陳仁財 ,賀茂坤

(1.江銅集團銀山礦業(yè)有限責任公司,江西 德興 334200;2.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 引言

礦井提升鋼絲繩是懸掛提升容器并傳遞動力的關鍵部件,它是礦井提升系統(tǒng)的重要組成部分之一,對礦井提升系統(tǒng)的正常運轉起著非常重要的作用,其可靠性直接關系到礦山的正常生產(chǎn),影響升降人員的生命安全。提升鋼絲繩在工作運行時,受多種交變動、靜應力的作用,如拉應力、彎曲應力、扭轉應力、接觸應力及擠壓應力等等,這些應力的反復作用將導致鋼絲繩疲勞失效、磨損失效。在礦山生產(chǎn)現(xiàn)場,由于提升鋼絲繩的失效斷裂而造成的重大事故時有發(fā)生,都給礦山生產(chǎn)造成了不同程度的人身傷亡及巨大的經(jīng)濟損失。只有先找到各種工況下鋼絲繩的損傷失效機理,才能確定采取相應策略對鋼絲繩進行維護、檢測或作報廢更換的決策。研究分析提升鋼絲繩損傷失效機理,找到一些規(guī)律性的認識,采取相應的防護措施,遲緩提升鋼絲繩日常運行時損傷進程,最大限度的延長提升鋼絲繩的使用壽命和保證提升安全,對于礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。

1 鋼絲繩失效形式及其機理分析

提升鋼絲繩是由一定數(shù)量的優(yōu)質碳素結構鋼細鋼絲捻制成股,再由若干股捻制成繩,中間夾有浸有專用防腐增摩油脂的繩芯制成。鋼絲主要起承受載荷的作用,鋼絲繩的破斷拉力大小主要取決于鋼絲的抗拉強度和繩股股數(shù)及絲徑。繩芯的作用為減少繩股間鋼絲的接觸應力,增加鋼絲繩的彈性和韌性,減緩鋼絲繩彎曲應力,儲存防腐增摩油脂。據(jù)統(tǒng)計分析,一般提升鋼絲繩的主要損傷為機械損傷,主要包括磨損、疲勞、外傷等,表現(xiàn)形式為斷絲、過量變形及外表損傷等。磨損、疲勞、外傷等都可導致斷絲,一般可從斷口的形態(tài)進行判斷。磨損斷絲一般出現(xiàn)在鋼絲磨損嚴重的部位,斷口兩側呈斜茬,斷口扁平;疲勞斷絲一般出現(xiàn)在單側外層鋼絲上,其斷口較齊平;過載或張力破斷載荷斷絲,其斷口的鋼絲一般有所延展,同時直徑減小,呈現(xiàn)典型的“杯錐狀”斷口;腐蝕斷絲一般發(fā)生在具有腐蝕性介質環(huán)境的工況下,其斷口形狀一般不整齊,呈針尖狀,如圖1 所示。

圖1 鋼絲繩斷絲斷口圖(10X)

1.1 磨損

根據(jù)磨損機理又可分為外部磨損和內部磨損。外部磨損主要是指提升鋼絲繩在運行過程中,其外周與主導輪(摩擦輪)、導向輪(或天輪)繩槽等物體表面接觸而引起的磨損。磨損使鋼絲繩的繩徑變細、個別鋼絲斷絲,鋼絲繩破斷拉力載荷隨之降低;在實際工作中,又有單邊磨損和全周磨損,單邊磨損比全周磨損更快失效,在全長范圍內盡可能避免出現(xiàn)單邊磨損,做到均勻磨損,即全周磨損。內部磨損主要是指鋼絲繩繞經(jīng)主導輪(摩擦輪)、天輪(或導向輪)時所承受的載荷主要壓在鋼絲繩的一側,同時由于鋼絲繩的彎曲,各繩股鋼絲的曲率半徑不可能完全相同,導致鋼絲繩內部各根鋼絲之間相互產(chǎn)生作用力,且產(chǎn)生滑移,此時絲與絲、股與股之間接觸應力增大,而產(chǎn)生磨損或局部壓痕,當頻繁拉伸彎曲時產(chǎn)生應力集中而出現(xiàn)內部斷絲。

