煤矿钢丝绳安全系数计算基准探讨

煤矿钢丝绳安全系数计算基准探讨

煤矿钢丝绳安全系数计算基准 摘要:钢丝绳作为矿井提升设备的重要承载部件，其安全性对矿井系统的安全、经济运行具有重要作用，钢丝绳安全系数的正确计算与确定是提升运输安全的重要内容。我国目前对矿用钢丝绳安全系数计算基准存在有关规定和理解不一致问题，造成实际工作中的诸多困难，并可能由此造成事故隐患。本文就此问题进行了系统的调查研究和分析，并提出了相应意见和建议。

关键词:钢丝绳;安全系数;计算;基准

钢丝绳作为矿井提升设备的一个重要承载部件，也是矿井提升机械中易损且消耗最大的材料之一，其安全性对矿井提升运输安全具有重要作用，我国因钢丝绳断裂而产生的重特大事故时有发生且防不胜防，造成重大人身伤亡和财产损失。在矿井提升系统正常运行中，钢丝绳除受到静拉力外，其内部还受到弯曲、扭转、挤压等应力的作用，在各种应力的作用下，钢丝绳的寿命将大大降低，另外，机械磨损、超载疲劳、腐蚀也会降低钢丝绳寿命。因此，合理选择钢丝绳尤其重要，而安全系数是钢丝绳选用的一个关键因素。《煤矿安全规程》、《金属非金属矿山安全规程》(GB16423,2006)对钢丝绳的选择、使用提出了明确要求;《重要用途钢丝绳》(GB8918,2006)规定了重要用途钢丝绳的分类、技术要求与检查试验方法，淘汰了部分钢丝绳用于重要用途，提高了重要钢丝绳的检验要求。但在实际操作过程中，由于相关规定间存在不一致，有关人员在理解上存有差异，对GB8918新标准的执行上也有不同看法，造成实际工作中的诸多困难，并可能由此造成事故隐患。对相关问题进行系统的调查研究和分析，并提出相应的意见和建议，具有重要的

现实意义。

1 基本术语

1.1 钢丝绳的3种破断拉力

《钢丝绳术语、标记和分类》(GB/T8706,2006/ISO17893:2004)、《重要用途钢丝绳》(GB8918,2006)规定了钢丝绳的3种破断拉力。

1.1.1 钢丝绳最小破断拉力

钢丝绳的最小破断拉力值，是制造钢丝绳或做整绳破断拉力试验时，应该达到的拉力值下限，是衡量或检验钢丝绳性能的重要指标之一，也是一个统计经验值，按下式计算:

式中:F为钢丝绳最小破断拉力，kN;K'为某一指定结构钢丝绳的最小破断拉力系数，0

可从GB8918,2006表2中查得;D为钢丝绳公称直径，mm;R 0

为钢丝绳公称抗拉强度，MPa。

1.1.2 钢丝绳整绳破断拉力

钢丝绳整绳破断拉力F，是整根钢丝绳受静载荷单向拉伸破断时的实际拉力，即钢丝绳s

承载能力的实测值。由于其考核钢丝绳的实际承载能力，因而更具实际意义。

1.1.3 钢丝的破断拉力总和

钢丝绳钢丝的破断拉力总和F，是采用拆股试验，全部或部分地测试出钢丝的实际破断z

拉力，其总和为实测的钢丝绳钢丝的破断拉力总和。由于为其钢丝绳承载能力的初略估算值，不能真实准确地反映钢丝绳的承载能力。

对于钢丝绳，由于钢丝绳捻制质量等的影响，上述3种破断拉力一般有如下关系:

F?F?F (2) 0sz

钢丝绳拉断力F比其组成钢丝拉断力总和F一般小13%,25%左右。GB8918,2006附sz

录A中给出了F与F间的换算系数。 sz

1.2 钢丝绳安全系数

我国矿用钢丝绳的强度计算依据《煤矿安全规程》规定，按最大静载荷并考虑一定安全系数的方法进行计算，即钢丝绳的安全系数为实测的破断载荷与其所承受的最大静载荷之比。

根据煤矿提升钢丝绳工作特点，可绘制出其工作示意图，见图1l。由图可见，钢丝绳的最大静载荷作用于最上点(天轮啮合处)，其值为:

图1 钢丝绳工作示意图

式中:F为钢丝绳承受的最大静载荷，N;G为一次有益载荷，N;G为容器重量，N;max12G为钢丝绳单位长度重量，N/m;H为钢丝绳悬垂长度，m;m为一次提升有益质量，kg;31

m为容器质量，kg;m为钢丝绳单位长度质量，kg。 23

其中:H=H+H+H (4) 123

式中:H为钢丝绳悬垂长度，m;H为井架高度，m;H为矿井深度，m;H为容器装载123高度，m。

钢丝绳的安全系数可由下式计算得到:

式中:m为钢丝绳安全系数;F为钢丝绳本身所能承受的极限载荷，即破断载荷。 a

对于钢丝绳所能承受的极限载荷即为致使钢丝绳破断的载荷。由上可知，目前对钢丝绳破断载荷有3种表示方式，即钢丝绳最小破断拉力(F)、钢丝绳整绳破断拉力(F)和钢丝的破断0s拉力总和(F)。 z

