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深豎井大噸位提升機高比壓高摩擦因數襯墊的研制
發(fā)布時間：
2023-01-10
來源：
針對深豎井,、大噸位的提升條件下,，摩擦襯墊需要高比壓和高摩擦因數的難題，在工況分析和參數設計的基礎上,，研制了比壓為 2.5 MPa,、摩擦因數為 0.28 的摩擦襯墊，并分別對襯墊的穩(wěn)定性,、抗比壓能力,、硬度特性、壓力特性和磨損情況進行試驗,。委托第三方檢測驗證,，襯墊的比壓試驗值達到 9.8 MPa,，摩擦因數試驗值達到 0.381,，滿足實驗室的指標要求。
礦 井提升機是礦山重要的“咽喉”設備,，承擔著礦物的提升,、人員的上下、材料和設備的運送任務,。多繩摩擦式提升機利用鋼絲繩與襯墊之間的摩擦力來傳遞動力,，襯墊摩擦性能的優(yōu)劣，直接關系到提升機的提升能力,、工作效率和安全可靠性,。
國內摩擦襯墊的材質經歷了聚氯乙烯(PVC)—聚氨酯(CPUR)—新型復合材料的發(fā)展歷程，摩擦因數的設計值從最初的 0.20 提高到現在的 0.25,。目前,，國內使用較多的摩擦襯墊有：德國原裝進口的 K25，利用進口材料在國內壓制的 K25SC、GDM326,，這幾種材質的摩擦襯墊均能滿足現有礦井提升機的選型要求,。近年來，向地球更深處尋找礦物資源已成為國家發(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，開發(fā)能滿足此類提升裝備選型所需的高比壓,、高摩擦因數襯墊迫在眉睫,。
1 襯墊研制的必要性
摩擦襯墊必須有足夠的抗壓強度，以承擔兩側提升鋼絲繩運行時產生的各種動載荷和沖擊載荷,。同時,，摩擦襯墊與鋼絲繩之間必須具有足夠的摩擦因數，以滿足設計生產能力,，并防止提升過程中的滑動,。比壓和摩擦因數是衡量摩擦襯墊性能的 2 個主要參數。
摩擦襯墊的比壓
式中：Tjs為重載側鋼絲繩的靜張力,，kN,；Tjx 為輕載側鋼絲繩的靜張力，kN,；D 為摩擦輪直徑,，mm；d為鋼絲繩直徑,，mm,。
摩擦襯墊的摩擦因數
式中：α 為圍抱角，常取 180°～195°,。
以國家重點研發(fā)計劃《深豎井大噸位高速提升裝備與控制關鍵技術》課題任務書中參數為依據：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，摩擦輪直徑取 6 500 mm,，鋼絲繩直徑取 64 mm,。利用式 (1) 計算可得 P=2.17 MPa。
然而,，現有襯墊比壓在工程應用中被限定為 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,，導致設備過于龐大。因此,，研制深豎井大噸位礦井提升機用比壓為 2.5 MPa,、摩擦因數為 0.28 的高比壓、高摩擦因數襯墊,，對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備選型規(guī)格,。以JKM-4×6 提升機為例,，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,，在采用更高強度鋼絲繩且不降低鋼絲繩安全系數及繩徑比的前提下,，可以采用更小規(guī)格的JKM-3.5×4 提升機,，計算比壓提高至 2.23 MPa,。另一方面，增大襯墊摩擦因數可提高一次有效提升量,。以 JKM-4.5×4 提升機為例,，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%,，可顯著提高設備一次提升量，從而提高產量,。
2 高比壓、高摩擦因數襯墊研制
2.1 工況分析
從摩擦學原理來講,，摩擦襯墊與鋼絲繩之間能產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械性能有關,。工作中摩擦襯墊和鋼絲繩表面狀態(tài)是動態(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，切向力的作用使接點長大和滑脫,。在金屬配對副中,，接點是具有“冷焊”性質的高強度接點，接點的化學粘接是形成接點的主要機理,。按照化學粘接的假設,，提高正壓力會增大接觸面積，提高摩擦力,；提高溫度有利于提高分子的密切接觸,，提高粘接強度；添加少量強基性基團,，可提高粘接強度,。
2.2 襯墊參數設計
2.2.1 襯墊比壓
襯墊的比壓分為測試值、許用值和設計值,，且測試值的 70% 為許用值,，許用值的 70% 為設計值，該現象是鋼絲繩的特殊表面結構造成的,。當襯墊比壓的設計值為 2.5 MPa 時,，許用值應為 5.1 MPa，測試值應為 7.2 MPa,。
2.2.2 襯墊摩擦因數
襯墊摩擦因數也分為測試值、許用值和設計值,。摩擦襯墊測試值為在專用試驗機上進行連續(xù)測試,，取值是所有測試數據的平均值,。許用值由測試值經過計算得出，考慮因素包括最大值,、最小值、數據出現的概率等,。數據離散度越大,，許用值下降幅度越大，一般比測試值低 10%～ 15%,。設計值是設備設計采用的摩擦因數值,。摩擦因數與材料的組織結構有關，也就是說材料確定,，摩擦因數即確定。現代摩擦因數理論認為：一種材料的摩擦因數不是固定不變的,，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,，波動范圍在±10%。