(1)粘著磨損

摩擦式提升機是利用提升鋼絲繩與主導輪摩擦襯墊的摩擦力來傳遞動力。提升鋼絲繩與摩擦襯墊接觸時,鋼絲繩的繩股壓入摩擦襯墊的繩槽中,鋼絲繩張力在其接觸面產(chǎn)生法向力,由于繩股、鋼絲不完全在一個面上,接觸點局部應力很大,以致兩表面無限接近,由于范德華力的存在,表面分子互相吸引,產(chǎn)生粘結點[1]。提升鋼絲繩與摩擦襯墊在某一瞬間是相對靜止的,但其相互接觸的表面是不斷變化的,提升鋼絲繩由于有彈性并承受拉應力而在摩擦襯墊繩槽表面產(chǎn)生彈性滑動,即蠕動,就必然破壞這些粘結點,而產(chǎn)生相互磨損或疲勞。如果系統(tǒng)瞬間提供的制動力過大或加、減速度過大,會使鋼絲繩在繩槽表面蠕動加劇或明顯滑動,將鋼絲繩與摩擦襯墊間嚴重的粘著磨損,導致疲勞斷絲或磨損斷絲,且滑動速度的增大,磨損量也增大。圖4 為鋼絲粘著磨損的SEM 圖。

提升鋼絲繩材料一般為優(yōu)質碳素結構鋼,摩擦襯墊材料一般為聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯或樹脂類。從硬度和強度上來看,鋼絲繩的硬度和強度都比摩擦襯墊大,故磨損量在襯墊一側明顯大于鋼絲繩側,但磨損是相對的。摩擦系數(shù)是襯墊最重要的一項性能參數(shù),從使用角度考慮,摩擦襯墊應具備其摩擦系數(shù)隨鋼絲繩蠕動速度的提高呈上升趨勢的特點,以保證意外情況下引起非正?；瑒訒r滑動速度收斂,但同時又會加劇鋼絲繩的磨損。另外,在摩擦過程中,摩擦能大部分轉化為熱能,且由于摩擦襯墊導熱系數(shù)很小,大部分熱量聚集在其表面,導致襯墊表面溫度升高。張德英等對失效后鋼絲繩的宏觀檢驗和金相分析的結論為:鋼絲繩在使用過程中由于劇烈摩擦,表面產(chǎn)生脆性馬氏體薄層,是斷絲的根本原因。根據(jù)張德坤等的研究結果,在一定振幅下,僅考慮接觸應力、微動時間、相對微動或蠕動速度等機械因素的情況下,粘著磨損與這些機械因素呈線性關系,如式(1)和圖2、圖3 所示:

圖2 摩擦系數(shù)隨載荷的變化曲線

圖3 潤滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)的變化曲線

圖4 外圍鋼絲粘著磨損圖(300X)

式中h(t)—微動磨損深度;

a、K—常數(shù);

P—鋼絲所受接觸應力;

V—相對微動或蠕動速度;

T—微動磨損時間。

(2)微動滑移磨損

內部磨損主要表現(xiàn)為鋼絲繩內部鋼絲的微動滑移磨損。提升鋼絲繩在結構上為絲-股-繩結構,在運行過程中其內部鋼絲受力狀態(tài)非常復雜,特別是繞經(jīng)主導輪(摩擦輪)、導向輪(或天輪)時,所承受的載荷主要壓在鋼絲繩的一側,而此時各繩股鋼絲的曲率半徑不完全相同,導致鋼絲除經(jīng)受交變拉伸和彎曲應力外,還承受接觸擠壓應力、摩擦滑移,以及一定的扭矩和振動,這些力的綜合作用導致鋼絲繩內部股與股、絲與絲之間產(chǎn)生一定的微動滑移磨損[2]。微動滑移磨損使鋼絲繩橫截面積減小,降低了鋼絲繩的使用強度,同時也導致一定的磨損深度。隨著時間的推移,在交變應力作用下,將在最大磨損深度處產(chǎn)生應力集中,并引發(fā)裂紋的萌生、擴展直至斷裂。圖5 為鋼絲微動滑移磨損的SEM 圖。

圖5 內部鋼絲微動磨損圖(300X)