2 钢丝绳安全系数的计算基准

由式(5)可见，钢丝绳安全系数计算的正确与否与钢丝绳本身所能承受的极限载荷(F)的合理确定密切相关，即钢丝绳安全系数计算基准问题。

《煤矿安全规程》第四百条规定:钢丝绳的安全系数，等于实测的合格钢丝绳拉断力

的总和与其所承受的最大静拉力(包括绳端载荷和钢丝绳自重所引起的静拉力)之比。

《煤矿安全规程》第四百零二条规定:以合格钢丝拉断力总和为准算出的安全系数，如低于本规程第四百条的规定时，该钢丝绳不得使用。

从字面上看，上述两种规定间存在矛盾。计算钢丝绳安全系数时，前者以合格钢丝绳拉断力的总和(F)为基准，后者以合格钢丝拉断力总和(F)为准。由于钢丝绳拉断力(F)一般小于szs合格钢丝拉断力总和(F)，因而前者要求更为严酷。 z

笔者就此问题进行了专门研究，并广泛征求了检测检验、设计、研究、使用方面的专家和标准起草人的意见，认为《煤矿安全规程》所规定的矿井提升用钢丝绳安全系数计算基准应是“合格钢丝拉断力总和(F)”，而不应是“合格钢丝绳拉断力的总和(F)”。理由有以下几方面: zs

(1)从《煤矿安全规程》制修订过程和原煤炭工业部有关规定的沿革看，《煤矿安全规程》实际上规定的应是后者。其中第四百条“钢丝绳拉断力”的出现是1996版出版时的印刷错误，以后各版本一直沿用。因为1992版及其《执行说明》中均明确“以合格钢丝拉断力总和为准”，

而1996年修订时并未对该条款进行修改。

(2)由中国煤炭工业劳动保护科学技术学会组织权威专家编写的《<煤矿安全规程>读本》中明确指出“安全系数是每根钢丝的破断力之和与最大静张力之比，不是钢丝绳的破断力。”

(3)《金属非金属矿山安全规程》(GB16423,2006)规定，钢丝绳安全系数计算以合格钢丝拉断力总和为准。

(4)我国几十年的应用实践表明，以合格钢丝拉断力总和为基准计算钢丝绳安全系数并未发现存有不妥，能够保证矿山使用安全。而以钢丝绳破断拉力为准计算安全系数相当于提高了安全系数，绝大部分在用设备可能不能满足这种要求。

3 合格钢丝绳拉断力总和(F)的确定方法 z

2006年，我国修订发布了强制性国家标准《重要用途钢丝绳》(GB8918,2006)，其中第6.2.6条规定以钢丝绳最小破断拉力考核钢丝绳相关性能，删除了前一版本中的钢丝破断拉力总和这一指标。其附录C中还进一步明确:“测钢丝绳破断拉力，除能测定钢丝绳拉力外，还能考核钢丝绳捻制质量水平，更能保证钢丝绳的实际使用性能;测钢丝破断拉力总和不能反映捻制质量水平，不能完全保证使用性能，是一个代用指标。”

笔者认为，GB8918,2006的规定是科学合理的。为贯彻执行国家标准，同时执行《煤矿安全规程》等的规定，并考虑矿山实际和钢丝绳检测、取样等相关问题，笔者提出以下意见和建议:

安全系数的计算基准以合格钢丝拉断力总和(F)为准，但对新、在用钢丝绳，采用不同的z

确定方法，并以此为基准计算钢丝绳安全系数:

(1)对于新钢丝绳，其合格钢丝拉断力总和不采用实测值，而以钢丝绳破断拉力为基础，利用GB8918,2006附录A中给出的换算系数求得。据了解，这也是部分矿山设计院钢丝绳选型的通用做法。

(2)对于在用钢丝绳，由于样品取样问题(进行钢丝绳破断力试验需3 m以上样品)及检测检验机构的检验能力(目前仅有2家安全生产甲级检测检验机构具备整绳破断力试验能力，具备相应检测能力的钢丝绳生产厂家也为数不多)，仍以实测方法确定合格钢丝拉断力的总和。待条件成熟后再采用与新钢丝绳同样的方法，计算安全系数。

需要说明的是，由于提升钢丝绳在工作过程中所引起的应力非常复杂，影响钢丝绳使用寿命的因素又很多，所以安全系数并不代表钢丝绳真正强度安全储备值，而仅仅表示经过实践证明在规定的安全系数的条件下，钢丝绳才能安全可靠地运行。为确保矿井提升安全，应该对钢丝绳安全系数的合理计算与确定予以更多的关注。

4 结论

通过对钢丝绳安全系数计算方法研究，本文得出以下结论:

(1)以合格钢丝拉断力总和为准计算钢丝绳安全系数符合现行《煤矿安全规程》规定，并能满足矿山安全生产的需要。

(2)对于新钢丝绳，合格钢丝拉断力总和宜以钢丝绳破断拉力为基础，通过换算系数求得，这更能保证矿用钢丝绳的使用安全。

(3)对于在用钢丝绳，目前仍暂以实测方法确定合格钢丝拉断力的总和。

(4)应加强对钢丝绳运行过程的力学研究、分析，提出更加合理、科学的安全系数计算方法，为钢丝绳的制造和使用提供理论依据。