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走進(jìn)中實(shí)中實(shí)洛陽(yáng)機械工程科技有限公司（原中實(shí)洛陽(yáng)工程塑料有限公司）于2017年11月01日更名成立，注冊資金5000萬(wàn)元。專(zhuān)門(mén)從事摩擦襯墊的研制、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，以及礦山設備、配件的生產(chǎn)。
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技術(shù)實(shí)力是中國礦業(yè)大學(xué)礦山機械摩擦材料科研基地、教學(xué)實(shí)習基地，是河南科技大學(xué)產(chǎn)學(xué)研基地，是中國重型機械工業(yè)協(xié)會(huì )會(huì )員單位，是摩擦襯墊、塑料襯板等五項產(chǎn)品行業(yè)標準制定者。
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新聞資訊我公司擁有高水品的研發(fā)團隊和先進(jìn)的檢測設備，具有足夠的能力優(yōu)化已有的產(chǎn)品和研發(fā)新產(chǎn)品，產(chǎn)品系列化，結構多樣化，性能更加完善。
塑襯線(xiàn)膨脹系數對公差的影響
發(fā)布時(shí)間：
2024-03-07
來(lái)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(xiàn)膨脹系數不同，二者隨溫度變化存在變形。介紹了線(xiàn)膨脹系數對塑襯長(cháng)度、節距和寬度的影響，分析了溫度變化下的塑襯變形，給出了塑襯長(cháng)度、節距以及寬度等參數或推薦公差，為塑襯的設計和生產(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(guò)天輪并提起井筒中的提升容器，通過(guò)提升機卷筒轉動(dòng)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的安全性和穩定性。
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(jiǎn)稱(chēng)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(diǎn)；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力，從而減少鋼絲繩的磨損，延長(cháng)鋼絲繩的使用壽命。
塑襯在我國提升機上已成功應用了數十年。近年來(lái)，我國地下礦產(chǎn)資源的開(kāi)采向深層擴展，開(kāi)采深度不斷增加，纏繞式提升機的規格越來(lái)越大，卷筒寬度越來(lái)越寬，應用塑襯的提升機規格也隨之越來(lái)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(xiàn)膨脹系數并不相同。在溫度變化時(shí)，線(xiàn)膨脹系數對塑襯尺寸的影響已不可忽略，本研究主要探討線(xiàn)膨脹系數對塑襯尺寸的影響，并提出相應的建議。
1 塑襯
1.1 塑襯的結構及安裝
單繩纏繞式礦井提升機的總體結構如圖 1 所示，塑襯的結構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 纏繞式提升機的結構
1.制動(dòng)器 2.主軸裝置 3.塑襯 4.潤滑站 5.減速器 6.電動(dòng)機 7.深度指示器 8.液壓站
圖2 塑襯的結構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(xiàn)，采用鋸床將塑襯加工出所需長(cháng)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(chē)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。
塑襯應用于纏繞式礦井提升機上，塑襯的主要參數有塑襯長(cháng)度 L、節距 T、繩槽半徑 R、上表面寬度B、下表面寬度 b 等。纏繞式提升機應在無(wú)爆炸介質(zhì)、空氣溫度為 5～ 40℃ 的環(huán)境中工作?？梢?jiàn)，塑襯應用的最低溫度為 5℃，最高溫度為 40℃。同時(shí)，根據相關(guān)標準，塑襯尺寸要在標準溫度 23±2℃ 的狀態(tài)下靜置 24 h 后再進(jìn)行測量。根據塑襯的加工過(guò)程，上述參數采用的工序和測量時(shí)的溫度如表 1 所列。
