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深豎井大噸位提升機(jī)高比壓高摩擦因數(shù)襯墊的研制

2023-07-02 閱讀次數(shù):791


導(dǎo)讀



針對(duì)深豎井、大噸位的提升條件下,摩擦襯墊需要高比壓和高摩擦因數(shù)的難題,在工況分析和參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,研制了比壓為 2.5 MPa、摩擦因數(shù)為 0.28 的摩擦襯墊,并分別對(duì)襯墊的穩(wěn)定性、抗比壓能力、硬度特性、壓力特性和磨損情況進(jìn)行試驗(yàn)。委托第三方檢測(cè)驗(yàn)證,襯墊的比壓試驗(yàn)值達(dá)到 9.8 MPa,摩擦因數(shù)試驗(yàn)值達(dá)到 0.381,滿足實(shí)驗(yàn)室的指標(biāo)要求。

礦 井提升機(jī)是礦山重要的“咽喉”設(shè)備,承擔(dān)著礦物的提升、人員的上下、材料和設(shè)備的運(yùn)送任務(wù)。多繩摩擦式提升機(jī)利用鋼絲繩與襯墊之間的摩擦力來(lái)傳遞動(dòng)力,襯墊摩擦性能的優(yōu)劣,直接關(guān)系到提升機(jī)的提升能力、工作效率和安全可靠性。

國(guó)內(nèi)摩擦襯墊的材質(zhì)經(jīng)歷了聚氯乙烯(PVC)一聚氨醋(CPUR)一新型復(fù)合材料的發(fā)展歷程,摩擦因數(shù)的設(shè)計(jì)值從最初的 0.20 提高到現(xiàn)在的0 .25。目前,國(guó)內(nèi)使用較多的摩擦襯墊有: 德國(guó)原裝進(jìn)口的襯墊,利用進(jìn)口材料在國(guó)內(nèi)壓制的襯墊,這幾種材質(zhì)的摩擦襯墊均能滿足現(xiàn)有礦井提升機(jī)的選型要求。近年來(lái),向地球更深處尋找礦物資源已成為國(guó)家發(fā)展的重要戰(zhàn)略,研發(fā)深豎井、大噸位礦井提升裝備成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì),開(kāi)發(fā)能滿足此類(lèi)提升裝備選型所需的高比壓、高摩擦因數(shù)襯墊迫在眉睫。


1 襯墊研制的必要性

摩擦襯墊必須有足夠的抗壓強(qiáng)度,以承擔(dān)兩側(cè)提升鋼絲繩運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各種動(dòng)載荷和沖擊載荷。同時(shí),摩擦襯墊與鋼絲繩之間必須具有足夠的摩擦因數(shù),以滿足設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力,并防止提升過(guò)程中的滑動(dòng)。比壓和摩擦因數(shù)是衡量摩擦襯墊性能的 2 個(gè)主要參數(shù)。

以國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《深豎井大噸位高速提升裝備與控制關(guān)鍵技術(shù)》課題任務(wù)書(shū)中參數(shù)為依據(jù):提升深度為 2 000 m;提升速度大于 18 m/s;有效載荷大于50 t?;谶@些參數(shù),摩擦輪直徑取 6 500 mm,鋼絲繩直徑取 64 mm。利用式 (1) 計(jì)算可得 P=2.17 MPa。

然而,現(xiàn)有襯墊比壓在工程應(yīng)用中被限定為 2.0 MPa,要滿足此要求,不得不加大摩擦輪直徑或鋼絲繩直徑,或增加鋼絲繩繩數(shù),導(dǎo)致設(shè)備過(guò)于龐大。因此,研制深豎井大噸位礦井提升機(jī)用比壓為 2.5 MPa、摩擦因數(shù)為 0.28 的高比壓、高摩擦因數(shù)襯墊,對(duì)于深部建井和提升是十分必要的。

一方面,增大襯墊比壓可降低設(shè)備選型規(guī)格。以JKM-4×6 提升機(jī)為例,最大靜張力為 1 200 kN,最大靜張力差為 340 kN,鋼絲繩最大直徑為 44 mm,比壓計(jì)算值為 1.95 MPa。如果將比壓許用值從 2 MPa 提高至 2.5 MPa,在采用更高強(qiáng)度鋼絲繩且不降低鋼絲繩安全系數(shù)及繩徑比的前提下,可以采用更小規(guī)格的JKM-3.5×4 提升機(jī),計(jì)算比壓提高至 2.23 MPa。另一方面,增大襯墊摩擦因數(shù)可提高一次有效提升量。以 JKM-4.5×4 提升機(jī)為例,最大靜張力為 980 kN,最大靜張力差為 340 kN,假定鋼絲繩圍抱角為 185°,在其他條件不變的情況下,摩擦因數(shù)由 0.25 提高至0.28,則最大靜張力差提高約 17%,可顯著提高設(shè)備一次提升量,從而提高產(chǎn)量。

