矿井提升钢丝绳冲击式破断计算及预防

矿井提升钢丝绳冲击式破断计算及预防摘要：钢丝绳作为矿井运输提升的重要工具，其使用安全性能至关重要。钢丝绳在作业过程中破断的原因有很多，主要有锈蚀、磨损、疲劳、过载以及冲击等几种形式，因此必须选择合适的钢丝绳，才能保证安全生产。本文主要提出了钢丝绳冲击式破断力的计算模型，以便使用者能够估算钢丝绳的破断力，从而选用最合适的钢丝绳。并在此基础上提出了钢丝绳冲击式破断的预防措施。关键词：矿井；钢丝绳；破断力；冲击；计算；预防；钢丝绳是矿井提升设备的部件之一，主要用于运输矿石、石碴、工作人员或者下放材料，是连接井下作业和地面作业的枢纽。钢丝绳的安全与否严重关系到人身安全的问题。在实际生产过程中，会偶尔突发一些钢丝绳断裂的事故，给矿山造成了很大的经济损失和人员伤亡。冲击断裂是钢丝绳断裂的一种，主要由以下原因引起。一是当绳子松弛的时候突然受到下放物体自重引起的冲击力；二是钢丝绳在提升物体的时候发生了卷曲的现象，从而使钢丝绳受到了冲击力；三是提升容器在运行中脱轨或卡阻致使钢丝绳受力发生变化而产生冲击力；四是提升的容器内的材料摆放不平衡或者在提升的过程中某些材料掉落等等使钢丝绳受到冲击力。本文详细研究了钢丝绳冲击式破断力计算的模型，希望能为钢丝绳的安全使用提高保障。一、简易的计算方法简易的估算方法中需要将钢丝绳的直径进行转化，使其变为1/2n的形式，然后根据下列模型估算钢丝绳的破断力：F0=D02/2 公式1其中F0表示破断力，单位为KN；D0表示钢丝绳的公称直径；单位为mm。笔者将不同的公称直径对应的破断力列在了表1中。表中所列出的是理论值，在实际中要考虑到钢丝绳的锈蚀、断丝等因素。从表中可以看出，钢丝绳的公称直径越大，其破断力值就越大，当然表中所列数值仅供经验估算值。表1钢丝绳公称直径与破断力的关系钢丝绳公称直径（单位：毫米）破断力大小（单位：千牛）2020.52224.82429.52634.62840.13046.1二、国标的要求国标规定最小的钢丝绳破断力的计算方法如下：F=KD2R/1000 公式2其中F代表钢丝绳的破断力，单位为千牛；K是一个常数，可以在相关的表格中找到，代表破断拉力系数；R代表钢丝绳的公称抗拉强度，单位为兆帕；D是钢丝绳的工程公称直径，单位为毫米。由公式2可知，钢丝绳的破断力随着钢丝绳的公称强度和公称直径的增大而增大，具体的如图1所示。乙％02L222324253627282930钢丝绳公称直径mm图1不同工程强度和不同公称直径钢丝绳与破断力的关系图三、钢丝绳破断实验以及结果分析为了得到可靠的钢丝绳破断力计算模型，笔者进行了大量的钢丝绳破断试验数据对比。试验过程严格遵守GB8918-2006的标准。试验过程中选取了具有代表性的公称直径分别为20、22、24、26、28毫米的钢丝绳，试验所得数据如下图所示：

图2试验结果分布图表2破断力的均值和标准差钢丝绳的公称直径（毫米）试验数据数量破断力的平均值（千牛）破断力值标准差204275.9/2211324.927.62413429.832.4266482.9837.9287542.5963.692U22 2+ 2*2U22 2+ 2*2S公祢肯役~un四、矿井提升钢丝绳冲击式破断力计算模型根据试验得到的大量数据，笔者提出了两种计算模型，即最悲观的估算方法和最可能的估算方法。最悲观的估算方法是指根据钢丝绳破断的最小值来计算，是一种非常安全可靠的方法。将表2中的数据进行不同的曲线拟合得到的两个公式：F1=0.04524D2.705+104.8 公式3F2=56.61e0.0759D 公式4公式3是由幕函数拟合得到，公式4是由指数函数拟合得到。最可能的估算方法是根据钢丝绳破断力的平均值进行计算的，有较强的实际意义。