肖慧儒，高寶錄，何方金，施海斌，顧永剛，崔哲峰

1承德銅興礦業(yè)有限責任公司 河北承德 067250

2中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

3承德恒力機電制造有限責任公司 河北承德 067250

天 輪是單繩纏繞式礦井提升機的重要部件。天輪使用壽命在很大程度上取決于輪緣使用壽命，故延長輪緣使用壽命即可延長天輪使用壽命。在早期的天輪設計中，除了鑄鐵輪緣必須采用襯墊外，鑄鋼和焊接輪緣較少采用襯墊。為了延長天輪和鋼絲繩的使用壽命，承德銅興礦業(yè)有限責任公司 (以下簡稱“銅興公司”)從 2003 年 5 月開始，在提升機及絞車天輪的鑄鋼輪緣上均采用了襯墊，并對鑄鐵輪緣原襯墊進行了改造。當襯墊繩槽磨損到影響正常使用時，只需更換襯墊即可，避免了因輪緣過度磨損而導致天輪報廢，從而延長了天輪使用壽命。同時，襯墊使鋼絲繩處于無磨損摩擦狀態(tài)，延長了鋼絲繩使用壽命。銅興公司及其他礦山采用天輪襯墊數(shù)十年的實踐表明[1-2]，襯墊既延長了天輪和鋼絲繩的使用壽命，減小了提升中心變化，也提高了提升系統(tǒng)運行的可靠性。

1 天輪襯墊的應用與效果

銅興公司采用的天輪襯墊主要有以下幾種形式，現(xiàn)簡述其應用效果。

1.1 整體方形塊

整體方形塊襯墊如圖 1 所示。其材質原為尼龍6，1983 年 5 月改為耐油橡膠 I4，用于銅興公司副井KJ2×3×1.5D-20 型提升機 (主軸裝置與制動系統(tǒng)已更新為 2JK-3/20A 型提升機結構[3])φ3.0 m 鑄鐵輪緣天輪，平均使用壽命約 1.17 a。2003 年 9 月，銅興公司將襯墊材質改為聚氨酯，其平均使用壽命約 6.83 a。由于襯墊的保護作用，現(xiàn)用重錘和罐籠的天輪迄今分別已使用近 35 a 和 39 a。

圖1 整體方形塊襯墊Fig.1 Integral square block liner

1.2 剖分式楔形塊與整體矩形塊

剖分式楔形塊襯墊如圖 2 所示。其材質為榆木，用于銅興公司副井 2БМ×2.5-20 型提升機 (已整機更新為 2JK-2.5/20A 型提升機)φ2.5 m 鑄鐵輪緣天輪。木質襯墊的缺點是壽命短，平均使用壽命約 0.83 a。2003 年 10 月，銅興公司將襯墊改為聚氨酯整體矩形塊，如圖 3 所示，其平均使用壽命約 6.5 a，使用壽命約為木質襯墊的 7.8 倍?，F(xiàn)用 2 個天輪均為 1975 年 5月安裝，迄今已使用近 45 a。

圖2 剖分式楔形塊襯墊Fig.2 Split wedgy liner

圖3 整體矩形塊襯墊Fig.3 Integral rectangular block liner

1.3 扇形整體塊Ⅰ與剖分式楔形塊Ⅰ

扇形整體塊Ⅰ襯墊如圖 4 所示。其為銅興公司設計，材質為聚氨酯，用于銅興公司主井 KJ2×4×1.8D-11.5 型提升機 (主軸裝置與制動系統(tǒng)已更新為 2JK-4/11.5A 型提升機結構[4])φ4.0 m 鑄鋼輪緣天輪。原天輪為鑄鋼與鉚焊兩半式結構，總重 7.159 t，因無襯墊，輪緣和鋼絲繩磨損嚴重。曾因此提前報廢的 1 號和 2 號天輪，其輪緣繩槽底部磨損均達 22 mm 以上。輪緣繩槽磨損較深后，槽底半徑變小，使鋼絲繩產(chǎn)生過度擠壓，導致其因磨損和斷絲超標而提前報廢。2個新天輪分別僅使用 9 a 和 5.67 a 時，其輪緣繩槽又分別磨損達 9、6 mm 以上。為提高天輪和鋼絲繩使用壽命，2003 年 5 月，銅興公司在 2 個天輪上均安裝了聚氨酯襯墊，其平均使用壽命約 9.5 a，鋼絲繩使用壽命也有所延長，同時提高了設備的運轉效率。

