高志康，劉同欣

1洛陽礦山機械工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

礦井提升機主要用于煤礦、金屬礦及非金屬礦，承擔(dān)著煤炭、礦石、人員、材料和設(shè)備的提升和運送任務(wù)，是聯(lián)系井下和地面的重要設(shè)備，被稱為礦山“咽喉”設(shè)備。礦井提升機一般分為單繩纏繞式提升機和多繩摩擦式提升機兩種。

多繩摩擦式提升機因其提升能力大、提升高度長等特點被廣泛應(yīng)用，它利用摩擦襯墊和鋼絲繩之間的摩擦力來提升和下放重物，因此摩擦襯墊是其最為關(guān)鍵的零部件之一。摩擦襯墊不僅承受著提升系統(tǒng)全部鋼絲繩張力，還承受著兩側(cè)鋼絲繩運行中的全部動載荷和沖擊載荷，因而摩擦襯墊必須具備足夠的摩擦因數(shù)、抗壓強度和耐磨性能，以保證多繩摩擦式提升機的提升能力和安全可靠性。本文中，筆者將介紹摩擦襯墊的工作原理、材料組分、摩擦因數(shù)、檢驗方法等，并在襯墊安裝以及使用維護等方面給出了合理建議。

1 摩擦襯墊的工作原理

摩擦襯墊的工作原理是撓性體摩擦傳動原理，也就是利用摩擦襯墊和鋼絲繩之間的摩擦力，克服作用于摩擦輪兩邊鋼絲繩的張力差來傳遞動力，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[1]，即

圖1 摩擦提升作用原理Fig.1 Working principle of friction hoisting

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

在μ不變，當(dāng)整個圍包弧α都變成蠕動弧時，摩擦力達到最大值，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

多繩摩擦式提升機的工作原理：采用數(shù)根鋼絲繩(一般根數(shù)為偶數(shù)，常用 4 繩或 6 繩) 搭在摩擦輪上，鋼絲繩兩端各懸掛一個提升容器，利用摩擦輪上的摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力來牽引鋼絲繩，使兩端提升容器沿直線上下移動，完成提升或下放重物的任務(wù)。

2 摩擦襯墊的作用與安裝形式

摩擦襯墊是多繩摩擦式提升機的關(guān)鍵元件，它的功能直接影響到提升機的提升能力和安全可靠性。摩擦襯墊的主要作用：保證適當(dāng)?shù)哪Σ烈驍?shù)，實現(xiàn)動力傳遞；減少鋼絲繩張力分配不均的狀況；保護鋼絲繩，延長鋼絲繩壽命。摩擦襯墊的截面一般呈直角梯形，襯墊上車削兩個或一個繩槽，分為落地式雙繩槽摩擦襯墊和井塔式單繩槽摩擦襯墊兩種，如圖 2 所示。

圖2 摩擦襯墊的結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Structural mode of friction liner

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Fig.3 Connection with fixed pressing-block

這種安裝形式的特點：①安裝和拆卸摩擦襯墊簡單方便，特別是拆卸其中一塊襯墊時，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)動慣量相對較小。

(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)來固定摩擦襯墊，如圖 4 所示。

圖4 楔形固定裝置式連接Fig.4 Connection with wedgy fixing device

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

兩種連接方式對摩擦輪應(yīng)力與變形、接觸效果的影響相差很小[2]。相對來說，固定塊壓塊式連接安裝更方便、加工工藝更簡單，國內(nèi)提升機廠家一般選用此種連接方式。

3 摩擦襯墊的材料

3.1 國內(nèi)摩擦襯墊材料的發(fā)展

摩擦式提升機最早是由國外開發(fā)研制的，到20世紀(jì)六七十年代，已經(jīng)開始使用涂脂狀態(tài)下摩擦因數(shù)為 0.25 的襯墊，主要襯墊生產(chǎn)廠家有德國 BECORIT公司和 KUEPER 公司、法國 WALTER 公司等。其中，德國 BECORIT 公司生產(chǎn)的 K25 襯墊具有摩擦因數(shù)高、性能穩(wěn)定的特點，在國際提升機廠家中配套率非常高，現(xiàn)在仍然受到廣大用戶的青睞。