使用幕函数和指数函数拟合分别得到了以下的结果：F1=0.09054D2.557+99.9 公式5F2=63.751e0.077D 公式6在实际运用中，钢丝绳的冲击破断亦可用动量公式P=M・V进行测算，此时P值用出厂钢丝绳铭牌标注的最小破断拉力带入，从而确定提升质量与速度的关系，对保证安全生产有很好的参考价值。五、实例分析建立了上面的估算方法之后，笔者对三种不同型号的钢丝绳进行了破断力的估算，结合破断试验数据，对比计算数据如表3.表3数据分析钢丝绳编号试验数据（千牛）悲观估算方法（千牛）最可能估算方法（千牛）幕函数指数函数幕函数指数函数1948837.9868.7963.71020.52162186.4187.9207.8218.53402349.6405.7405.9404.9从表3可以看出，3号钢丝绳的拟合误差最小，仅1%。但是1号和2号钢丝绳的模拟误差较大，这存在着一定的客观原因。首先此模型适合公称直径在20-28mm的钢丝绳，对于这个范围之外的钢丝绳估算误差就可能会偏大。除此之外，钢丝绳本身的质量以及试验样品制作等方面的因素也会引起估算的误差。总而言之，本文中所提出的钢丝绳破断力的估算模型是有一定的实用价值的，对选用矿井提升钢丝绳有着很大的指导意义。六、钢丝绳破断的预防措施锈蚀的防御措施首先，由于提升钢丝绳常年处在酸碱度较高的井中，因而很容易被侵蚀。因而在选用钢丝绳的时候，一定要注意其表面是否有镀锌层。其次，必须对钢丝绳进行定期的润滑保养。润滑保养不仅仅可以补充绳上流失的润滑油，还可以在一定程度上保护绳子外部的钢丝免受侵蚀。在使用润滑油的时候，一定要检验其是否符合相关的规定，不能对钢丝绳有腐蚀作用。在补充润滑油的时候，必须先将钢丝绳表面的锈迹清洗干净。只有这样，润滑油才能流到绳芯，对绳芯起到保护作用。润滑油要有一定的透明度，以便对钢丝绳的质量进行检测。磨损的预防措施一是要尽量使钢丝绳避免遭到撞击，以及绳索的打缠情况的出现；二是选用绳的捻向与钢丝绳在滚筒上的缠绕方向一致的钢丝绳，这样可以减小钢丝绳内部的摩擦。三是在斜井提升的环境下，应该选用面接触钢丝绳或者外层钢丝较粗的钢丝绳。四是定期检查钢丝绳的断丝情况，一旦出现断丝现象，必须及时采取修复的措施。五是为了皮面钢丝绳与绳之间的磨损，应该定期地对钢丝绳进行股与股之间的调整。疲劳的预防措施一是要尽量降低钢丝绳的弯曲应力，因此绳轮直径和钢丝绳公称直径的比值应该要满足一定的使用要求。二是提升机在启动的过程中不应太快，否则绳中的拉伸应力变化就会很大，从而引起疲劳强度的增大。过载的预防措施箕斗应该要限量，可以采取定量斗箱式和定量输送机式装载方法，严禁超重的现象出现。冲击的防御措施当钢丝绳受到冲击力的时候，对其使用寿命的影响非常大。因此，为了减小钢丝绳所受的冲击力，就必须控制住提升机制动时候的速度，一般要低于5m/s2。提升机的拖动装置的频率要很低。在提升的过程中，要保证箕斗中的装料不会晃动或者掉料，可以通过安装溜煤板等装置来调节箕斗的中心位置，减少箕斗给钢丝绳带来的冲击和震动。七、结束语钢丝绳是矿井提升设备的部件之一，是连接井下作业和地面作业的枢纽，是保障安全生产的重要环节。矿井提升钢丝绳的断裂事故在现实生产中经常出现，因此必须对钢丝绳的安全使用性能引起高度的重视。本文提出了钢丝绳冲击式破断力的计算模型，在选用钢丝绳的时候能提供一定的指导作用。在钢丝绳的使用过程中，一定要做好钢丝绳的保养与预防措施，从而保证钢丝绳在矿井中安全地提升物体。参考文献中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB8918-2006重要用途钢丝绳[S].北京：中国标准出版社，2006.景天虎.固定载荷模式下钢丝绳疲劳寿命的预测模型初探[J].矿山机械，2007,35(11):76-78.胡大明，陈开谱，孙勇.水泵效率曲线拟合的Matlab-GUI设计[J].中国农村水利水电，2008(9):93