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塑襯線膨脹系數(shù)對公差的影響

發(fā)布時間：

2024-03-07

來源：

    塑襯作為纏繞式提升機的常用部件，塑襯材料和卷筒材料的線膨脹系數(shù)不同，二者隨溫度變化存在變形。介紹了線膨脹系數(shù)對塑襯長度、節(jié)距和寬度的影響，分析了溫度變化下的塑襯變形，給出了塑襯長度、節(jié)距以及寬度等參數(shù)或推薦公差，為塑襯的設(shè)計和生產(chǎn)單位提供參考。

    礦井提升機是聯(lián)系礦山地面與井下的重要裝備，主要用于將工作面的礦石及廢石輸送到地面，提升或下放地下生產(chǎn)所必須的材料和物質(zhì)，運輸人員等，是礦山的咽喉裝備。單繩纏繞式礦井提升機在礦山的應(yīng)用非常廣泛，這種提升機的工作原理為：提升鋼絲繩的一端固定在提升機的卷筒上，在卷筒上纏繞后，繞過天輪并提起井筒中的提升容器，通過提升機卷筒轉(zhuǎn)動控制鋼絲繩在卷筒上的收放，從而完成提升容器的提升或者下放。提升鋼絲繩在卷筒上的纏繞和排繩情況，不僅影響鋼絲繩的使用壽命，還直接影響提升系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

    目前，國產(chǎn)纏繞式提升機大多配備了螺旋繩槽塑料襯板 (以下簡稱塑襯)，其材質(zhì)是工程塑料，塑襯上加工有螺旋排列的繩槽。塑襯具有質(zhì)量輕、機械強度較高、耐磨、耐油、耐潮濕等特點；它使用方便，具有良好的經(jīng)濟性。塑襯材質(zhì)的彈性模量低于鋼襯，可以降低鋼絲繩與繩槽的接觸應(yīng)力，從而減少鋼絲繩的磨損，延長鋼絲繩的使用壽命。

    塑襯在我國提升機上已成功應(yīng)用了數(shù)十年。近年來，我國地下礦產(chǎn)資源的開采向深層擴展，開采深度不斷增加，纏繞式提升機的規(guī)格越來越大，卷筒寬度越來越寬，應(yīng)用塑襯的提升機規(guī)格也隨之越來越大。卷筒直徑已經(jīng)從最初的 1.6 m 增大到 5.5 m，甚至 6.0 m；卷筒寬度已經(jīng)從最初的 1.2 m 增加到 3.0 m以上。塑襯與卷筒采用不同材質(zhì)，兩者的線膨脹系數(shù)并不相同。在溫度變化時，線膨脹系數(shù)對塑襯尺寸的影響已不可忽略，本研究主要探討線膨脹系數(shù)對塑襯尺寸的影響，并提出相應(yīng)的建議。

1 塑襯

1.1 塑襯的結(jié)構(gòu)及安裝

    單繩纏繞式礦井提升機的總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，塑襯的結(jié)構(gòu)及其在提升卷筒上的安裝如圖 2 所示。塑襯安裝在兩擋繩板之間，用螺栓組件固定在卷筒上。

圖1 纏繞式提升機的結(jié)構(gòu)