圖4 扇形整體塊Ⅰ襯墊Fig.4 Fan-shaped integral block liner I

2015 年 7 月，1 號天輪因軸瓦等原因更新時 (已使用近 22 a)，輪緣襯墊采用了如圖 5 所示的剖分式楔形塊Ⅰ系列產(chǎn)品。其材質為超高分子聚乙烯，使用 4 a 多來效果較好。

圖5 剖分式楔形塊Ⅰ襯墊Fig.5 Split wedgy liner I

2019 年 9 月，2 號天輪因轂軸連接失效進行更新時 (已使用 22.58 a)，輪緣襯墊仍采用剖分式楔形塊Ⅰ，為提高其使用壽命，材質采用了聚氨酯。

1.4 扇形整體塊Ⅱ與剖分式楔形塊Ⅱ

扇形整體塊Ⅱ襯墊如圖 6 所示。其為銅興公司設計，材質為聚氨酯，圖 6(a)襯墊用于銅興公司盲主井 2JK-2.5/20 型提升機φ2.5 m 鑄鋼輪緣天輪，其平均使用壽命約 7.5 a；圖 6(b)襯墊用于銅興公司盲副井 2JK-3/11.5 型提升機φ3.0 m 鑄鋼輪緣天輪，其平均使用壽命 10 a 以上。原天輪均無襯墊，造成輪緣和鋼絲繩磨損嚴重。2003 年 7 月，銅興公司在 4 個天輪上均安裝了襯墊，迄今 3 個天輪仍正常使用，其中 2個副井天輪均已使用 35 a 以上，主井 1 號天輪已使用30 a 以上。

圖6 扇形整體塊Ⅱ襯墊Fig.6 Fan-shaped integral block liner II

2018 年 5 月，因轂軸連接失效更新主井 2 號天輪時 (已使用 28.5 a)，輪緣襯墊采用了如圖 7 所示的剖分式楔形塊Ⅱ，材質為超高分子聚乙烯。4 個天輪采用襯墊后，鋼絲繩使用壽命均有所延長。

圖7 剖分式楔形塊Ⅱ襯墊Fig.7 Split wedgy liner II

1.5 剖分式楔形塊系列

2017 年 9 月，銅興公司斜井 JTP-1.6×1.2/20 型提升絞車天輪采用剖分式楔形塊系列產(chǎn)品，材質仍為超高分子聚乙烯。

綜上所述，天輪是否采用襯墊及其材質的不同，對天輪、鋼絲繩及襯墊的使用壽命均影響較大。采用襯墊可延長天輪和鋼絲繩的使用壽命；合理選用襯墊材質，是延長其使用壽命、減少更換頻次及提高設備效率等的關鍵。

2 天輪襯墊應用的標準及要求

《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》[5](以下簡稱《規(guī)程》)規(guī)定：“6.3.5.7 天輪的輪緣應高于繩槽內的鋼絲繩，高出部分應大于鋼絲繩直徑的 1.5 倍。帶襯墊的天輪，襯墊應緊密固定。襯墊磨損深度相當于鋼絲繩直徑，或沿側面磨損達到鋼絲繩直徑的一半時，應立即更換”。銅興公司及其他礦山采用天輪襯墊數(shù)十年的實踐表明，采用襯墊須嚴格執(zhí)行《規(guī)程》規(guī)定并應符合以下標準及要求。