2 高比壓、高摩擦因數(shù)襯墊研制

2.1 工況分析

從摩擦學(xué)原理來(lái)講,摩擦襯墊與鋼絲繩之間能產(chǎn)生犁切分量和粘著分量,犁切分量主要與材料的表面粗糙度及物理機(jī)械性能有關(guān)。工作中摩擦襯墊和鋼絲繩表面狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的,表面粗糙度存在難以控制的因素,犁切分量的影響存在不可預(yù)知性和不確定性,因此有效地提高粘著分量是提高襯墊摩擦性能的可靠保證。

根據(jù)粘著摩擦理論,摩擦副表面的接觸主要發(fā)生在微凸體的頂端,在法向力的作用下形成接點(diǎn),切向力的作用使接點(diǎn)長(zhǎng)大和滑脫。在金屬配對(duì)副中,接點(diǎn)是具有“冷焊”性質(zhì)的高強(qiáng)度接點(diǎn),接點(diǎn)的化學(xué)粘接是形成接點(diǎn)的主要機(jī)理。按照化學(xué)粘接的假設(shè),提高正壓力會(huì)增大接觸面積,提高摩擦力;提高溫度有利于提高分子的密切接觸,提高粘接強(qiáng)度;添加少量強(qiáng)基性基團(tuán),可提高粘接強(qiáng)度。

2.2 襯墊參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 襯墊比壓

襯墊的比壓分為測(cè)試值、許用值和設(shè)計(jì)值,且測(cè)試值的 70% 為許用值,許用值的 70% 為設(shè)計(jì)值,該現(xiàn)象是鋼絲繩的特殊表面結(jié)構(gòu)造成的。當(dāng)襯墊比壓的設(shè)計(jì)值為 2.5 MPa 時(shí),許用值應(yīng)為 5.1 MPa,測(cè)試值應(yīng)為 7.2 MPa。

2.2.2 襯墊摩擦因數(shù)

襯墊摩擦因數(shù)也分為測(cè)試值、許用值和設(shè)計(jì)值。摩擦襯墊測(cè)試值為在專(zhuān)用試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行連續(xù)測(cè)試,取值是所有測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值。許用值由測(cè)試值經(jīng)過(guò)計(jì)算得出,考慮因素包括最大值、最小值、數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率等。數(shù)據(jù)離散度越大,許用值下降幅度越大,一般比測(cè)試值低 10%~ 15%。設(shè)計(jì)值是設(shè)備設(shè)計(jì)采用的摩擦因數(shù)值。摩擦因數(shù)與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān),也就是說(shuō)材料確定,摩擦因數(shù)即確定?,F(xiàn)代摩擦因數(shù)理論認(rèn)為:一種材料的摩擦因數(shù)不是固定不變的,在正常使用情況下,它隨著使用工況的變化而變化,工況突變,變化較大,波動(dòng)范圍在±10%。

當(dāng)摩擦因數(shù)設(shè)計(jì)值取 0.28 時(shí),許用值約為 0.33,考慮到材料系數(shù)波動(dòng),測(cè)試值必須大于 0.36。

2.3 襯墊研制

襯墊材料主要成分包括基體材料、添加劑和填充劑?;w材料選用粉末丁腈橡膠和酚醛樹(shù)脂;添加劑選用不溶性硫磺和 DTDM;填充劑包括氣相白炭黑、氧化鋁和硫酸鈣晶須等。

襯墊研制的過(guò)程:①按照密煉、開(kāi)煉、破碎、壓制的工藝進(jìn)行產(chǎn)品的試制;② 通過(guò)硬度測(cè)試,密度測(cè)試,拉伸、彎曲、壓縮性能測(cè)試,疲勞彎曲性能測(cè)試,摩擦磨損性能測(cè)試,摩擦因數(shù)及磨損率測(cè)試,優(yōu)化試驗(yàn)配方及試制工藝;③重復(fù)以上步驟進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn),最終得到滿足性能需求的摩擦襯墊。

最終得到的襯墊摩擦因數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖 1 所示。干凈狀態(tài)下,最大摩擦因數(shù)為 0.680,最小摩擦因數(shù)為 0.499,平均摩擦因數(shù)為 0.547;淋水狀態(tài)下,最大摩擦因數(shù)為 0.726,最小摩擦因數(shù)為 0.588,平均摩擦因數(shù)為 0.649;涂脂狀態(tài)下,最大摩擦因數(shù)為 0.455,最小摩擦因數(shù)為 0.373,平均摩擦因數(shù)為 0.404??梢?jiàn),新襯墊的摩擦因數(shù)滿足測(cè)試值必須大于 0.36 的要求。

