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多繩摩擦式提升機(jī)摩擦襯墊研究綜述

發(fā)布時(shí)間：

2025-12-15

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多繩摩擦式提升機(jī)摩擦襯墊研究綜述

礦井提升機(jī)作為聯(lián)系礦山井下與地面的核心樞紐，被譽(yù)為礦山“咽喉”設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煤礦、金屬礦及非金屬礦領(lǐng)域，負(fù)責(zé)煤炭、礦石、人員、材料及設(shè)備的提升與運(yùn)送工作。其主要分為單繩纏繞式提升機(jī)和多繩摩擦式提升機(jī)兩大類。

其中，多繩摩擦式提升機(jī)憑借提升能力大、提升高度長(zhǎng)的顯著優(yōu)勢(shì)，在礦山生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。該設(shè)備通過(guò)摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)重物的提升與下放，因此摩擦襯墊成為其不可或缺的關(guān)鍵零部件。摩擦襯墊不僅需承載提升系統(tǒng)全部鋼絲繩的張力，還需承受兩側(cè)鋼絲繩運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各類動(dòng)載荷與沖擊載荷，這就要求其必須具備充足的摩擦因數(shù)、優(yōu)異的抗壓強(qiáng)度及耐磨性能，以保障多繩摩擦式提升機(jī)的穩(wěn)定提升能力與安全可靠性。

本文將系統(tǒng)介紹摩擦襯墊的工作原理、材料組分、摩擦因數(shù)及檢驗(yàn)方法，并針對(duì)襯墊的安裝規(guī)范與使用維護(hù)要點(diǎn)，提供科學(xué)合理的實(shí)踐建議。

一、摩擦襯墊的工作原理

摩擦襯墊的工作原理基于撓性體摩擦傳動(dòng)原理，具體而言，是借助摩擦襯墊與鋼絲繩之間產(chǎn)生的摩擦力，克服摩擦輪兩側(cè)鋼絲繩的張力差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的有效傳遞。摩擦提升的原理如圖 1 所示。摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力分布符合歐拉公式，即

圖1 摩擦提升作用原理

式中：T1 為摩擦輪兩側(cè)瞬時(shí)最大張力，N；T2 為摩擦輪兩側(cè)瞬時(shí)最小張力，N；μ 為襯墊的摩擦因數(shù)；αR為在 T1、T2 作用下圍包弧內(nèi)的蠕動(dòng)弧。

在μ 不變，當(dāng)整個(gè)圍包弧 α都變成蠕動(dòng)弧時(shí)，摩擦力達(dá)到最大值，且必須滿足最大摩擦力大于各種工況下鋼絲繩的張力差，則可以防止摩擦提升打滑失效。由式 (1) 可得鋼絲繩與襯墊間的摩擦力

多繩摩擦式提升機(jī)的工作原理如下：采用數(shù)根鋼絲繩（通常為偶數(shù)，4繩或6繩為常用配置）纏繞于摩擦輪之上，鋼絲繩兩端分別懸掛一個(gè)提升容器；通過(guò)摩擦輪表面的摩擦襯墊與鋼絲繩之間產(chǎn)生的摩擦力，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絲繩的牽引驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)兩端的提升容器沿直線上下移動(dòng)，最終完成重物的提升或下放作業(yè)。

二、摩擦襯墊的作用與安裝形式

作為多繩摩擦式提升機(jī)的核心關(guān)鍵元件，摩擦襯墊的性能直接決定了提升機(jī)的提升效率與安全可靠運(yùn)行。其核心作用主要體現(xiàn)在三方面：一是保障適宜的摩擦因數(shù)，為動(dòng)力傳遞提供基礎(chǔ)支撐；二是緩解鋼絲繩張力分配不均的問(wèn)題，提升設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性；三是對(duì)鋼絲繩形成有效保護(hù)，延長(zhǎng)其使用壽命。