(3)腐蝕磨損

腐蝕磨損是指當摩擦副在摩擦過程中,摩擦表面與周圍腐蝕介質發(fā)生化學或電化學反應,產(chǎn)生物質損失的現(xiàn)象。提升鋼絲繩是在井筒中運行,井筒環(huán)境一般潮濕,甚至淋水,大部分井筒可能還存在SO2、CO2、酸性水汽。對于沒有保護層的鋼絲繩很容易受到淋水,尤其是酸性淋水的影響而產(chǎn)生銹蝕。銹蝕往往與磨損相伴出現(xiàn),磨損在銹蝕的影響下加劇,而導致鋼絲繩機械性能過快降低。特別是有粉礦撒落的主井,由于撒落的粉礦微?；煺吃谔嵘摻z繩上,使提升鋼絲繩和摩擦襯墊之間的相互磨損加劇。提升鋼絲繩銹蝕破損一般可分為三個階段:輕微銹蝕,表現(xiàn)為鋼絲變黑,表面出現(xiàn)銹皮或少量細小點蝕;較重銹蝕,表現(xiàn)為鋼絲表面有較厚銹皮,點蝕部位出現(xiàn)麻坑;嚴重銹蝕,表現(xiàn)為鋼絲表面麻坑發(fā)展成溝紋,外層鋼絲松動或滲出“紅油”,甚至鋼絲失去原有截面形狀,說明鋼絲繩已經(jīng)嚴重腐蝕磨損。圖6 為鋼絲腐蝕磨損的SEM 圖。

圖6 鋼絲腐蝕磨損圖(300X)

1.2 疲勞

多繩摩擦提升鋼絲繩疲勞損傷一般與磨損損傷相伴相生。提升鋼絲繩在運行過程中,主要承受交變拉伸、彎曲、扭曲、擠壓疲勞,以及振動、滑移引起的疲勞磨損和過載引起的彈性形變等疲勞損傷。

鋼絲繩在重復繞經(jīng)主導輪、導向輪(或天輪)的過程中,繞上繞下,經(jīng)過無數(shù)次的彎曲、擠壓、扭曲等交變應力的作用,以及承受無數(shù)次的振動、滑移磨損,容易使鋼絲繩產(chǎn)生疲勞及韌性下降,當接觸區(qū)形成的循環(huán)應力超過材料的疲勞強度,則在表面將引起裂紋,并逐步發(fā)展,最后使裂紋以上的材料斷裂或剝落,形成疲勞損傷。一般由拉伸、彎曲、扭曲以及蠕動等引起的疲勞斷絲多出現(xiàn)在繩股的彎曲程度最厲害的一側外層鋼絲上;由擠壓、振動、滑移磨損等引起的疲勞磨損斷絲多出現(xiàn)在繩股內部鋼絲上。通常情況下,疲勞斷絲意味著鋼絲繩已經(jīng)接近使用后期。試驗及使用經(jīng)驗表明,鋼絲繩的疲勞壽命與D/d比值(即主導輪、天輪、導向輪等提升裝置的直徑D與鋼絲繩直徑d的比值)、提升鋼絲繩的安全系數(shù)、摩擦襯墊比壓、張力差和鋼絲繩結構等均有密切的關系[3]。

鋼絲繩在運行過程中,除了要承受終端負載、自重等靜載荷外,還要承受加速度和沖擊等引起的動載荷,以及由于鋼絲繩張力不平衡等引起的過載。鋼絲繩隨著動載荷的增加以及過載等會有微量的伸長,在動載荷和過載的反復作用下,鋼絲繩會產(chǎn)生疲勞累積,當疲勞累積超過鋼絲繩的強度極限時,鋼絲繩有可能發(fā)生疲勞斷絲;過載的鋼絲繩即使不發(fā)生斷絲,其安全系數(shù)也會大幅度下降,縮短其使用壽命。鋼絲繩繞經(jīng)主導輪(摩擦輪)或導向輪(天輪)時,承受的彎曲應力可由下式初步計算:

式中δ彎—鋼絲繩承受彎曲應力值;

β—鋼絲繩結構系數(shù);

Δ—鋼絲繩鋼絲直徑;

D—導向輪或主導輪直徑;