2.4 襯墊穩(wěn)定性試驗(yàn)

單憑一次試驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,可能會(huì)因偶然因素導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏高或偏低。在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了多次試驗(yàn),試驗(yàn)狀態(tài)為涂增摩脂,

2.5 襯墊比壓試驗(yàn)

制成 3 塊試樣,編號(hào)為 1~ 3 號(hào)。在相同試驗(yàn)條件下,對(duì)摩擦襯墊施加一定的壓力,設(shè)定試驗(yàn)結(jié)束條件為壓縮變形 5 mm。試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算比壓值,結(jié)果如表 1 所列。由表 1 可知,平均比壓為 8.8 MPa,滿足測(cè)試值必須大于 7.2 MPa 的要求。

2.6 襯墊抗比壓能力試驗(yàn)

將新襯墊與舊襯墊 一起,分別進(jìn)行 5、67、8、9、10、11和12MPa 條件下抗比壓能力試驗(yàn),以驗(yàn)證新襯墊的抗比壓能力。根據(jù)實(shí)際情況可調(diào)整壓力工況,調(diào)整到舊襯墊不能承受的比壓為宜。

由表2可以看出,與舊襯墊相比,新襯墊在不同壓力下的變形較小;在舊襯墊開(kāi)裂的情況下,新襯墊依然具有較好的抗比壓能力。可見(jiàn)新襯墊適用于超深井、高比壓工況。

2.7 硬度的溫度特性試驗(yàn)

為考察溫度對(duì)襯墊性能的影響,在不同溫度下對(duì)新襯墊和 K25、K25SC 的硬度進(jìn)行了測(cè)試,將測(cè)試數(shù)據(jù)繪制成襯墊溫度特性曲線,如圖 3 所示。需要說(shuō)明的是,硬度值為多點(diǎn)平均值。

    由圖 3 可以看出,新襯墊的硬度比 K25 和 K25SC高;硬度隨溫度的變化趨勢(shì)與 K25 和 K25SC 相似;新襯墊的耐高溫性能較好。



2.8 壓力特性試驗(yàn)

為考察新襯墊的摩擦性能隨壓力變化的情況,測(cè)試了新襯墊的壓力特性,試驗(yàn)條件為表面干凈狀態(tài),結(jié)果如表 3 所列。從表 3 可以看出,不同壓力下,新襯墊完全滿足摩擦因數(shù)測(cè)試值大于 0.36 的要求;試驗(yàn)結(jié)果和摩擦理論中壓力增加摩擦因數(shù)降低的規(guī)律相吻合。

2.9 磨損試驗(yàn)

為考察新襯墊的耐磨性能,進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。將新襯墊與 K25、K25SC 試樣在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為:室溫為 24 ℃,壓力為 2.5 MPa,滑速為8 mm/s,繩徑為 28 mm,滑動(dòng)距離為 5 m,表面狀態(tài)為干凈。試驗(yàn)結(jié)果如表 4 所列。

3 第三方驗(yàn)證

委托黎明化工院新材料檢測(cè)中心對(duì)襯墊比壓進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)襯墊施加一定的壓力,設(shè)定結(jié)束條件為壓縮變形 5 mm,試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算比壓值。經(jīng)檢測(cè),比壓值達(dá)到 9.8 MPa,滿足測(cè)試值大于 7.2 MPa 的要求。

委托國(guó)家礦山機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)襯墊摩擦因數(shù)進(jìn)行檢測(cè),試驗(yàn)條件如下。

(1) 襯墊及鋼絲繩表面狀態(tài)為涂增摩脂,增摩脂為摩擦提升專(zhuān)用愛(ài)麗絲 400 型鋼絲繩脂;

(2) 襯墊壓力為 2.5 MPa;

(3) 襯墊相對(duì)于鋼絲繩的滑動(dòng)速度為 1 m/s;

(4) 試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度為 24 ℃。

試驗(yàn)結(jié)果如圖 4 所示。經(jīng)檢測(cè),襯墊最大摩擦因數(shù)為 0.453,最小摩擦因數(shù)為 0.370,平均摩擦因數(shù)為 0.411,許用摩擦因數(shù)為 0.381,滿足測(cè)試值大于0.36 的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

研制了一種深豎井、大噸位礦井提升機(jī)用比壓為2.5 MPa、摩擦因數(shù)為 0.28 的摩擦襯墊,通過(guò)對(duì)襯墊進(jìn)行第三方驗(yàn)證,摩擦因數(shù)達(dá)到 0.381,比壓值達(dá)到 9.8 MPa,滿足該類(lèi)礦井提升機(jī)對(duì)襯墊高比壓、高摩擦因數(shù)的要求。