一、课题背景、目的 目前，我国煤矿及非煤矿山立井提升主要采用的形式为单绳缠绕式和多绳摩擦式提升机系统。由于矿井深度和产量的不断增加，缠绕式提升机的卷筒和宽度也随之加大，使得提升机卷筒体积庞大和笨重，给运输、加工和安装带来很大不便。为了解决这个问题，于是出现了利用摩擦衬垫与钢丝绳之间的摩擦力来带动钢丝绳，以实现提升容器的升降的摩擦提升。这种提升方式与缠绕式提升相比，卷筒的宽度明显减小，而且不会因井筒的深度增加而增大以及整机的体积和重量大大减小。多绳摩擦提升由于是多根钢丝绳工作，所以检修和维护也相对困难，工作量繁重。因此，研制一种安全性能高，操作简单，无需大量准备工作的提升装置对矿井的高产高效尤为重要。
1.调节方法与现状
现各矿采用的调节方式主要是：手拉葫芦升降罐笼、稳车升降罐笼、首绳悬挂调节。
手拉葫芦升降罐笼时，首先将被调罐笼停至井口处，另一侧的提升钢丝绳采用卡绳器卡住固定，在罐笼的四角处各用四根钢丝绳绳套穿入罐笼本体，与井架上固定的手拉葫芦相连接，然后四个点同时上拉葫芦，以达到罐笼上提钢丝绳松弛的目的。这种方法主要存在的缺点较多：钢丝绳绳套较长，操作不便；手拉葫芦自重大，安装和拆卸困难，不安全因素多，工人劳动强度大，工作时间长。
稳车升降罐笼是在井架外固定一稳车，提升绳通过固定在井架上导向滑轮后与罐笼连接，另一侧采用卡绳器固定后，通过稳车滚筒的转动实现罐笼的升降。这种方法较手拉葫芦升降相比，在一定程度上减轻了工人的工作时间和劳动强度，但准备时间较长，需在井架上固定和拆卸大吨位滑轮，将稳车提升绳绕过滑轮与罐笼固定，工人在高空作业，危险性较大。
首绳悬挂调节是利用系统自身的特点使油缸活塞杆伸出，缩短钢丝绳与罐笼之间的距离，反复调节实现调节伸长的目的。这种方式与前两种方式相比，无需增加辅助件，直接采用系统本身即可完成调节绳长的目的。但由于悬挂装置每次可调节的高度较短，就必须反复给调节油缸打压和拆卸契形绳环，无形中增加了工人的劳动时间和劳动强度。
2.本课题研究的方向
为解决上述问题，结合理论和现场实际情况，设计研制了一种结构简单、布置合理、操作方便的立井摩擦提升首绳起重装置，此装置采用上下双卡绳器交替卡住外侧提升钢丝绳，通过油缸驱动卡绳器上行和下放，将罐笼提至所需的高度，实现中间提升绳的松弛，对中间提升绳调整完毕后即可调整外侧提升钢丝绳。此装置安装在井架的导向轮处，不影响系统正常提升，使用时通过行走机构将设备推至外侧钢丝绳处，无需人员操作卡绳机构，直接操作液压系统即可完成，无需其他辅助设施，单人即可完成操作，可大大减轻劳动时间和工人的劳动强度，将工作效率提高数倍以上，使调节首绳长度的工作更安全、可靠、高效。
二、本课题研究的意义
1.本课题研究内容
本课题从理论上对卡绳器卡紧力进行了分析，设计出了油缸驱动绳楔开闭的卡绳器、行走机构、底座、双液压缸驱动体、液压系统和电控系统等组成的立井摩擦提升首绳起重装置。该装置综合了鳄式卡绳器和罐道绳连续拉紧装置的优点，结合现场实际情况和使用条件，无需事前大量的准备工作，使其操作更简单可靠，并可根据需要任意调整罐笼的高度，且升降平稳，速度可调，复位方便，免维护。通过理论计算、产品试制、工业性试验后可大量推广使用。
2.应用前景及现实意义