1.制動器 2.主軸裝置 3.塑襯 4.潤滑站 5.減速器 6.電動機 7.深度指示器 8.液壓站

圖2 塑襯的結(jié)構(gòu)及其在卷筒上的安裝示意

1.2 塑襯的生產(chǎn)與裝配

    塑襯生產(chǎn)及安裝的主要步驟如下：

    (1) 調(diào)配塑襯材料，裝入擠出機；

    (2) 加熱擠出機；

    (3) 將塑襯材料從擠出機中擠出；

    (4) 將擠出的塑襯材料放入模具中壓制；

    (5) 削除塑襯飛邊；

    (6) 壓制塑襯繩槽；

    (7) 劃線，采用鋸床將塑襯加工出所需長度；

    (8) 加工塑襯底部倒角；

    (9) 給每塊塑襯編號；

    (10) 將塑襯運輸至提升機安裝車間；

    (11) 在塑襯上鉆孔，逐塊將塑襯安裝到卷筒上；

    (12) 修配安裝最后一塊塑襯。至此，塑襯安裝完畢。

    塑襯應(yīng)用于纏繞式礦井提升機上，塑襯的主要參數(shù)有塑襯長度 L、節(jié)距 T、繩槽半徑 R、上表面寬度B、下表面寬度 b 等。纏繞式提升機應(yīng)在無爆炸介質(zhì)、空氣溫度為 5～ 40℃ 的環(huán)境中工作。可見，塑襯應(yīng)用的最低溫度為 5℃，最高溫度為 40℃。同時，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，塑襯尺寸要在標(biāo)準(zhǔn)溫度 23±2℃ 的狀態(tài)下靜置 24 h 后再進行測量。根據(jù)塑襯的加工過程，上述參數(shù)采用的工序和測量時的溫度如表 1 所列。

表1 塑襯主要參數(shù)所采用的工序、檢測與應(yīng)用溫度

    由表 1 可知，以平均檢測溫度 23℃ 考慮，塑襯最高應(yīng)用溫度為 40℃，比檢測溫度高 17℃；最低應(yīng)用溫度為 5℃，比檢測溫度低 18℃。以此為條件，計算隨溫度變化時塑襯與卷筒的相對變形量。

    需要注意的是，采用鋸床加工塑襯長度時，如果環(huán)境溫度并不是國標(biāo)規(guī)定的 23±2℃，而是低于該溫度 (這種情況在冬季加工塑襯時較容易出現(xiàn))，則可能出現(xiàn)溫升變化大于 17℃ 的情況；如在環(huán)境溫度為5℃ 的情況下，鋸出塑襯長度，而提升機現(xiàn)場最高溫度達到 40℃，則溫升可能高達 35℃。

2 塑襯與卷筒材料的相對變形

    塑襯采用工程塑料，安裝在金屬材質(zhì) (Q345) 的卷筒上，兩種材質(zhì)的線膨脹系數(shù)存在顯著不同。溫度變化時，因工程塑料的線膨脹系數(shù)大于 Q345 的線膨脹系數(shù)，兩種材料存在變形，其計算公式如下：

    兩種材料之間的相對變形

    式中：ΔL塑 為塑襯的變形量，mm；α塑 為工程塑料的線膨脹系數(shù)，α塑=(10.8～ 11.2)×10-5/℃；αQ345 為Q345 的線膨脹系數(shù)，αQ345=(10.6～ 12.2)×10-6/℃；Ly 為材料初始長度，mm；Δt 為溫度變化量，℃。

3 線膨脹系數(shù)對塑襯長度的影響

3.1 塑襯長度的設(shè)計及影響因素

    塑襯安裝在提升機卷筒的兩擋繩板之間，其長度的設(shè)計公稱尺寸與卷筒寬度尺寸相同?？紤]到擋繩板本身的形位公差以及可能發(fā)生的變形、擋繩板和卷筒表面的潔凈度、塑襯安裝時可能發(fā)生傾斜等因素，目前塑襯的設(shè)計與生產(chǎn)單位通常按照提升卷筒寬度減去 5～ 10 mm 來設(shè)計塑襯長度的極限尺寸。這也符合 JB/T 10994—2010《纏繞式礦井提升設(shè)備用塑料襯板》中對塑襯長度的規(guī)定。經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)制定單位的交流，了解到該規(guī)定并未考慮溫度變化對塑襯長度的影響。

3.2 溫度變化及相對變形量

    塑襯長度由鋸床加工，檢測溫度為加工時車間的環(huán)境溫度。若冬天加工而成，則環(huán)境溫度為 5 ℃ 左右，和使用溫度相比，溫差為 35 ℃。由式 (1)～ (3)可計算塑襯長度與相對變形量的關(guān)系，如圖 3 所示。