E—鋼絲繩彈性模量。

1.3 實例分析

國內某深井礦山主井雙箕斗提升系統(tǒng),采用JKM4.5X6 型多繩摩擦提升機,首繩直徑Φ44 mm(6根)、三角股,塔式布置,主導輪圍包角190 °。井深1 060 m,提升高度1 104.9 m,最大提升速度12 m/s,提升加、減速度0.9 m/s2,箕斗自重34.5 t,有效載荷30 t。2003 年下半年投產(chǎn),截止2007 年底共使用了15 套提升鋼絲繩,最短的使用壽命3 個月,最長使用壽命也僅5～6 個月,明顯低于提升鋼絲繩的正常使用周期,過快失效。

從現(xiàn)場對失效鋼絲繩分析來看,鋼絲繩失效部位集中在導向輪側,距離提升箕斗懸掛裝置約60～100 m 范圍內,表現(xiàn)為繩股移位、鋼絲繩捻距改變,出現(xiàn)繩股內部斷絲及外圍斷絲,其斷口較齊平,并出現(xiàn)斜茬。從鋼絲繩失效表象來看,鋼絲繩屬于疲勞磨損失效,其損傷機理應該屬于受多種應力作用而疲勞失效。繩股內部出現(xiàn)斷絲,說明鋼絲繩在交變拉伸、彎曲、接觸擠壓應力以及振動的作用下,產(chǎn)生了微動滑移磨損。外圍出現(xiàn)斷絲說明鋼絲繩在交變拉伸、彎曲應力的作用下,由于制動、沖擊或過載等引起鋼絲繩蠕動或滑移而產(chǎn)生疲勞磨損或粘著磨損,疲勞磨損為主[4]。出現(xiàn)繩股位移、鋼絲繩捻距改變說明在交變拉伸、沖擊載荷、扭曲應力的作用下,發(fā)生鋼絲繩在導向輪、主導輪上或之間橫向滑移和扭曲,在三角股鋼絲繩內應力和外部交變應力的反復作用下產(chǎn)生累積而失效。

針對鋼絲繩損傷機理,經(jīng)過考察和論證,該礦將提升鋼絲繩更換為圓股鋼絲繩,并降低了箕斗進入卸載曲軌的線速度,以降低箕斗進入曲軌時的沖擊載荷和由此引起的鋼絲繩的振動幅度,并嚴格定期檢查制度,保證鋼絲繩有良好的潤滑。從最近幾年的使用效果看,最短的1 套提升鋼絲繩使用周期為14 個月左右,失效周期明顯遲緩。

2 防治措施

2.1 正確、合理選擇鋼絲繩型號

為在同等載荷條件下降低主導輪(摩擦輪)直徑,有追求高抗拉強度鋼絲繩的趨勢。盡管高抗拉強度鋼絲繩可以承受更大的載荷和抗接觸擠壓能力,但其韌性卻降低了,在彎曲應力和扭轉的工作過程中,較容易產(chǎn)生疲勞磨損失效,因而選擇鋼絲繩時應綜合考慮。選擇鋼絲繩應首先考慮鋼絲繩的使用條件和環(huán)境,鋼絲繩的質量一方面取決于鋼絲性能,另一方面取決于鋼絲繩的品種結構及捻制方法。井筒淋水較大或存在酸堿性環(huán)境,或回風井的提升鋼絲繩,一般需要選擇鍍鋅鋼絲繩;以彎曲疲勞失效為主要因素時,應優(yōu)先選用線接觸或三角股鋼絲繩。對于千米深井,是優(yōu)先選用圓股鋼絲繩,還是多層不旋轉鋼絲繩,或繼續(xù)使用三角股鋼絲繩,應進行充分的論證。如南非Driefontein 金礦,5#混合井采用多繩摩擦式提升機,提升高度1 900 m,投產(chǎn)初期采用三角股鋼絲繩,由于鋼絲繩使用壽命短、磨損嚴重(7 個月左右),后期改為了non-spin 型鋼絲繩(即多層不旋轉鋼絲繩),其使用壽命為3 年左右。