2.1 襯墊的安裝與更換標準

根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定，襯墊的軸向和徑向外形尺寸應大于其安裝槽的尺寸，使其裝配后產(chǎn)生一定的過盈而緊密固定，其公差G的值應視襯墊材質而定。熱塑性聚氯乙烯塑料 (PVC)及新型 PVC、尼龍 6 和超高分子聚乙烯應較小，G值＜1.0 mm 為宜；聚氨酯宜居中，G值為 1.0～ 1.8 mm 合適；利用報廢的運輸膠帶或由一般橡膠的制成品可稍大，G值 ＞ 1.8 mm 為宜。此外，為緊密排列，還應根據(jù)襯墊安裝的最后周向間隙值，制作合適的“間隙襯墊”，以手錘打入，保證襯墊的周向緊密固定。

襯墊的更換要嚴格按《規(guī)程》規(guī)定執(zhí)行，以盡量減小提升中心的變化，減輕罐道及其導向槽 (器)的磨損，延長天輪使用壽命，保護鋼絲繩等。

2.2 襯墊徑向厚度

無襯墊的天輪由礦山自行安裝襯墊后，鋼絲繩提升中心的變化一般在 28～40 mm。這是因為，天輪直徑在 2.5～4.0 m，其鋼絲繩直徑d為 28～40 mm?！兑?guī)程》6.3.3.8 對提升容器的導向槽 (器)與罐道之間的間隙做出規(guī)定，《規(guī)程》6.3.3.9 對導向槽 (器)和罐道之間的磨損更換程度做出規(guī)定。這些間隙和磨損的累計之和，如木罐道的最大值為 10＋15=25 mm，仍然無法彌補因安裝襯墊而產(chǎn)生的鋼絲繩提升中心的變化值，因此必將增加容器在罐道上的摩擦力，加劇容器導向裝置與罐道的磨損。對于鋼絲繩罐道單繩多段提升而言，提升中心的變化也是造成“卡罐”的原因之一[1]。

減輕導向裝置與罐道磨損的有效方法，就是選擇一個比較合理的襯墊徑向厚度H，以盡量縮小鋼絲繩提升中心的變化值。H值應為d與襯墊更換前的最小厚度e之和，即H＝d＋e。筆者根據(jù)經(jīng)驗認為，若天輪原無襯墊，e取 0～10 為宜；若天輪原有襯墊，考慮到新襯墊性能一般優(yōu)于原襯墊，故取新襯墊更換前的最小厚度e′＜e。顯然，當H或H′值居中時，鋼絲繩提升中心與提升容器設計提升中心相重合 (原有襯墊時)或接近 (原無襯墊時)。采用聚氨酯時，當H′與H相差較大時，襯墊減薄值f(f＝e－e′=H－H′)可安裝為“固定墊層”，這樣既可保持鋼絲繩提升中心不變或少變，又可減薄新襯墊厚度，以降低其購價。

2.2.1 襯墊擬減薄示例 1

圖1 括號內 40.5 為襯墊減薄后數(shù)值。原e＝Hd＝86.5－37＝49.5，太厚；故取e′=H′-d＝40.5 -37=3.5，合適；則f＝e-e′=H-H′=46。

f安裝為固定墊層后，既可保持鋼絲繩提升中心不變，亦可減薄新襯墊厚度，減少聚氨酯用料，降低采購成本。廉價材質的襯墊不必考慮安裝固定墊層。

2.2.2 襯墊擬減薄示例 2

由圖 2 可得，tan 30°=x/13，x=7.5。H=40 -7.5=32.5，d=28，e＝H－d＝4.5；則圖 3 括號內 32為襯墊減薄后數(shù)值。原e＝H－d＝50－28＝22，較厚；故取e′=H′-d＝32－28＝4，合適；則f＝ee′=H-H′=18。