圖3 塑襯長度與卷筒寬度的相對變形

3.3 選擇與建議

    在溫升達到 35 ℃ 時，3.0、3.5 m 兩種寬度規(guī)格的卷筒 (相當(dāng)于塑襯長度為 3 000、3 500 mm) 的相對變形都大于 10 mm。按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和設(shè)計習(xí)慣，這必然會出現(xiàn)塑襯擠壓擋繩板的現(xiàn)象 (見圖 4)。擋繩板的設(shè)計主要考慮多層纏繞時鋼絲繩對擋繩板的軸向推力，未考慮溫升后塑襯對擋繩板的擠壓作用。塑襯的擠壓可能會導(dǎo)致?lián)趵K板變形損壞，并對提升系統(tǒng)的安全造成不利影響。

圖4 塑襯膨脹對擋繩板的擠壓

1.筒殼 2.擋繩板 3.塑襯

根據(jù)圖 3，建議采用式 (4) 計算并確定塑襯長度的上極限偏差：

    式中：A 為塑襯長度的上極限偏差，mm；L 為卷筒寬度，mm。

    上極限偏差確定后，再根據(jù)提升機擋繩板及筒殼的具體情況確定下極限偏差。根據(jù)車間安裝經(jīng)驗，推薦下極限偏差為 (A-2)～ (A-3)。

4 線膨脹系數(shù)對塑襯節(jié)距的影響

4.1 節(jié)距的設(shè)計及影響因素

    鋼絲繩在塑襯上的纏繞及塑襯節(jié)距如圖 5 所示。鋼絲繩在塑襯上纏繞，若節(jié)距過小，則鋼絲繩繩圈之間易發(fā)生接觸，加劇鋼絲繩磨損；若節(jié)距過大，則影響纏繞的平穩(wěn)性。JB/T 10994—2010《纏繞式礦井提升設(shè)備用塑料襯板》對節(jié)距進行了推薦，如表 2 所列。

圖5 鋼絲繩的纏繞情況與塑襯節(jié)距

1.鋼絲繩 2.塑襯

表2 推薦節(jié)距

    南非等國的相關(guān)規(guī)程規(guī)定纏繞式提升系統(tǒng)的繩槽節(jié)距

    式中：a 為系數(shù)，一層以上纏繞時取 1.055～ 1.070；φ為鋼絲繩直徑，mm。

4.2 溫度變化及節(jié)距變形量

    塑襯節(jié)距是在繩槽壓制完成后、在規(guī)定溫度下測量的，將式 (5) 代入式 (1)，可得：

    式中：α塑 為工程塑料的線膨脹系數(shù)，本次計算取11.2×10-5/℃；Δt 為溫度變化量，分別取 17 ℃ 和-18 ℃。

    計算可得，溫差為 17 ℃ 時，ΔT塑1=0.002 φ；溫差為 -18 ℃ 時，ΔT塑2=-0.002 2 φ。

    由此可得，在常用規(guī)格鋼絲繩直徑條件下，在溫度變化時線膨脹系數(shù)對塑襯節(jié)距相對變形量的影響如表 3 所列。

表3 線膨脹系數(shù)對塑襯節(jié)距的影響

4.3 選擇與建議

    纏繞式提升機塑襯節(jié)距的設(shè)計，一般要大于鋼絲繩的直徑偏差。GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》中 6.2.3.2 規(guī)定，“鋼絲繩的實測直徑，其偏差為：圓股，異形股。根據(jù)計算結(jié)果并經(jīng)過與塑襯生產(chǎn)廠家討論，建議在按照式 (5) 設(shè)計塑襯節(jié)距時，將系數(shù) a 修正為 1.057～ 1.068；同時，建議廠家根據(jù)提升機所配套的鋼絲繩型號考慮鋼絲繩的直徑偏差，來決定具體節(jié)距值。

5 線膨脹系數(shù)對塑襯寬度的影響

5.1 塑襯寬度的設(shè)計及影響因素

    塑襯在卷筒上的分布如圖 6 所示。通常，主要根據(jù)提升機的規(guī)格、塑襯根數(shù)、塑襯厚度等參數(shù)，來設(shè)計塑襯寬度 B 和b 的公稱尺寸。