國內(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木材、牛皮、橡膠等天然材料；到 20 世紀(jì) 90 年代末，國產(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稀 (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，國內(nèi)研究院所又嘗試過G-130、NZ 等聚氨酯改進型材料，但效果都不理想。1997 年，洛礦院設(shè)立課題研究高性能摩擦襯墊，并于 2001 年研制出了摩擦因數(shù)達到 0.25 以上的摩擦襯墊，并通過省部級技術(shù)鑒定[3]。目前，國產(chǎn)高性能摩擦襯墊的各項指標(biāo)日益接近或達到國際水平，不僅在國產(chǎn)提升機上得到廣泛應(yīng)用，也在國際提升機廠家如德國 SIEMAG、瑞典 ABB 的很多提升機項目上得到應(yīng)用。

國際上，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；而以前國產(chǎn)襯墊一般采用熱塑性材料，這種材料因為分子結(jié)構(gòu)和組織方面的缺陷，不利于材料組織的改進，使用性能不穩(wěn)定。國內(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 個階段，目前國產(chǎn)高性能摩擦襯墊也采用主流的熱固性材料。當(dāng)前國內(nèi)市場上主要有 3類高性能摩擦襯墊：國產(chǎn)高性能摩擦襯墊、原材料進口國內(nèi)壓制的高性能摩擦襯墊、完全進口的高性能摩擦襯墊，摩擦因數(shù)均能達到 0.25 以上。

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械強度的增強劑、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，國內(nèi)多繩摩擦式提升機摩擦襯墊的類型及選用情況[4]如表 1 所列。

表1 摩擦襯墊的類型及選用情況Tab.1 Types and selection of friction liner

4 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)原理來講，一般認(rèn)為摩擦力主要來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。在實際提升過程中，摩擦因數(shù)與接觸表面狀態(tài)、襯墊比壓、蠕動速度、接觸界面溫度等因素有關(guān)[5]。

(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，其表面會有油脂，同時也受井筒中的水汽影響，還會被煤粉、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2 MPa。

(3) 蠕動速度 理論情況下，摩擦襯墊與鋼絲繩之間是不允許發(fā)生相對滑動的，如果發(fā)生滑動，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，且蠕動速度隨鋼絲繩彈性、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)蠕動速度增加時，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房內(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，在一定程度上會影響摩擦性能。

4.2 摩擦襯墊摩擦因數(shù)的檢測

GB/T 10599—2010《多繩摩擦式提升機》中 4.2.1.4要求每臺產(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 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)的測試方法可分為現(xiàn)場測試和實驗室測試[6-8]兩種。

現(xiàn)場測試是利用提升機或者模擬提升機，在一定負(fù)荷條件下，人為地制造滑動，通過檢測鋼絲繩與襯墊發(fā)生相對滑動的臨界狀態(tài)時兩側(cè)的鋼絲繩張力，用歐拉公式計算摩擦因數(shù)。實驗室測試是使用特制的試驗設(shè)備或試驗臺，在規(guī)定的試驗條件下進行測試，人為地造成鋼絲繩與襯墊的相對滑動，分別測量襯墊所受到的正壓力以及滑動時產(chǎn)生的摩擦力，用經(jīng)典的摩擦學(xué)公式計算出摩擦因數(shù)。

現(xiàn)場測試費時費力，難度大，測試費用高，但測試結(jié)果真實可靠，常用于新研發(fā)摩擦襯墊進行現(xiàn)場驗證；實驗室測試簡便易行，難度小，測試費用低，但由于這種測試方法有一定的近似性，其結(jié)果不能直接應(yīng)用，需要進一步地分析和計算，常用于摩擦襯墊產(chǎn)品的出廠檢驗。

AQ 1036—2007《煤礦用多繩摩擦式提升機安全檢驗規(guī)范》中 6.1.10 要求“摩擦襯墊的摩擦因數(shù)μ≥0.20 時，每臺提升機的襯墊都應(yīng)做抽樣檢驗”。抽樣檢驗通常采用實驗室測試法對摩擦襯墊的摩擦因數(shù)、磨損率、硬度這幾項參數(shù)進行測試，試驗條件和方法按 JB/T 10347—2015 中規(guī)定執(zhí)行。