2.2 減少彎曲及接觸應力、避免疲勞損傷

在滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》 (GB 16423—2020)規(guī)定的主導輪直徑與繩徑之比值的前提下,盡量增大主導輪與導向輪(或天輪)的直徑,以減少彎曲應力;在滿足《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2020)規(guī)定的靜防滑安全系數(shù)、動防滑安全系數(shù)以及安全制動減速度小于防滑極限減速度的前提下,適當減小鋼絲繩在主導輪上的圍包角,增加主導輪與導向輪之間的距離,以減少彎曲應力和接觸應力。

在提升系統(tǒng)使用過程中,必須保證鋼絲繩直徑與摩擦襯墊繩槽直徑的合理匹配。若繩槽過小,會擠壓鋼絲繩而產(chǎn)生斷絲;若繩槽過寬,則會使鋼絲繩與繩槽的接觸面積減小,而增加接觸應力,導致過度磨損。同時,要及時進行車削繩槽,保證繩槽直徑差控制在一定精度內,防止出現(xiàn)提升鋼絲繩張力不平衡,不能平均分配載荷,造成個別鋼絲繩過載,導致鋼絲繩在繩槽內蠕動、甚至滑動而產(chǎn)生疲勞磨損。另外,要合理選擇優(yōu)質摩擦襯墊,摩擦襯墊的性能優(yōu)劣與否直接影響提升系統(tǒng)的正常運行和安全性能,優(yōu)質摩擦襯墊應具備機械強度高、耐磨性好、摩擦系數(shù)高而穩(wěn)定、彈性好等特點,優(yōu)質摩擦襯墊也可在一定程度上預防或減緩鋼絲繩張力不平衡的發(fā)生。

2.3 保持鋼絲繩良好的潤滑

保持鋼絲繩良好的潤滑對鋼絲繩的使用壽命影響很大。鋼絲繩維護需要專用的增摩油脂,這種增摩油脂必須具有良好的摩擦系數(shù),同時具備優(yōu)良的附著性、潤滑性、較高的滴點和良好的流動性。鋼絲繩在運行過程中,油脂會隨著使用中損耗、擠脫、抖落,逐步地消耗,需要及時補充。涂浸鋼絲繩增摩油脂,能保持鋼絲繩股與股、絲與絲以及繩與繩槽之間有良好的潤滑,屏蔽環(huán)境腐蝕氣體、液體,減少鋼絲繩磨損、銹蝕,延長鋼絲繩使用壽命,減少換繩停工時間,保障安全。另外,增摩油脂可以在鋼絲繩及鋼絲外圍形成一層油膜,隔離兩摩擦表面,減少粘著磨損和微動滑移磨損,起到延長鋼絲繩使用壽命的作用。

2.4 合理確定提升系統(tǒng)運行參數(shù)

確定合理的制動力矩,并根據(jù)設計確定的制動力矩對提升系統(tǒng)進行正確的調試,防止提升鋼絲繩安全制動時打滑,以及緩解因制動力矩過大而造成的沖擊載荷[5]。

合理確定提升系統(tǒng)運行參數(shù),建議實現(xiàn)加、減速度按可控曲線運行,實現(xiàn)提升系統(tǒng)線速度平滑過渡,消除脈沖現(xiàn)象,減少鋼絲繩的振動和拉伸應力的波動,減少鋼絲繩的微動滑移磨損。

優(yōu)化卸載曲軌軌跡或適當減小提升容器進入卸載曲軌的線速度,減少或消除提升容器進入卸載曲軌時的沖擊載荷,以及在卸載曲軌中運行時的脈沖現(xiàn)象,從而減少鋼絲繩的振動和拉伸應力的波動。

3 結論

提升系統(tǒng)是礦井生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),鋼絲繩在整個提升系統(tǒng)中起著無可替代的作用,在礦山的安全生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。由于提升鋼絲繩在工作過程中的載荷的不確定性,不可避免的產(chǎn)生各種損傷,導致鋼絲繩張力的實際承受能力降低或傷失。通過對鋼絲繩損傷機理的分析,并在實際生產(chǎn)應用中積極的采取有針對性的防治措施,可以有效減緩這些機械損傷、延長鋼絲繩的使用壽命、遏制事故的發(fā)生,對礦井生產(chǎn)的安全運行及礦山經(jīng)濟效益都有十分重要的意義。