此装置应用前景十分广泛，适用于任何立井摩擦提升，无需改动井架结构，安装后不影响系统正常提升。应用此装置对保证矿井安全生产、高产高效、减少劳动时间和工人的劳动强度有着十分重要的现实意义和社会效益。
三、卡绳器设计计算
1.卡绳器可靠性系数计算
在卡绳器的设计过程中，采用一种滚动摩擦楔形自锁机构，在钢丝绳与楔面摩擦力的作用下，推动绳楔向下运动，使绳楔圆弧面夹紧钢丝绳。然后在钢丝绳作用于楔子上力F2（F2即载荷）作用下继续拉动绳楔向下移动。钢丝绳与绳楔的摩擦系数为 2 ，只有当摩擦力 2 N2>F2时，卡绳器才能形成自锁，绳楔夹紧钢丝绳后才不会产生相对滑动。
如左上图所示，绳楔的自锁条件如下关系式：
F1= 1N1 （3—1）
F2≤ 2N2 （3—2）
根据力平衡方程∑X=0得：N2-N1cos + 1N1sin =0
则：N2=N1（cos - 1sin ） （3—3）
根据力平衡方程∑Y=0得：F2-F1cos -N1sin =0
则：F2=N1（ 1cos +sin ） （3—4）
把式（3—2）、（3—3）代入（3—4）式，得下式：
N1（ 1cos +sin ）≤ 2N1（cos - 1sin ）
sin （1+ 1 2）≤cos （ 2- 1）
整理后得：tan ≤ （3—5）
必须满足（3—5）式的条件才能自锁
其中： ——绳楔的斜角； 1——绳楔与滚子之间的摩擦系数； 2——绳楔与钢丝绳之间的摩擦系数。
取 1=0.02， 2=0.2
根据（3—5）式则得：tan ≤=0.18
arctan0.18 = 10°12″
所以 =10°12″的绳楔即可自锁。考虑到摩擦系数的变动，为了更加安全可靠取， = 6°。
卡绳可靠性系数是指钢丝绳对于绳楔的作用力F2同绳楔与钢丝绳之间摩擦阻力 2N2之比。 2N2若大于F2则楔子能自锁。
由（3—4）式：N1=
把N1代入（3—3）式得：N2 = 卡绳可靠性系数：K=（3—6）
计算可知：tan6° = 0.10510；sin 6° = 0.10453；cos 6° = 0.99452
把以上各个值代入式（3—6）得：K==1.60，即卡绳器可靠系数为1.60 。
2.绳楔、楔背与圆柱滚子接触应力计算
每个绳楔与楔背之间采用25×20圆柱滚子，2列，每列14个。绳楔、楔背和圆柱滚子的材料均为GCr15，允许接触应力[ max]≤28000㎏f/㎝2由可靠性系数验算可知：N1=，tg =， =5°42’38″（≈6°）
F2==10000㎏f，将各数代入上式得N1==80353㎏f，
其中：Lp=25mm，r=10mm，E=2.1×106kg/cm2，P==2869kgf带入得 max=0.418 =20520kgf/cm2， max <【 max】 安全
四、首绳起重装置的设计、制造、试验
在研究国内外现状的基础上，对卡绳器卡紧力进行分析，依据其受力状态及布置形式，对首绳起重装置的机械系统、液压系统和电控系统分别进行了设计。
1.机械系统