5 摩擦襯墊的使用維護

摩擦襯墊的使用維護一般包括安裝、車削、更換3 個方面。摩擦襯墊大多采用固定塊壓塊式連接，以4 繩提升機為例，襯墊的安裝方法如圖 5 所示。

圖5 摩擦襯墊安裝示意Fig.5 Installation sketch of friction liner

5.1 摩擦襯墊的安裝

一般情況下，摩擦襯墊是在提升機制造廠內(nèi)裝配完畢發(fā)到現(xiàn)場；遇到特殊情況時，需在現(xiàn)場安裝摩擦襯墊?，F(xiàn)場安裝時，需先對提升機設(shè)備進行相應(yīng)固定，并做好相應(yīng)的防護工作，然后按以下步驟進行。

(1) 將整個一周的固定塊全部裝好，使固定塊的兩側(cè)面到相應(yīng)的擋繩板內(nèi)側(cè)面的距離相等，距離誤差不得大于 0.2 mm，按擰緊力矩要求把緊螺栓。

(2) 將第 1 圈和第 4 圈摩擦襯墊沒有斜度的一側(cè)緊靠擋繩板內(nèi)側(cè)面放于筒殼上 (注意：當(dāng)襯墊與焊縫發(fā)生干涉時，應(yīng)修正襯墊的倒角)，將第 2 圈和第 3圈摩擦襯墊沒有斜度的一側(cè)緊靠固定塊的側(cè)面，使相鄰的摩擦襯墊相互靠近，并緊貼筒殼。裝配時，摩擦襯墊在一圈上的接頭應(yīng)與相鄰的一圈上的接頭錯開。

(3) 嵌入壓塊，用螺栓將壓塊把緊，同時輕輕敲擊襯墊后部，使襯墊間緊貼無縫，按擰緊力矩要求把緊螺栓，使摩擦襯墊緊緊地固定在筒殼上。

(4) 轉(zhuǎn)動摩擦輪，用同樣的方法裝完整圈襯墊，每圈的最后一塊按實際情況修配，要稍長一點，嵌入后將相應(yīng)的壓塊螺栓把緊。

(5) 全部襯墊裝配完后，應(yīng)按擰緊力矩要求檢驗各螺栓是否把緊，襯墊在任何方向上不許有松動現(xiàn)象。

摩擦襯墊安裝完成后，還需做以下檢查工作。

(1) 掛繩后，慢慢啟動提升機，運行幾個循環(huán)后，檢查所有螺栓的擰緊力矩，如果緊固力不夠，用扭力扳手按力矩要求重新緊固螺栓。

(2) 運行一段時間后，重新檢查固定塊和壓塊的所有螺栓的擰緊力矩，如果緊固力不夠，用扭力扳手按力矩要求重新緊固螺栓。

(3) 在使用中，為了防止銹蝕，需要在鋼絲繩上(包括繩芯) 涂油時，必須使用經(jīng)過認(rèn)證且與摩擦襯墊匹配的專用增摩脂，嚴(yán)禁鋼絲繩帶有許用增摩脂之外的其他油脂和油污，否則會降低摩擦因數(shù)。

5.2 摩擦襯墊的車削

對于多繩摩擦式提升機，初次安裝襯墊、更換新的襯墊，或因襯墊磨損不均勻需修正襯墊時，需要用車槽裝置對摩擦襯墊進行繩槽車削，以增加鋼絲繩與襯墊間的接觸面積，調(diào)節(jié)各鋼絲繩間的拉力，進而延長鋼絲繩和摩擦襯墊的使用壽命。

在安裝和使用中，摩擦襯墊的關(guān)鍵參數(shù)主要有繩槽半徑、繩槽中心距、繩槽底徑差、繩槽底徑徑向跳動，其要求如表 2 所列。如不符合要求時，就需要對繩槽進行車削。

表2 摩擦襯墊安裝和使用要求Tab.2 Installation and service requirements for friction liner

車槽裝置按使用場合，可以分為落地式提升機車槽裝置和井塔式提升機車槽裝置；按車削方式，可以分為傳統(tǒng)機械式車槽裝置和數(shù)控式車槽裝置。落地式提升機車槽裝置一般安裝于提升機司機側(cè)摩擦輪處；井塔式提升機車槽裝置一般安裝于提升機摩擦輪正下方，這樣可以在不拆卸鋼絲繩的情況下對摩擦襯墊繩槽進行車削。目前多繩摩擦式提升機大多采用傳統(tǒng)機械式車槽裝置，如圖 6 所示。