摩擦襯墊的截面通常為直角梯形結(jié)構(gòu)，襯墊表面會(huì)根據(jù)使用場(chǎng)景車削一個(gè)或兩個(gè)繩槽，據(jù)此可分為井塔式單繩槽摩擦襯墊與落地式雙繩槽摩擦襯墊兩種，如圖 2 所示。

圖2 摩擦襯墊的結(jié)構(gòu)形式

摩擦襯墊的安裝形式有固定塊壓塊式連接和楔形固定裝置式連接兩種。

(1) 固定塊壓塊式連接 通過(guò)固定塊、壓塊把摩擦襯墊固定在摩擦輪上，再用螺栓將固定塊和壓塊把合在筒殼上。這主要是利用壓塊兩側(cè)斜面與摩擦襯墊的斜面匹配壓緊襯墊，如圖 3 所示

圖3 固定塊壓塊式連接

1.摩擦襯墊 2.壓塊 3.固定塊 4.螺栓

這種安裝形式的特點(diǎn)：①安裝和拆卸摩擦襯墊簡(jiǎn)單方便，特別是拆卸其中一塊襯墊時(shí)，更加便捷；② 固定塊、壓塊采用酚醛材料壓鑄而成，質(zhì)量較輕，其強(qiáng)度和尺寸不受浸水影響；③固定塊壓塊質(zhì)量較小，摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)較小。

(2) 楔形固定裝置式連接 在筒殼外圓上焊接楔形固定裝置，再把摩擦襯墊嵌入楔形固定裝置內(nèi)來(lái)固定摩擦襯墊，如圖 4 所示。

圖4 楔形固定裝置式連接

1.楔形固定裝置 2.摩擦襯墊

這種安裝形式的特點(diǎn)是：①摩擦輪因焊接有楔形固定裝置，相當(dāng)于安裝了外加強(qiáng)環(huán)，使得摩擦輪強(qiáng)度較大；② 楔形槽需要進(jìn)行機(jī)械加工，具有較高的精度，可使摩擦襯墊與筒殼具有較高的貼合度。

兩種連接方式對(duì)摩擦輪應(yīng)力與變形、接觸效果的影響相差很小。相對(duì)來(lái)說(shuō)，固定塊壓塊式連接安裝更方便、加工工藝更簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)提升機(jī)廠家一般選用此種連接方式。

三、摩擦襯墊的材料

3.1國(guó)內(nèi)摩擦襯墊材料的發(fā)展

國(guó)內(nèi)襯墊的研究自 20 世紀(jì)六七十年代開始，摩擦襯墊早期使用過(guò)木材、牛皮、橡膠等天然材料；到 20 世紀(jì) 90 年代末，國(guó)產(chǎn)摩擦襯墊的摩擦因數(shù)一直徘徊在 0.20 左右，襯墊材料主要有聚氯乙烯 (PVC)和聚氨酯 (CPUR) 兩種。聚氯乙烯襯墊摩擦因數(shù)低，大概為 0.20 左右，耐磨性較差；聚氨酯襯墊在耐磨性上有所提高，但摩擦因數(shù)仍然在 0.20～0.23，并且加工性能差、繩槽車削困難，因工藝原因其質(zhì)量也不穩(wěn)定，使用中還會(huì)出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，只適用于摩擦因數(shù)在 0.22 以下的工況。后來(lái)，國(guó)內(nèi)研究院所又嘗試過(guò)G-130、NZ 等聚氨酯改進(jìn)型材料，但效果都不理想。1997 年，洛礦院設(shè)立課題與中信重工工程塑料廠（現(xiàn)中實(shí)洛陽(yáng)機(jī)械工程科技有限公司）共同研究高性能摩擦襯墊，并于 2001 年研制出了摩擦因數(shù)達(dá)到 0.25 以上的摩擦襯墊，GM-3高性能摩擦襯墊，并通過(guò)省部級(jí)技術(shù)鑒定。目前，國(guó)產(chǎn)高性能摩擦襯墊的各項(xiàng)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際水平，不僅在國(guó)產(chǎn)提升機(jī)廠家如中信重工、川礦、錦礦的礦井提升機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，也在國(guó)際提升機(jī)廠家如德國(guó) SIEMAG、瑞典 ABB 的很多提升機(jī)項(xiàng)目上得到應(yīng)用。