表1 塑襯主要參數所采用的工序、檢測與應用溫度
由表 1 可知，以平均檢測溫度 23℃ 考慮，塑襯最高應用溫度為 40℃，比檢測溫度高 17℃；最低應用溫度為 5℃，比檢測溫度低 18℃。以此為條件，計算隨溫度變化時(shí)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(cháng)度時(shí)，如果環(huán)境溫度并不是國標規定的 23±2℃，而是低于該溫度 (這種情況在冬季加工塑襯時(shí)較容易出現)，則可能出現溫升變化大于 17℃ 的情況；如在環(huán)境溫度為5℃ 的情況下，鋸出塑襯長(cháng)度，而提升機現場(chǎng)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(xiàn)膨脹系數存在顯著(zhù)不同。溫度變化時(shí)，因工程塑料的線(xiàn)膨脹系數大于 Q345 的線(xiàn)膨脹系數，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(xiàn)膨脹系數，α塑=(10.8～ 11.2)×10-5/℃；αQ345 為Q345 的線(xiàn)膨脹系數，αQ345=(10.6～ 12.2)×10-6/℃；Ly 為材料初始長(cháng)度，mm；Δt 為溫度變化量，℃。
3 線(xiàn)膨脹系數對塑襯長(cháng)度的影響
3.1 塑襯長(cháng)度的設計及影響因素
塑襯安裝在提升機卷筒的兩擋繩板之間，其長(cháng)度的設計公稱(chēng)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(shí)可能發(fā)生傾斜等因素，目前塑襯的設計與生產(chǎn)單位通常按照提升卷筒寬度減去 5～ 10 mm 來(lái)設計塑襯長(cháng)度的極限尺寸。這也符合 JB/T 10994—2010《纏繞式礦井提升設備用塑料襯板》中對塑襯長(cháng)度的規定。經(jīng)與標準制定單位的交流，了解到該規定并未考慮溫度變化對塑襯長(cháng)度的影響。
3.2 溫度變化及相對變形量
塑襯長(cháng)度由鋸床加工，檢測溫度為加工時(shí)車(chē)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(cháng)度與相對變形量的關(guān)系，如圖 3 所示。
圖3 塑襯長(cháng)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(shí)，3.0、3.5 m 兩種寬度規格的卷筒 (相當于塑襯長(cháng)度為 3 000、3 500 mm) 的相對變形都大于 10 mm。按照現有標準規定和設計習慣，這必然會(huì )出現塑襯擠壓擋繩板的現象 (見(jiàn)圖 4)。擋繩板的設計主要考慮多層纏繞時(shí)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(huì )導致?lián)趵K板變形損壞，并對提升系統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
根據圖 3，建議采用式 (4) 計算并確定塑襯長(cháng)度的上極限偏差：
式中：A 為塑襯長(cháng)度的上極限偏差，mm；L 為卷筒寬度，mm。
上極限偏差確定后，再根據提升機擋繩板及筒殼的具體情況確定下極限偏差。根據車(chē)間安裝經(jīng)驗，推薦下極限偏差為 (A-2)～ (A-3)。
4 線(xiàn)膨脹系數對塑襯節距的影響
4.1 節距的設計及影響因素
鋼絲繩在塑襯上的纏繞及塑襯節距如圖 5 所示。鋼絲繩在塑襯上纏繞，若節距過(guò)小，則鋼絲繩繩圈之間易發(fā)生接觸，加劇鋼絲繩磨損；若節距過(guò)大，則影響纏繞的平穩性。JB/T 10994—2010《纏繞式礦井提升設備用塑料襯板》對節距進(jìn)行了推薦，如表 2 所列。
圖5 鋼絲繩的纏繞情況與塑襯節距
1.鋼絲繩 2.塑襯
表2 推薦節距
南非等國的相關(guān)規程規定纏繞式提升系統的繩槽節距
式中：a 為系數，一層以上纏繞時(shí)取 1.055～ 1.070；φ為鋼絲繩直徑，mm。
4.2 溫度變化及節距變形量
塑襯節距是在繩槽壓制完成后、在規定溫度下測量的，將式 (5) 代入式 (1)，可得：
式中：α塑 為工程塑料的線(xiàn)膨脹系數，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(shí)，ΔT塑1=0.002 φ；溫差為 -18 ℃ 時(shí)，ΔT塑2=-0.002 2 φ。
