如何提高旋挖钻机钢丝绳的使用寿命.pdf

收稿日期：!#$#%作者简介：陈辉（%&$#），男（汉族），安徽太湖人，北京建材地质工程公司工程师，探矿工程专业，从事岩土工程项目管理，桥梁、桩基设计和施工工作，北京市南湖渠，（%）$()&)*+；杨明友（%&$#），男（汉族），四川武胜人，北京探矿工程研究所工程师，机械设计及理论专业，硕士，从事岩土钻掘工具的研发工作，北京市海淀区学院路!&号，（%）!)!%*+。如何提高旋挖钻机钢丝绳的使用寿命陈辉%，杨明友!（%,北京建材地质工程公司，北京%!；!,北京探矿工程研究所，北京%)）摘要：钢丝绳是旋挖钻机设备使用过程中的重要消耗材料，也是保证旋挖钻机设备安全生产的重要组成部件。从对钢丝绳的受力分析、优选等角度出发，阐述提高旋挖钻机钢丝绳的使用寿命及其在旋挖施工过程中保障设备安全生产、降低工程综合成本和提高设备利用率的重要性。关键词：旋挖钻机；钢丝绳；使用寿命中图分类号：-$)(,).+文献标识码：/文章编号：%#)*($（!）$#!#!对北京建材地质工程公司和其它单位旋挖钻机施工过程中使用国产钢丝绳的统计数据表明：每根国产钢丝绳的使用寿命平均为旋挖施工 !%延米，最高达%!延米，最短仅!延米（!年在北京大兴县境内工地施工的一台旋挖钻机，由于钢丝绳的工作环境不适合 特例，旋挖钻机仅施工了!延米钻孔，钢丝绳就被破坏）。所以，作为拥有旋挖钻机设备的施工单位，有必要对旋挖钻机钢丝绳的优选、安装、使用、磨损过程进行系统分析，以达到低成本、高效率、安全施工。!钢丝绳的选择要合理优选旋挖钻机的钢丝绳，首先必须对旋挖钻机钢丝绳的施工使用情况以及当前国产钢丝绳的种类和特点进行分析和研究，然后，根据不同厂家、不同型号旋挖钻机和设备额定提升能力确定钢丝绳的最小直径和类型，以保证设备在施工过程中的安全。!,!旋挖钻机钢丝绳的使用工况及技术要求旋挖钻机使用的钢丝绳一端固定于卷扬机的卷筒上，中间通过一个定滑轮和一个导向轮，将另一端固定于铠式钻杆上端的提引器上，由于没有安装动滑轮设计，所以要求钢丝绳单绳拉力较大（约%0 1），才能保证提引器能在钢丝绳反扭力的作用下自由旋转，以保障起下钻杆的安全与可靠。因此，旋挖钻机的钢丝绳主要起提升钻杆和钻具的作用。旋挖施工过程中，提升和下降钻杆时，作用在钢丝绳的力是一个交变荷载。钢丝绳开始提升时，由于旋挖钻斗与地层之间的握裹力及上覆泥浆的静压力，加上钻具自重，钢丝绳上承受的负荷最大。一旦将旋挖钻斗提离钻孔底部的瞬间，作用在钢丝绳上的负荷突然变小，此时，旋挖钻斗与地层之间的握裹力消失，孔内的泥浆对旋挖钻斗产生向上的浮力，作用在钢丝绳上的拉力最小（阻力为重力加上侧摩阻力）。以后由于浮力越来越小，作用在钢丝绳上的拉力逐渐增大，当旋挖钻斗底部离开钻孔泥浆液面的瞬间，作用在钢丝绳上的拉力第二次达到最大，钢丝绳的最大拉力为钻具的自重、旋挖钻斗的自重、钻桶内渣土的重力之和。通过以上论述可以看出：旋挖钻机施工需要频繁提升、下降钻具，因此要求钢丝绳耐磨性好，强度高。!,国产钢丝绳分类（见表%）表%国产钢丝绳分类分类依据钢丝绳类别优点缺点按钢钢丝丝的绳接中触钢状丝态与分点接触式钢丝与钢丝间接触应力大使用寿命较短线接触式钢丝与钢丝之间呈线状接触，消除了点接触的二次弯曲应力，降低了钢丝绳工作时总的弯曲应力，耐疲劳性能好价格较高面接触式能承受较大的横向力多用于索道承载索，旋挖钻机很少使用按钢丝绳中绳芯分有 机 芯（麻芯或棉芯）挠性和弹性较高不能承受横向压力，不宜缠绕在卷筒上，耐高温辐射性差纤维芯弹性和挠性较高不能承受横向压力，耐高温性差石棉芯弹性和挠性较高，耐高温性较好不能承受横向压力钢芯强度较高，能承受高温和横向压力，适宜受冲击负荷、热、挤压条件下工作挠性较差!,#钢丝绳结构选择旋挖钻机一旦选定，卷扬机就已经确定，钢丝绳的绳槽几何尺寸等物理参数是固定的，因此，选择钢丝绳的直径必须满足旋挖钻机使用说明书中的要求。