GM-3鑒定證書

國(guó)際上，摩擦襯墊一般采用熱固性材料，這種材料組織均勻致密、性能穩(wěn)定；而以前國(guó)產(chǎn)襯墊一般采用熱塑性材料，這種材料因?yàn)榉肿咏Y(jié)構(gòu)和組織方面的缺陷，不利于材料組織的改進(jìn)，使用性能不穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)摩擦襯墊技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了天然材料—熱塑性材料—熱固定材料 3 個(gè)階段，目前國(guó)產(chǎn)高性能摩擦襯墊也采用主流的熱固性材料。當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主要有 3類高性能摩擦襯墊：國(guó)產(chǎn)高性能摩擦襯墊、原材料進(jìn)口國(guó)內(nèi)壓制的高性能摩擦襯墊、完全進(jìn)口的高性能摩擦襯墊，摩擦因數(shù)均能達(dá)到 0.25 以上。另外，我公司采用進(jìn)口原材料生產(chǎn)的GDM326高性能摩擦襯墊，性能穩(wěn)定，在各種工況下的摩擦因數(shù)均大于 0.28 ，耐磨抗沖擊、抗老化性能優(yōu)異，主要配套進(jìn)口提升機(jī)和國(guó)產(chǎn)大型、特大型提升機(jī)，以及我國(guó)越來(lái)越多的千米深井提升機(jī)，已完全滿足不同用戶的核心需求。

3.2摩擦襯墊的材料組成及選用情況

當(dāng)前摩擦襯墊的材料一般為高分子材料，其化學(xué)組成中主要成分為橡膠類聚合物，并添加一些能夠提高機(jī)械強(qiáng)度的增強(qiáng)劑、增黏劑和固化劑，以及能夠緩解老化的抗氧化劑和提高工藝性能的增塑劑等，即襯墊材料主要包括：基體材料+添加劑+填充劑。目前，國(guó)內(nèi)多繩摩擦式提升機(jī)摩擦襯墊的類型及選用情況如表 1 所列。

表1 摩擦襯墊的類型及選用情況

四、影響襯墊摩擦因數(shù)的主要因素

4.1主要影響因素

襯墊的摩擦因數(shù)實(shí)際上指的是襯墊與鋼絲繩組成摩擦副之間的摩擦因數(shù)，由于摩擦襯墊與鋼絲繩都是彈性體，而彈性體之間的摩擦因數(shù)變化規(guī)律與剛性體之間的摩擦因數(shù)變化規(guī)律不同。從摩擦學(xué)原理來(lái)講，一般認(rèn)為摩擦力主要來(lái)源于摩擦副的黏著分量與犁切分量。襯墊的摩擦因數(shù)是黏著效應(yīng)、犁溝效應(yīng)等多種因素綜合作用的結(jié)果。在實(shí)際提升過(guò)程中，摩擦因數(shù)與接觸表面狀態(tài)、襯墊比壓、蠕動(dòng)速度、接觸界面溫度等因素有關(guān)。

(1) 表面狀態(tài)：摩擦襯墊的表面狀態(tài)有干燥、淋水或附有油脂等。正常工況下，摩擦襯墊的表面一般不是單一狀態(tài)，而是混合多種狀態(tài)。造成這一現(xiàn)象的原因是：鋼絲繩所處的環(huán)境比較復(fù)雜，其表面會(huì)有油脂，同時(shí)也受井筒中的水汽影響，還會(huì)被煤粉、礦粉等污染，而使其粘附在鋼絲繩油脂上。在不同的表面狀態(tài)下，摩擦襯墊的摩擦因數(shù)不同。