由此可得，在常用規格鋼絲繩直徑條件下，在溫度變化時(shí)線(xiàn)膨脹系數對塑襯節距相對變形量的影響如表 3 所列。
表3 線(xiàn)膨脹系數對塑襯節距的影響
4.3 選擇與建議
纏繞式提升機塑襯節距的設計，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 規定，“鋼絲繩的實(shí)測直徑，其偏差為：圓股，異形股。根據計算結果并經(jīng)過(guò)與塑襯生產(chǎn)廠(chǎng)家討論，建議在按照式 (5) 設計塑襯節距時(shí)，將系數 a 修正為 1.057～ 1.068；同時(shí)，建議廠(chǎng)家根據提升機所配套的鋼絲繩型號考慮鋼絲繩的直徑偏差，來(lái)決定具體節距值。
5 線(xiàn)膨脹系數對塑襯寬度的影響
5.1 塑襯寬度的設計及影響因素
塑襯在卷筒上的分布如圖 6 所示。通常，主要根據提升機的規格、塑襯根數、塑襯厚度等參數，來(lái)設計塑襯寬度 B 和b 的公稱(chēng)尺寸。
根據 JB/T 10994—2010《纏繞式礦井提升設備用塑料襯板》中規定的提升機規格、塑襯根數和厚度，計算 B 和 b 的公稱(chēng)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 不同規格的提升機所采用的塑襯參數
在寬度尺寸 B和 b 的公差設計方面，目前塑襯生產(chǎn)廠(chǎng)家在設計塑襯時(shí)，習慣將公差定為 提升機出廠(chǎng)前，塑襯在裝配車(chē)間逐塊安裝到提升機卷筒上，為了保證排列緊密，安裝時(shí)每塊塑襯之間盡量壓緊，最后一塊塑襯需要進(jìn)行修配。
5.2 溫度變化及變形量
塑襯通常在車(chē)間內完成安裝。塑襯如果在冬天安裝，夏天時(shí)，則溫升為 35℃，塑襯將發(fā)生膨脹變形。
線(xiàn)膨脹系數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(gè)圓周方向累積塑襯的寬度變化。根據表 4 數值，利用式(3) 進(jìn)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(xiàn)膨脹系數對塑襯寬度及卷筒圓周變形的影響
由表 5 可知，卷筒規格為 3.5 m 時(shí)，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；卷筒規格為 1.6 m 時(shí)，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 規格提升機的塑襯累積變形最大，外圓周變形為 44.51 mm，內圓周變形為 42.4 mm。
5.3 選擇與建議
目前塑襯生產(chǎn)廠(chǎng)家在設計塑襯時(shí)，習慣將塑襯寬度公差定為 。在塑襯安裝時(shí)，裝配車(chē)間反映安裝及修配困難。根據表 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(gè)變形量可能導致塑襯的擠壓變形，對卷筒和塑襯的使用壽命帶來(lái)不利影響。
因此，建議生產(chǎn)廠(chǎng)家將該塑襯的寬度 B 和 b 的公差改為 同時(shí)，塑襯安裝時(shí)，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相互擠壓的現象。
6 結論
(1) 溫度變化時(shí)，塑襯的長(cháng)度變化與其尺寸線(xiàn)性相關(guān)。建議塑襯生產(chǎn)廠(chǎng)家按照式 (3) 來(lái)設計塑襯長(cháng)度的上極限偏差，避免出現塑襯擠壓擋繩板的現象。
(2) 生產(chǎn)廠(chǎng)家在設計塑襯節距時(shí)，將系數 a 進(jìn)行修正，避免塑襯的節距偏小導致提升鋼絲繩發(fā)生擠壓，或者節距偏大出現鋼絲繩纏繞不平穩的情況。
(3) 塑襯寬度公差建議改為。安裝時(shí)各塊塑襯之間的間隙應均勻分布，避免溫升以后塑襯膨脹相互擠壓。
需要指出，不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的塑襯所采用的材料可能會(huì )存在區別，其應用的提升機具體規格和系統參數、鋼絲繩種類(lèi)及受力情況等也不盡相同。因此，塑襯廠(chǎng)家在設計塑襯公差時(shí)，應按照具體參數進(jìn)行設計。
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