根据2/3&%&$附表4提供的钢丝绳主要用途推荐表，旋挖钻机优选$!探矿工程!年第$期万方数据!#$%&()结构的钢丝绳。这种钢丝绳的特点是：抗拉强度高，耐冲击，润滑性能好，但钢丝绳刚性较大。!*钢丝绳长度的优选根据多年的施工经验，旋挖钻机钢丝绳长度的选择需要注意以下个因素：一是当钻具提出孔口卸渣时，钻具中心线、定滑轮、导向轮、钢丝绳位于卷扬的位置应在同一竖直平面内；二是在保障安全的情况下，钢丝绳越短越好。由于当钢丝绳全部缠绕在卷扬机上，当钢丝绳第一层缠绕满后，跳到第二层时，钢丝绳自身有一个相互摩擦的过程，在钢丝绳跳跃的地方，钢丝绳磨损最快，因此，若钻孔深度不是很深时，卷筒上钢丝绳不宜超过层，钢丝绳总长度为孔深、钻机高度之和，再剩余+,!-.比较适宜。#影响钢丝绳寿命的主要因素#*!钢丝绳的润滑性能和表面特性首先，由于钢丝绳在定滑轮上移动，将与定滑轮产生一定的摩擦，如果钢丝绳没有润滑，将产生较大的摩擦阻力，不但钢丝绳容易损坏，而且有可能破坏定滑轮，造成机械事故。因此，钢丝绳的润滑性能和表面特性直接影响钢丝绳的使用寿命，保持钢丝绳润滑良好，清洁，表面不能有泥土、砂砾及铁屑等杂物，并且消除钢丝绳内部张力（通常俗语叫“泄劲”）是不能忽视的。#*#钢丝绳与卷扬机的联结状况这是影响钢丝绳使用寿命的一个非常重要的因素。-年,月，北京某工地的一台新到旋挖钻机就出现类似情况。由于装钢丝绳时没有仔细检查，固定钢丝绳的螺栓穿过卷筒侧壁进入卷筒内，进入部分不到.，结果只钻进-延米，一根新的进口钢丝绳即被螺栓刮坏。因此，组装钢丝绳时必须检查卷筒内壁及卷轴是否光滑，绳槽是否规整，排绳器工作是否可靠。图+钢丝绳夹的正确布置方法此外，钢丝绳与提引器的联结状况直接关系到设备使用的安全程度，也是影响钢丝绳使用寿命的一个关键因素。钢丝绳与提引器的连接应该考虑以下几个问题：一是绳卡的位置及方向、绳卡的规格、数量和间距等，必须按规定要求使用，正确的绳卡布置和方向如图+所示；二是提引器充分润滑，旋转自由灵活；三是提引器上端通过销轴与索具套环相联结，且通过定滑轮轮槽铅垂而下的钢丝绳与提引器的轴线处在同一铅垂线上。#*$导向轮的运转灵活程度当卷筒内钢丝绳由左向右排绳时，导向轮应随钢丝绳左右摆动，避免钢丝绳与导向轮轮槽之间的相互摩擦，造成钢丝绳过早的磨损。#*定滑轮的磨损程度及润滑通过图可以看出：使用新滑轮时，钢丝绳与滑轮之间的接触面较小，摩擦阻力较小，随着滑轮的磨损，钢丝绳与滑轮之间的接触面逐渐增加，摩擦阻力增大，当旧滑轮的磨损量超过钢丝绳直径的一半时，钢丝绳与滑轮之间的摩擦阻力达到极限，钢丝绳在滑轮中移动非常容易被损坏，因此就应该尽快更换滑轮。图定滑轮磨损对钢丝绳寿命的影响同时，滑轮的润滑也关系到钢丝绳的磨损速度。目前，旋挖钻机的滑轮润滑形式有种：一种是设计有用于加润滑油的黄油嘴，通过黄油嘴将润滑油注入到轴承中进行润滑，这种润滑方式简单、方便、实用，便于设备维护人员定期对滑轮润滑；另一种是安装时预先将润滑油加在轴承中，滑轮运行时自润滑，这种润滑方式必须定期将滑轮中的轴承拆卸出来，增添润滑油，对施工单位和设备维护人员来说，滑轮保养不方便。