當摩擦因數設計值取 0.28 時,，許用值約為 0.33,，考慮到材料系數波動，測試值必須大于 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,。基體材料選用粉末丁腈橡膠和酚醛樹脂,；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,。
襯墊研制的過程：①按照密煉、開煉,、破碎、壓制的工藝進行產品的試制,；② 通過硬度測試,，密度測試，拉伸,、彎曲,、壓縮性能測試，疲勞彎曲性能測試,，摩擦磨損性能測試,，摩擦因數及磨損率測試，優(yōu)化試驗配方及試制工藝,；③重復以上步驟進行反復試驗,，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測試結果如圖 1 所示,。干凈狀態(tài)下,，最大摩擦因數為 0.680，最小摩擦因數為 0.499,，平均摩擦因數為 0.547,；淋水狀態(tài)下，最大摩擦因數為 0.726,，最小摩擦因數為 0.588,，平均摩擦因數為 0.649；涂脂狀態(tài)下,，最大摩擦因數為 0.455，最小摩擦因數為 0.373,，平均摩擦因數為 0.404,?？梢姡乱r墊的摩擦因數滿足測試值必須大于 0.36 的要求,。
圖1 3 種狀態(tài)下襯墊摩擦因數測試結果
2.4 襯墊穩(wěn)定性試驗
單憑一次試驗遠遠不夠，可能會因偶然因素導致試驗結果偏高或偏低,。在一定時間內進行了多次試驗,，試驗狀態(tài)為涂增摩脂,，試驗結果如圖 2 所示。
圖2 涂脂狀態(tài)下襯墊穩(wěn)定性試驗結果
由圖 2 可以看出,，在涂脂狀態(tài)下,，襯墊摩擦性能較好且穩(wěn)定，平均摩擦因數為 0.45,，滿足測試值必須大于 0.36 的要求,。
2.5 襯墊比壓試驗
制成 3 塊試樣,，編號為 1～ 3 號。在相同試驗條件下,，對摩擦襯墊施加一定的壓力,，設定試驗結束條件為壓縮變形 5 mm。試驗結束后計算比壓值,，結果如表 1 所列,。由表 1 可知，平均比壓為 8.8 MPa,，滿足測試值必須大于 7.2 MPa 的要求,。
表1 襯墊比壓的試驗結果
2.6 襯墊抗比壓能力試驗
將新襯墊與 K25、K25SC 一起,，分別進行 5,、6、7,、8、9,、10,、11 和 12 MPa 條件下抗比壓能力試驗,，以驗證新襯墊的抗比壓能力。根據實際情況可調整壓力工況,，調整到 K25、K25SC 不能承受的比壓為宜,。試驗結果如表 2 所列,。
表2 襯墊抗比壓能力試驗結果
由表 2 可以看出,，與 K25,、K25CS 相比，新襯墊在不同壓力下的變形較??；在 K25、K25CS 開裂的情況下,，新襯墊依然具有較好的抗比壓能力,。可見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
為考察溫度對襯墊性能的影響,，在不同溫度下對新襯墊和 K25、K25SC 的硬度進行了測試,，將測試數據繪制成襯墊溫度特性曲線,，如圖 3 所示,。需要說明的是，硬度值為多點平均值,。
圖3 襯墊溫度特性試驗結果
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
為考察新襯墊的摩擦性能隨壓力變化的情況，測試了新襯墊的壓力特性,，試驗條件為表面干凈狀態(tài)，結果如表 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測試值大于 0.36 的要求,；試驗結果和摩擦理論中壓力增加摩擦因數降低的規(guī)律相吻合。
表3 襯墊壓力特性試驗結果
2.9 磨損試驗
為考察新襯墊的耐磨性能,，進行了磨損試驗,。將新襯墊與GDM326 試樣在相同條件下進行試驗。試驗條件為：室溫為 24 ℃,，壓力為 2.5 MPa,，滑速為8 mm/s，繩徑為 28 mm,，滑動距離為 5 m,，表面狀態(tài)為干凈。試驗結果如表 4 所列,。
表4 襯墊磨損試驗結果
從表 4 可以看出,，同等條件下，新襯墊具有較好的耐磨性能。
3 第三方驗證
委托黎明化工院新材料檢測中心對襯墊比壓進行檢測,。對襯墊施加一定的壓力,，設定結束條件為壓縮變形 5 mm，試驗結束后計算比壓值,。經檢測,，比壓值達到 9.8 MPa，滿足測試值大于 7.2 MPa 的要求,。
委托國家礦山機械質量監(jiān)督檢驗中心對襯墊摩擦因數進行檢測,，試驗條件如下。
(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用愛麗絲 400 型鋼絲繩脂,；
(2) 襯墊壓力為 2.5 MPa；
(3) 襯墊相對于鋼絲繩的滑動速度為 1 m/s,；
(4) 試驗時的環(huán)境溫度為 24 ℃,。
試驗結果如圖 4 所示。經檢測,，襯墊最大摩擦因數為 0.453,，最小摩擦因數為 0.370，平均摩擦因數為 0.411,，許用摩擦因數為 0.381,，滿足測試值大于0.36 的要求。
4 結語
研制了一種深豎井,、大噸位礦井提升機用比壓為2.5 MPa,、摩擦因數為 0.28 的摩擦襯墊，通過對襯墊進行第三方驗證,，摩擦因數達到 0.381,，比壓值達到 9.8 MPa，滿足該類礦井提升機對襯墊高比壓,、高摩擦因數的要求。
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