應當指出，圖 1 襯墊中繩槽深度與繩槽半徑均設計為 50%d＝18.5 不合理。根據(jù)有關文獻和銅興公司近 30 a 的實踐經(jīng)驗可知：

(1)繩槽深度取 25%d[6]＝9.25 或 30%d[7]＝11.1，較合理，原設計 18.5 比 9.25 或 11.1 分別深 9.25 或7.40，不合理。襯墊高度可減小至 95.75 或 93.9，H與H′均不改變；

(2)繩槽半徑取 55%d[8]＝20.35 較合理，原設計18.5 比 20.35 小 1.85，鋼絲繩會產(chǎn)生一定程度的擠壓；

(3)天輪襯墊與卷筒襯木 (塑襯)的繩槽深度與繩槽半徑的技術要求相同。

2.3 繩槽尺寸

2.3.1 繩槽深度

按文獻 [7]要求，“卷筒襯木繩槽深度應為鋼絲繩直徑的 30%”。根據(jù)銅興公司經(jīng)驗，當繩槽深度約為 25%d時，即可滿足使用要求。原洛陽礦山機器廠設計的繩槽深度僅為 18%d。繩槽隨著使用會逐漸加深，不會出現(xiàn)鋼絲繩“跳槽”現(xiàn)象。銅興公司 5 臺提升機按 (20%～25%)d銑削的卷筒襯木或定制的卷筒塑襯，使用 30 余年從未出現(xiàn)過鋼絲繩跳槽現(xiàn)象，故繩槽深度取 (20%～25%)d比較合理。

2.3.2 繩槽半徑

繩槽半徑過小會引起鋼絲繩過度擠壓而提前斷絲；過大又會使鋼絲繩支撐面積減小，增大其接觸應力而導致繩與繩槽的加速磨損。合理的繩槽半徑，應使鋼絲繩與槽底緊密貼合并保持必要的間隙，此間隙是考慮到鋼絲繩在工作時有向兩側分開的傾向。根據(jù)文獻 [8]，繩槽半徑取 55%d比較合理。

2.4 襯墊材質的選擇

天輪襯墊的主要功能是避免天輪與鋼絲繩之間直接接觸而產(chǎn)生互相磨損，因而性能指標要求少且低。我國從 20 世紀 80 年代初開始使用熱塑性聚氯乙烯(PVC)襯墊，由于其價格低，沿用近 30 a。由于 PVC襯墊是硬質無彈性塑料制品，使用中襯墊間出現(xiàn)較大的間隙，噪聲大，安全性能受影響。后在原生產(chǎn)工藝及配方的基礎上加以改進，研制出新型的 PVC 襯墊，比原 PVC 襯墊性能提高 20%，同時推出聚氨酯及超高分子聚乙烯襯墊，解決了 PVC 材料的不足，成為天輪襯墊的首選材質[9]。根據(jù)銅興公司采用襯墊數(shù)十年的經(jīng)驗和有關文獻及廠家的介紹，筆者認為，聚氨酯襯墊雖價格較高，但使用壽命較長；超高分子聚乙烯襯墊雖價格便宜，但使用壽命不如前者。各礦山可依據(jù)使用環(huán)境及工況，將二者作為天輪襯墊的首選材質。

3 結語

為了延長輪緣和鋼絲繩的使用壽命，銅興公司在提升機及絞車天輪的鑄鋼輪緣上均采用了襯墊，對鑄鐵輪緣上早期的襯墊亦進行了改造，均取得了很好的應用效果，可供同仁借鑒與參考。天輪改造或更新時應采用襯墊。

(1)襯墊的安裝與更換標準須嚴格按《規(guī)程》規(guī)定執(zhí)行，以保證在減小提升中心的變化、減輕罐道及其導向槽 (器)的磨損、延長天輪使用壽命以及保護鋼絲繩等方面均取得較好的應用效果。

(2)襯墊材質應依據(jù)使用環(huán)境及工況進行選擇，以延長其使用壽命周期、減少更換頻次、提高設備運轉效率為目標。

(3)合理的襯墊徑向厚度、繩槽深度與繩槽半徑等技術參數(shù)是襯墊優(yōu)化的關鍵。