$设备操作时与钢丝绳有关的注意事项（+）避免经常性冲击荷载。旋挖钻机在施工过程中产生冲击荷载的因素有：墩钻头、提升过程中速度不均匀和提钻时由于孔内阻力的影响产生的荷载变化。用肉眼可以观察到：当钢丝绳受冲击荷载时，钢丝绳变细变长，钢丝（股）变松弛，且伴有钢丝绳润滑脂从丝（股）间飞溅出来。因此，当提升困难时，回转（当使用捞砂钻斗时只能反转）与提升不能同时进行，因为回转产生的摩擦阻力同样也会附加于钢丝绳上，会对钢丝绳造成不必要的疲劳破坏。（）下放钻具时，特别是钻斗底部接近孔底时，应放慢下降速度，防止钢丝绳下放过多、过快，使松弛的钢丝绳打卷，形成死弯，毁坏钢丝绳。（/）放倒桅杆时，由于“额头”与主卷扬的距离缩短，应随时回收钢丝绳，防止钢丝绳在卷筒上排列混乱，损毁钢丝绳。（0）竖立桅杆时，主卷扬应处于自由下落状态，因为此时卷扬机、导向轮、定滑轮和提引器之间处于非正常工作状态，因此，如果主卷扬被锁定，钢丝绳将因承受额外荷载产生疲劳。（,）钢丝绳使用一段时间后，将出现润滑不良的现象，因此应及时均匀涂抹少量钢丝绳润滑脂，保证钢丝绳良好润滑。（1）运输过程中，应将钢丝绳捆扎牢固，防止不必要的磨损，更不能让钢丝绳在运输途中掉下来，沿着马路拖着走，将钢丝绳损坏。钢丝绳的报废因为使用的特殊性，钻进中一旦出现钢丝绳断裂事故，将附带造成其它孔内事故的发生（如埋钻、卡钻等），因此，必须引起施工人员的高度重视。由于旋转钻机生产厂商建议按照 2 30/-#标准和规范选择钢丝绳；同时，考虑到几乎国内进口旋挖钻机都采用国产钢丝绳，国家有4 5,#6 7 1标准。综合以上种因素，（下转第 1页）/-年第1期探矿工程万方数据!岩矿浆在管道内的上返流动如何将水力射落下来的矿屑通过井内管柱可靠、高效地输送到地面也是钻孔水力采矿不容忽视的问题。水力输送环节首先必须考虑矿屑的密度、粒度范围和在升举液中的合理分布浓度，同时应结合相应的孔深和管径对升举液的密度、流变性、流量及流速进行优化设计，使其既有较好的悬浮输屑能力，又有较低的流动阻力，保证矿屑的有效输送、避免重复破碎以及进行合理的泵送设备选择。固体颗粒在流体中的沉降速度研究确定是设计的基础工作，应切合实际考虑升举液的流态、流速分布、颗粒形状的不规则和群颗粒的相互作用对沉降的影响。在钻孔水力采矿中，准确控制泵量可以“分选”不同粒径的岩矿颗粒，当流速一定时，某一粒径尺寸以下的颗粒高效上返，而较大的颗粒则不能上返，继续接受水枪“洗礼”使粒径变小，直到达到上返条件。与纯液体相比，用气体或气液混合物进行水力升举时，管道中的流动状况要复杂得多。因为气体的可压缩性很大，其压缩程度直接受压力控制。含气升举液在管中上返流动时，由于沿孔深压力不同，致使其密度、流速和粘度随孔深而有较大的变化；反过来，密度、流速和粘度又恰恰影响了沿程阻力损失即决定了压力的变化，因此含气升举液流动参数之间的关系是相互制约的复杂函数关系。一个明显的现象是地表出口处具有极高的流速而在井底的体积流速却很缓慢。因此，定量研究出含气升举液流速沿孔深的变化规律对钻孔水力采矿具有重要意义。采区地层的稳定随着孔内岩矿体被采出，开采段的孔径扩大，形成一定规模的地下洞穴。这种洞穴引起的地层应力失衡和地层位移有可能使钻孔上覆地层发生失稳破坏，有可能导致以下几方面的危害：（!）