该装置主要由底座、行走机构、基座、上卡绳器、下卡绳器、双液压缸驱动体、支撑机构、导向架等组成。底座为型钢焊接而成的巨形框架结构，安装在井架的基础梁上，作为基座的支撑梁和行走机构的滑道。行走机构和下卡绳器、支撑机构、双液压缸驱动体安装在基座上，双液压缸驱动体的活塞杆与上卡绳器连接，油缸环形往复运动，可以带动上卡绳器上下移动，卡绳器绳楔均由小油缸控制的杠杆打开和关闭，实现卡绳和松绳的目的。行走机构的滚动轮可在底座的滑道里前后移动，实现设备就位和撤除，支撑机构为螺旋千斤顶结构，使用时支撑基座，使行走机构脱离滑道，此外还可弥补底座基础不平引起的影响。导向架主要为提升钢丝绳导向，防止上卡绳器绳楔打开时钢丝绳脱离绳槽，它与上卡绳器连接，随卡绳器一起上下移动。通过上下卡绳器的交替卡绳及双液压缸的环形往复运动，提升或下放提升钢丝绳，从而带动罐笼上提或下放，完成钢丝绳调节绳长的目的。
2.液压系统
液压站采用双机双泵工作，一用一备，保证了系统的高可靠性。提升力的大小由油缸的推力大小来保证，绳楔的开闭力的大小是恒定的，因此系统安装了减压阀和节流阀，对高低压系统进行分别控制，互不干涉，无论高压系统压力如何变化，低压系统始终为定值，保证了绳楔开闭力的大小和速度，也在一定程度上增强了设备的可靠性，即绳楔在卡住钢丝绳作用时，即使给油缸通入压力油也不会使绳楔打开，造成安全事故。
3.电控系统
液压系统均采用电磁阀，因此电控系统必须满足各阀的使用条件和先后顺序，具备开关互锁功能。控制柜内应具备电压转换变压器，为电磁阀配备可靠工作电压。操作面板上应有急停、1/2号泵选择、溢流阀加载/卸荷、上卡楔开/关、下卡楔开/关、上提/下放和停止等按钮。
4.试验研究
机械系统、液压系统和电控系统分别进行理论设计后，加工了样机，并对其进行了试验。试验是将机械系统的两套提升机构放平后对顶，采用一侧的上卡绳器和另一侧的下卡绳器卡住钢丝绳，接好液压管路和电控系统后进行打压，将压力调定至额定压力的1.5倍，观察卡绳器的受力情况，测定卡绳器各部位的数值变化，同样方法测定另一侧。
①卡绳器的试验。其试验步骤为：（1）将卡绳器编号、检查、清洗，组装在两套提升机构上；（2）将两套提升机构底部对顶对称平放在空地上；（3）接好液压管路和电控系统；（4）将钢丝绳的一端采用提升机构的下卡绳器卡住，另一端采用另一套提升机构的上卡绳器卡住；（5）使液压缸加载，使其最终达到设计拉紧力的1.5倍；（6）同样方法试验另两台卡绳器。
经试验表明，卡绳器能可靠卡住钢丝绳，且卡紧后与绳楔无相对滑动，在拉力达到设计值的1.5倍时卡绳器本体无明显变形，各散件无损坏，油缸卸载后绳楔能自动脱开，对钢丝绳无损伤，其强度和性能均满足设计和使用要求。
②拉紧装置整体动作试验。将提升装置上下卡绳器绳楔打开，在下卡绳器的下方放置一弹簧，采用单边有固定头的钢丝绳从弹簧及卡绳器中穿入并采用上卡绳器卡住，接好液压站管路，给油缸下腔通入压力油，此时上卡绳器带动钢丝绳向上移动，弹簧逐渐压缩，然后停止动作，采用下卡绳器卡住钢丝绳，反复试验。
经试验表明，油缸驱动上卡绳器和下卡绳器交替动作，可实现对钢丝绳的上提和下放，且卡紧力稳定，钢丝绳与绳楔无相对滑动，整体动作灵活可靠，完全满足设计和使用要求。
经现场试验表明，此装置工作性能稳定，使用方便。归纳起来主要有以下几条：①性能可靠，完全可满足上提或下放钢丝绳的工作；②控制简单，可根据需要调整提升力和提升速度；③机械设计新颖，结构合理，布置简单；④可直接工作，无需辅助件，拉伸高度不受影响。
参考文献：
[1]煤矿安全规程.国家煤矿安全监察局，2009.
[2]煤矿专用设备设计计算.煤炭工业出版社，1983.
[3]矿井运输提升.中国矿业大学，2005.