(2) 襯墊比壓：在工作狀態(tài)下，摩擦襯墊受到鋼絲繩的壓力，該壓力在鋼絲繩圍包弧內(nèi)是不均勻的，且因摩擦襯墊所處位置的不同而有較大差別。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，正常使用工況下，襯墊比壓一般不超過(guò)2 MPa。

(3) 蠕動(dòng)速度：理論情況下，摩擦襯墊與鋼絲繩之間是不允許發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的，如果發(fā)生滑動(dòng)，即摩擦副失效，容易發(fā)生安全事故；但是摩擦襯墊和鋼絲繩都是彈性體，其相互間必定存在一定的蠕動(dòng)，且蠕動(dòng)速度隨鋼絲繩彈性、鋼絲繩規(guī)格、提升速度、鋼絲繩張力差的不同而有所不同。當(dāng)蠕動(dòng)速度增加時(shí)，摩擦因數(shù)增加。

(4) 接觸界面溫度：摩擦襯墊一般安裝在提升機(jī)房?jī)?nèi)，與其相關(guān)的鋼絲繩有室內(nèi)段、露天段、井筒段，鋼絲繩所處的環(huán)境比較復(fù)雜，各段溫度變化較大，與摩擦襯墊接觸時(shí)，在一定程度上會(huì)影響摩擦性能。

4.2摩擦襯墊摩擦因數(shù)的檢測(cè)

GB/T 10599—2010《多繩摩擦式提升機(jī)》中 4.2.1.4要求每臺(tái)產(chǎn)品的摩擦襯墊摩擦因數(shù)不應(yīng)小于 0.25。JB/T 10347—2015《摩擦式提升機(jī) 摩擦襯墊》中4.1 要求：“摩擦因數(shù)許用值不應(yīng)低于使用該摩擦襯墊的提升系統(tǒng)所要求的摩擦因數(shù)值，并且最低不應(yīng)低于0.25”。摩擦襯墊摩擦因數(shù)的測(cè)試方法可分為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試兩種。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是利用提升機(jī)或者模擬提升機(jī)，在一定負(fù)荷條件下，人為地制造滑動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)鋼絲繩與襯墊發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)兩側(cè)的鋼絲繩張力，用歐拉公式計(jì)算摩擦因數(shù)。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試是使用特制的試驗(yàn)設(shè)備或試驗(yàn)臺(tái)，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)試，人為地造成鋼絲繩與襯墊的相對(duì)滑動(dòng)，分別測(cè)量襯墊所受到的正壓力以及滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，用經(jīng)典的摩擦學(xué)公式計(jì)算出摩擦因數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難度大，測(cè)試費(fèi)用高，但測(cè)試結(jié)果真實(shí)可靠，常用于新研發(fā)摩擦襯墊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證；實(shí)驗(yàn)室測(cè)試簡(jiǎn)便易行，難度小，測(cè)試費(fèi)用低，但由于這種測(cè)試方法有一定的近似性，其結(jié)果不能直接應(yīng)用，需要進(jìn)一步地分析和計(jì)算，常用于摩擦襯墊產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)。

AQ 1036—2007《煤礦用多繩摩擦式提升機(jī)安全檢驗(yàn)規(guī)范》中 6.1.10 要求“摩擦襯墊的摩擦因數(shù) μ ≥0.20 時(shí)，每臺(tái)提升機(jī)的襯墊都應(yīng)做抽樣檢驗(yàn)”。抽樣檢驗(yàn)通常采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試法對(duì)摩擦襯墊的摩擦因數(shù)、磨損率、硬度這幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)條件和方法按 JB/T 10347—2015 中規(guī)定執(zhí)行。

來(lái)源：礦山機(jī)械雜志

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