可根据多绳缠绕式提升机的型谱，选择满足需要的提升机型号[26]。表3 和表4 分别给出了单、双筒多绳缠绕式提升机的参数。

表3 单筒多绳缠绕式提升机参数Tab.3 Parameters of multi-rope winding hoist with single drum

表4 双筒多绳缠绕式提升机参数Tab.4 Parameters of multi-rope winding hoist with double drum

3 超深井用多绳缠绕式提升机与多绳摩擦式提升机的选型对比

3.1 多绳摩擦式提升机及其安全系数的修正

多绳摩擦式提升机是一类以摩擦轮上的衬垫与钢丝绳的摩擦力传递动力进行提升的机械，其采用多根钢丝绳代替 1 根直径较粗的钢丝绳来提升容器。与单绳缠绕式提升机相比，多绳摩擦式提升机具有钢丝绳直径小、机械结构紧凑、质量轻、适用于中等深度矿井提升等突出优点。根据资料[27]，南非多绳摩擦式提升机提升高度最深的是西部深层矿 (Western Deep Levels Mines)，提升高度为 1 948 m，但据报告其钢丝绳寿命非常短。目前国内多绳摩擦式提升机提升高度最深的是云南会泽铅锌矿 3 号竖井，提升高度为 1 523 m，采用 1 台 JKMD-5.5×6 落地式 6 绳摩擦式提升机提升。目前正在建设的山东莱州纱岭金矿，将采用 1 台 JKMD-6×8 落地式 8 绳摩擦式提升机，其提升高度为 1 547.5 m。

多绳摩擦式提升机为了满足防滑需要，在容器下方安装有尾绳。应用于深井和超深井时，主绳本身重量的增加，导致其内部张力在提升过程中发生较大变化。南非等国的经验认为：在深井和超深井提升时，多绳摩擦式提升机主绳内的张力变化直接影响主绳寿命。为保证主绳具有足够经济的寿命，推荐该张力变化的范围不超过主绳破断力的 11.5%。

国内学者据此推荐：在超深井选型时，多绳摩擦式提升机的安全系数修正公式[28]

式中：SF1为修正后的安全系数；A为张力变化范围，取A≤11.5%。

3.2 多绳缠绕式提升机与多绳摩擦式提升机选型对比

为比较多绳缠绕式提升机与多绳摩擦式提升机在超深井条件下选型的差异，假设提升高度分别为 1 500 m 和 1 600 m，有效载荷为 23 t，分别对其进行选型设计，得到选型对比结果如表5 所列。

表5 选型结果的对比Tab.5 Comparison of selection results

从表5 可知：当有效载荷不变，提升深度从 1 500 m 加深到 1 600 m 时，多绳摩擦式提升机为限制钢丝绳的张力变化范围，其系统参数发生急剧的变化；多绳缠绕式提升机的选型无需考虑张力变化范围，其系统参数变化很小。多绳摩擦式提升机钢丝绳直径从 52 mm 加大到 62 mm，最大静张力增加了 35%，这也验证了多绳摩擦式提升机经济性的极限提升深度在 1 600 m 左右的结论。

4 结论

(1) 对超深井用多绳缠绕式提升机的选型进行了探讨，对选型过程中钢丝绳的种类、提升速度的选取、轻质提升容器的容器系数取值进行了讨论，并给出了基于我国规程和南非规程的多绳缠绕式提升机钢丝绳直径及卷筒直径选型计算公式。确定了系统参数后，可根据型谱，选择相应型号的多绳缠绕式提升机。

(2) 通过与多绳摩擦式提升机的选型对比，当提升深度从 1 500 m 增加到 1 600 m 时，多绳摩擦式提升机出现了因为张力变化范围限制而导致钢丝绳直径急剧增大的现象。若未来多绳摩擦式提升机主绳张力变化范围 (不得大于其破断力的 11.5%) 的限制无法突破，则多绳摩擦式提升机的经济极限提升深度将被限制在 1 600 m 左右，这也与国外学者的结论相符。我国煤矿的极限开采深度在 1 500 m 左右，因此多绳缠绕式提升机未来在我国超深的金属矿中有望得到应用。

(3) 多绳缠绕式提升机作为一种适合深井和超深井的提升装备，在国外已经有了六十多年的历史，但是在国内尚无应用先例。近年来，随着浅部资源的逐渐枯竭，我国已经逐步转入深井或者超深井矿产资源的开采。多绳缠绕式提升机的研发与使用，将满足我国超千米深井的提升需要，并填补我国超千米深井高速重载提升设备的空白。