圖6 傳統(tǒng)機械式車槽裝置Fig.6 Conventional mechanical grooving device

傳統(tǒng)車槽裝置利用車刀車削的原理進行繩槽加工修正，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、成本低的特點。但相對來說，每次車削繩槽前，需要人工測量各繩槽的尺寸情況，并進行對刀；一個繩槽車削完后，需要記錄總進刀量，作為下一個繩槽車削的參考值；車削一次進給量少，車削速度慢，加工光潔度、圓整度較差；車削過程耗時長，工作效率較低；車削操作時，容易出現(xiàn)啃刀、震刀現(xiàn)象。

基于以上原因，應(yīng)市場需求就出現(xiàn)了數(shù)控車槽裝置，如圖 7 所示。數(shù)控車槽采用銑刀銑削的原理進行繩槽加工，并通過數(shù)控系統(tǒng)自動控制銑刀的進給量和運動精度，自動檢測繩槽加工質(zhì)量，并反饋到操作界面。

圖7 數(shù)控車槽裝置Fig.7 CNC grooving device

5.3 摩擦襯墊的更換

《煤礦安全規(guī)程》中第 421 條規(guī)定“摩擦輪繩槽襯墊磨損剩余厚度小于鋼絲繩直徑，繩槽磨損深度超過 70 mm”時必須更換[9]。GB 16423—2020《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》中 6.4.7.3 規(guī)定：“摩擦襯墊繩槽直徑：提升管理部門每周組織檢查 1 次，各繩槽直徑差應(yīng)不大于 0.8 mm；包括車削量在內(nèi)的襯墊厚度減小量達到襯墊厚度的 2/3，應(yīng)更換襯墊”。因此，摩擦襯墊使用一段時間后，當(dāng)磨損量超出相關(guān)規(guī)定的要求時，就需要更換襯墊。

因磨損嚴(yán)重或其他原因更換襯墊時，首先將提升機容器固定起來，再將鋼絲繩松繩并拆下固定，然后松開壓塊的連接螺栓，拆下舊襯墊，安裝新襯墊。

6 結(jié)語

隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國對礦產(chǎn)資源的需求量大幅度增長，礦井井深也在進一步加大，目前國內(nèi)有些已經(jīng)實施的項目井深已經(jīng)達到 1 500 m，有些儲備項目初步設(shè)計的井深甚至達到 2 000 m，這對提升機的提升能力提出了更高要求，同時對摩擦襯墊的性能要求也越來越高。目前，國內(nèi)已有單位研發(fā)出了一種新型的高比壓、高摩擦因數(shù)襯墊，襯墊比壓達到2.5 MPa，摩擦因數(shù)達到 0.28，可以滿足深豎井大噸位多繩摩擦式提升機的需求。

國內(nèi)摩擦襯墊的技術(shù)研究在不斷進步，生產(chǎn)工藝也在不斷改善，使得其關(guān)鍵參數(shù)如襯墊比壓和摩擦因數(shù)得到不斷提升，但在實際應(yīng)用中，進口材質(zhì)襯墊和進口材料國內(nèi)壓制的襯墊仍占據(jù)大多數(shù)的市場份額。造成這種局面的原因，一方面源于客戶長期形成的進口材質(zhì)優(yōu)于國產(chǎn)材質(zhì)的固有觀念，另一方面也是對國產(chǎn)材質(zhì)提出更高要求，希望國內(nèi)摩擦襯墊研究和生產(chǎn)單位今后在基礎(chǔ)材料方面增加投入，持續(xù)創(chuàng)新并提高品質(zhì)。此外，國內(nèi)一些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程相關(guān)內(nèi)容的遲滯性，在一定程度上限制和影響了國產(chǎn)新產(chǎn)品的應(yīng)用推廣，在此也呼吁有關(guān)部門能從促進產(chǎn)品進步方面考慮，及時跟進、修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。