大直径高强度钢丝绳预变形装置改进

知识点：预变形技术

在高强度钢丝绳研究项目中，钢丝绳的股结构为49SWS(1+8+8+8/8+16)，组股钢丝层数多，达到4层；钢丝绳股直径达到29.3 mm，钢丝的抗拉强度达到2 060 MPa。要对此大直径、高强度、复杂结构的股实现预成形是比较困难的。由于高强度钢丝绳具有强大的抗压力，没有足够的变形量难以改变股的形状，而且高强度、高韧性钢丝的弹性大，股在预变形器中短时间内发生的螺旋变形往往因钢丝强度高而恢复，使曲率变小，引起钢丝绳松散，因此，有必要研究大直径高强度钢丝绳的预变形装置，以满足高强度钢丝绳研究项目的需要。

传统的可调节卧式预变形器基本结构主要由座体、蜗轮副、花键轴、中心轴、后端盘、中间盘、前盘、辊轮等几部分组成。

在生产中、小直径钢丝绳时，采用传统的预变形器对生产不松散钢丝绳非常有效，但钢丝绳直径超过60 mm，采用扳手转动蜗杆轴的方法进行生产，就会出现转不动的现象，这是因为随着钢丝绳直径的增大，钢丝绳的捻距随之增大，相应的预变形器的端盘直径、变形辊轮、辊端距等各方面尺寸增大，体积增大，重量增加，在各传动部件之间的摩擦力增大，再加上大直径股绳的变形力相应增加，蜗轮转动需要克服的力增加，导致传统的人力驱动不能满足股绳变形的需要。通过分析，大直径高强度钢丝绳的预变形装置主要解决的是压弯驱动力的问题，提出选择常用的电机作为动力输入端来解决这一问题。

钢丝绳为6股单层股钢丝绳，公称直径90 mm，公称强度1 960 MPa，部分钢丝强度控制在2 060 MPa以上，股结构为49SWS(1+8+8+8/8+16)，如图1所示。

钢丝绳绳股配丝见表1，捻制参数见表2。

根据钢丝绳捻距，预变形器前端盘变形辊轮节圆直径确定为C1=625 mm；根据预变形参数的要求，辊端距L取496 mm,变形锥角取38°，则可计算出中间辊和后变形辊节圆直径分别为C2=786  mm、C3=947 mm，变形辊轮工作直径选择为100 mm，如图2所示。

不考虑弯曲时钢丝间的相互作用力，将股绳视为直钢丝束整体来考虑，则股绳的变形可以按梁弯曲变形来考虑[4]，计算单根绳股的变形力，计算出1根绳股变形需要的弯曲力应大于6 064 N，6根股绳变形力F为36 384 N.

按传统的可调节卧式预变形器的结构设计，中间盘与花键轴为平键连接，花键轴与蜗轮为花键连接，要实现股绳的预成形，中间盘的周向转动，也就是实现蜗轮的转动。从蜗轮的输出转矩要克服股绳弯曲变形力矩、花键轴与中心轴、花键轴与后端盘之间梯形螺纹之间的摩擦力矩、后端盘在轴向移动时与座体之间的摩擦力矩等。

股绳弯曲力对花键轴中心的力矩为MⅢ，其大小MⅢ=F×C2/2=14 300 N·m。

从实际经验可知，安装于合绳机上的预变形器在自身重力影响下其内部螺纹之间形成的摩擦力矩比较大，这里取股绳变形力矩的1/2计算，即7 150 N·m；则蜗轮的输出转矩MⅡ为MⅡ＞121 450 N·m。

减速机与花键轴之间采用蜗杆传动, 蜗杆传动比大且准确、传动平稳，在一定条件下可实现自锁，但效率低，蜗杆头数取1，蜗轮齿数取71，传动比为71/1，传动效率取0.40；则输入蜗杆的转矩MⅠ＞MⅡ/（71×0.40）N·m =755 N·m。

选择上海锐进传动的KA67-U2.2-1/60.66-M5型减速机作为蜗杆的输入端，该减速机与电机为直连式设计，结构紧凑，体积小，输出转矩达到844 N·m，满足计算要求。

与传统的预变形器相比，减速机式预变形器在座体上设计了支架位置，用于安装电机、减速机。在保证输出力矩的前提下，选择电机直连式减速机，节省了空间，保证不妨碍股绳通过。减速机与蜗杆之间采用平键连接，由电机驱动。

经生产使用验证，减速机式预变形器辊端距、压弯量调整方便省力、效率高，使用此装置生产的φ90 mm的6×49SWS+IWRC钢丝绳捻制均匀、紧密，表面平整，拆股检测绳股变形率达到95%，钢丝绳具有良好的不松散性能。

相关知识点参考资料：

1、技术施工阶段某矿竖井结构布置施工图

2、竖井内电缆桥架安装技术交底.pdf