出现地层整体向下塌陷，造成地面构筑物破坏。这种情况，在浅孔水力采矿时更易发生。（）地层的位移、破坏，有可能损坏上部地层中的其它设施，如原有巷道、竖井、地下管线等。（#）孔壁的严重坍塌，会造成卡、埋钻孔中水采钻具的事故。（$）严重坍塌致使矿体顶板以上的非矿层岩石大量落入水采层段，开采上来的将是非矿岩石。为此，必须对水力采矿地层进行稳定性预测、计算。一般规律，采段直径越大，洞穴稳定性越差。控制水力采矿段的落岩直径，使其处在安全范围内，这对确保安全、高效地进行水采施工是很必要的。从理论上对水采区地层进行形成洞穴情况下的应力、应变分析计算，确定安全的水采直径，可以运用力学和数学方法来实现。但是，首先要对地层环境和采空区形态做出可付诸理论推导计算的合理简化。例如，假设地层为均质连续弹性体，采空区近似为圆柱形，视孔下岩石是无限体或半无限体，按无穷远处作用的均布载荷形成原地应力场，把采空段当作无限或半无限弹性体中的平面应变问题来考虑等。这样，按弹性力学、有限元法，并结合材料强度理论，就能获得水采地层应力、应变分布和状态，并能得出安全水采的控制直径。当然，地层情况和水采洞穴的状况是相当复杂的，尤其是岩石的不均匀性和地层结构的突异性，往往使按理想条件计算的结果与实际产生较大的误差。因此，在做理论计算分析时，应根据详细地层资料等，对理论过程进行必要的修正，对计算结果进行!可靠性程度分析和切合实际的调整。（上接第#页）笔者建议旋挖钻机用钢丝绳报废时应注意以下几点：（!）由于旋挖钻机钢丝绳与提引器联接端部经常浸泡在泥浆中，非常容易产生腐蚀，所以应经常检查钢丝绳卡的紧固性和钢丝绳端部的断丝情况，若在提引器端部附近出现明显的断丝现象，可将短丝部分切除，再重新与提引器联接，但是，在切除过程中，必须保证钢丝绳的总长度，满足在卷筒上缠绕最少圈数的要求。（）由于旋挖钻机卷筒在缠绕钢丝绳的换层处容易产生摩擦和磨损，特别是缠绕钢丝绳时，由第一层缠满后跳跃至第二层的瞬间，钢丝绳相互摩擦非常严重，容易产生断丝和拉裂现象，若断丝达到报废要求，应立即报废。（#）缠绕卷筒时，静止的钢丝绳由于受到运动钢丝绳的挤压，可能产生断丝、变形、绳股挤出或钢丝挤出现象。一旦出现钢丝绳径局部增大或减小，部分被压扁等情况之一者，则应立即报废钢丝绳。（$）钢丝绳直径磨损达到!%&以上时，应立即报废。另外，对所有报废钢丝绳，检验人员应分析其损坏和报废原因，以便新更换的钢丝绳避免出现类似的损坏。结语旋挖钻机在施工过程中，应严格按规范操作，定期检验钢丝绳的磨损及腐蚀情况，并认真做好现场维护、保养和施工记录，这些记录可用来预测给定类型的钢丝绳在旋挖钻机使用上的有效性能，并有效调整设备维修程序及控制备用钢丝绳的库存量等，提高钢丝绳的使用寿命，从而降低成本，提高施工企业的综合经济效益。探矿工程%年第期万方数据如何提高旋挖钻机钢丝绳的使用寿命如何提高旋挖钻机钢丝绳的使用寿命作者：陈辉，杨明友作者单位：陈辉(北京建材地质工程公司,北京,100102)，杨明友(北京探矿工程研究所,北京,100083)刊名：探矿工程-岩土钻掘工程英文刊名：EXPLORATION ENGINEERING(ROCK&SOIL DRILLING AND TUNNELING)年，卷(期)：2002，(6)被引用次数：0次 本文链接：授权使用：长沙理工大学(cslgdx)，授权号：ae0e0390-17a5-40f8-aa43-9ea100ae920c下载时间：2011年3月9日