    根據(jù) JB/T 10994—2010《纏繞式礦井提升設(shè)備用塑料襯板》中規(guī)定的提升機規(guī)格、塑襯根數(shù)和厚度，計算 B 和 b 的公稱尺寸，如表 4 所列。

圖6 塑襯在卷筒上的分布

1.擋繩板 2.塑襯 3.安裝螺栓組件 4.卷筒筒殼

表4 不同規(guī)格的提升機所采用的塑襯參數(shù)

    在寬度尺寸 B和 b 的公差設(shè)計方面，目前塑襯生產(chǎn)廠家在設(shè)計塑襯時，習(xí)慣將公差定為 提升機出廠前，塑襯在裝配車間逐塊安裝到提升機卷筒上，為了保證排列緊密，安裝時每塊塑襯之間盡量壓緊，最后一塊塑襯需要進行修配。

5.2 溫度變化及變形量

    塑襯通常在車間內(nèi)完成安裝。塑襯如果在冬天安裝，夏天時，則溫升為 35℃，塑襯將發(fā)生膨脹變形。

    線膨脹系數(shù)對塑襯寬度公差的影響分為兩種情況，一種是單塊塑襯的寬度變化；另一種是整個圓周方向累積塑襯的寬度變化。根據(jù)表 4 數(shù)值，利用式(3) 進行相關(guān)計算，可得塑襯寬度 B 和 b 的相對變形量如表 5 所列。

表5 線膨脹系數(shù)對塑襯寬度及卷筒圓周變形的影響

    由表 5 可知，卷筒規(guī)格為 3.5 m 時，單塊塑襯變形最大，上寬度 B 的相對變形量為 0.30 mm，下寬度b 的相對變形量為 0.28 mm；卷筒規(guī)格為 1.6 m 時，單塊塑襯變形最小，上寬度 B 的相對變形量為 0.22 mm，下寬度 b 的相對變形量為 0.20 mm。提升機卷筒直徑越大，塑襯的外圓周累積變形越大，4 m 規(guī)格提升機的塑襯累積變形最大，外圓周變形為 44.51 mm，內(nèi)圓周變形為 42.4 mm。

5.3 選擇與建議

    目前塑襯生產(chǎn)廠家在設(shè)計塑襯時，習(xí)慣將塑襯寬度公差定為 。在塑襯安裝時，裝配車間反映安裝及修配困難。根據(jù)表 5 所列，單塊塑襯的變形量較小，但其在圓周上的累積變形量不可忽略。這個變形量可能導(dǎo)致塑襯的擠壓變形，對卷筒和塑襯的使用壽命帶來不利影響。

    因此，建議生產(chǎn)廠家將該塑襯的寬度 B 和 b 的公差改為 同時，塑襯安裝時，要保證各塊塑襯之間留有均勻的間隙，避免溫升以后塑襯膨脹出現(xiàn)相互擠壓的現(xiàn)象。

6 結(jié)論

    (1) 溫度變化時，塑襯的長度變化與其尺寸線性相關(guān)。建議塑襯生產(chǎn)廠家按照式 (3) 來設(shè)計塑襯長度的上極限偏差，避免出現(xiàn)塑襯擠壓擋繩板的現(xiàn)象。

    (2) 生產(chǎn)廠家在設(shè)計塑襯節(jié)距時，將系數(shù) a 進行修正，避免塑襯的節(jié)距偏小導(dǎo)致提升鋼絲繩發(fā)生擠壓，或者節(jié)距偏大出現(xiàn)鋼絲繩纏繞不平穩(wěn)的情況。

    (3) 塑襯寬度公差建議改為。安裝時各塊塑襯之間的間隙應(yīng)均勻分布，避免溫升以后塑襯膨脹相互擠壓。

    需要指出，不同廠家生產(chǎn)的塑襯所采用的材料可能會存在區(qū)別，其應(yīng)用的提升機具體規(guī)格和系統(tǒng)參數(shù)、鋼絲繩種類及受力情況等也不盡相同。因此，塑襯廠家在設(shè)計塑襯公差時，應(yīng)按照具體參數(shù)進行設(shè)計。

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