CN112794181A - 提升绳索及立井提升系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升绳索及立井提升系统，其中，提升绳索包括：碳纤维复合材料芯层,碳纤维复合材料芯层由多束碳纤维丝与树脂基体复合而成；混杂纤维复合材料层，所述混杂纤维复合材料层包覆在所述碳纤维复合芯层的表面上；聚合物表层，所述聚合物表层包覆在所述混杂纤维复合材料层的表面上。本发明实施例的提升绳索可以满足轻量化需求，有效提高提升系统运力和提升效率，降低建造和维护成本，解决相关技术中采用钢丝绳作为提升绳的，导致在超千米深井中应用时具有一定局限性等技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及采矿工程技术领域，特别涉及一种提升绳索及立井提升系统。
背景技术
相关技术中，多绳摩擦式提升系统在应用于超千米深立井提升时会遇到以下主要问题：
(一)立井深度越大，提升绳的长度和自重相应增大。现有技术的提升绳采用钢丝绳作为提升首绳和尾绳，由于钢材较高的比重使得提升绳的自重与终端荷重接近，不但降低提升效率，增大提升机规格，而且大幅提高成本；
(二)立井深度超过千米时，提升首绳中的张力变化较大。现有技术的提升绳的疲劳性能难以满足需求，尤其是在实际运行过程中，提升绳的寿命严重缩短，导致提升系统频繁换绳，不仅增加钢丝绳购买成本，也影响了矿山的正常运行，降低企业利润。
(三)立井深度越大，地温、瓦斯、地下水等问题也更为突出，形成了严苛的腐蚀环境。现有技术的提升绳需要额外采用防腐涂层等处理，以满足耐久性要求，从而增加材料成本。
综上，受限于材料本身的特性，采用钢丝绳作为提升绳的提升系统在超千米深井中应用时具有一定局限性，亟待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一目的在于提出一种用于立井提升系统的提升绳索，该绳索可以满足轻量化需求，有效提高提升系统运力和提升效率，降低建造和维护成本。
本发明的第二个目的在于提出一种立井提升系统。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提供一种用于立井提升系统的提升绳索，包括：碳纤维复合材料芯层,所述碳纤维复合材料芯层由多束碳纤维丝与树脂基体复合而成；混杂纤维复合材料层，所述混杂纤维复合材料层包覆在所述碳纤维复合芯层的表面上；聚合物表层，所述聚合物表层包覆在所述混杂纤维复合材料层的表面上。
根据本发明实施例的用于立井提升系统的提升绳索，通过高性能复合纤维提升绳在相同截面面积下承载力，其是钢丝绳的5-10倍，且重量是钢丝绳的1/4-1/5，满足轻量化需求，同时具有优良的耐久性能，大大提升了矿井牵引绳的力学性能与使用寿命，同时降低提升系统自重，显著提升矿井提升系统运力，不但有效提高提升系统运力和提升效率，而且降低建造和维护成本。由此，解决了相关技术中采用钢丝绳作为提升绳的，导致在超千米深井中应用时具有一定局限性等技术问题。
另外，根据本发明上述实施例的用于立井提升系统的提升绳索还可以具有以下附加的技术特征：
可选地，在本发明的一个实施例中，所述多束碳纤维丝沿着所述绳索的长度方向取向。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述多束碳纤维丝为沿所述绳索整个长度范围内延伸的连续纤维。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述混杂纤维复合材料层由多束混杂纤维丝与树脂基体复合而成。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述多束混杂纤维丝包括玻璃纤维、玄武岩纤维与芳纶纤维中的至少之一。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述多束混杂纤维丝沿着所述绳索的长度方向和环绕所述绳索的截面中心方向取向。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述树脂基体包括环氧树脂、聚酯、乙烯基酯和酚醛树脂中的至少之一。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述聚合物表层包括高于预设摩擦系数的弹性体材料和/或大于预设耐磨程度的弹性体材料。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述碳纤维复合材料芯层、所述混杂纤维复合材料层和所述聚合物表层一体成型得到所述绳索。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述绳索的横截面为矩形、圆角矩形与圆形中的一种。
可选地，在本发明的一个实施例中，所述绳索的横截面的厚度小于所述绳索的横截面的宽度。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提供一种立井提升系统，其包括上述的用于立井提升系统的提升绳索。该立井提升系统通过高性能复合纤维提升绳在相同截面面积下承载力，其是钢丝绳的5-10倍，且重量是钢丝绳的1/4-1/5，满足轻量化需求，同时具有优良的耐久性能，大大提升了矿井牵引绳的力学性能与使用寿命，同时降低提升系统自重，显著提升矿井提升系统运力，不但有效提高提升系统运力和提升效率，而且降低建造和维护成本。由此，解决了相关技术中采用钢丝绳作为提升绳的，导致在超千米深井中应用时具有一定局限性等技术问题。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例提供的一种用于立井提升系统的提升绳索的结构示意图；
图2为根据本发明另一个实施例的用于立井提升系统的提升绳索的结构示意图；
图3为根据本发明再一个实施例的用于立井提升系统的提升绳索的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的提升绳索及立井提升系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的用于立井提升系统的提升绳索。
具体而言，图1为根据本发明实施例提供的一种用于立井提升系统的提升绳索的结构示意图。
如图1所示，该用于立井提升系统的提升绳索包括：提供高摩擦系数且耐磨损的聚合物表层1、提供良好拉伸强度和弯曲变形能力的混杂纤维复合材料层2和提供良好拉伸刚度和拉伸强度的碳纤维复合材料芯层3。
具体地，混杂纤维复合材料层2包覆在碳纤维复合芯层3的表面上。
可选地，在本发明的一个实施例中，碳纤维复合材料芯层可以由多束碳纤维丝与树脂基体复合而成，位于所述提升绳索的中心，多束碳纤维丝可以沿着绳索的长度方向取向，而且多束碳纤维丝为沿绳索整个长度范围内延伸的连续纤维。
其中，在本发明的一个实施例中，树脂基体可以但不仅限于包括环氧树脂、聚酯、乙烯基酯和酚醛树脂中的至少之一。
可以理解的是，在一些情况下，碳纤维复合材料作为绳芯，生成碳纤维复合材料芯层3，即绳芯可以由碳纤维与基体材料复合而成。其中，碳纤维复合材料绳芯层3由多束碳纤维丝与树脂基体复合而成，其位于提升绳索的截面中心，从而有效满足轻量化需求，提升了矿井牵引绳的力学性能与使用寿命的同时，降低提升系统自重。
可选地，在本发明的一个实施例中，混杂纤维复合材料层2可以由多束混杂纤维丝与树脂基体复合而成，多束混杂纤维丝可以包括玻璃纤维、玄武岩纤维与芳纶纤维中的至少之一，即由多束包括但不限于玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中的一种或多种组成的混杂纤维丝与聚合物基体复合而成，而且多束混杂纤维丝沿着绳索的长度方向和环绕绳索的截面中心方向取向。
部分实施例中，混杂纤维复合材料层2可以由一种或多种高性能纤维与基体材料复合而成，其中，碳纤维丝为沿着绳索的长度方向取向，且沿绳索整个长度范围内延伸的连续纤维，如碳纤维丝和混杂纤维丝通过聚合物基质束缚在一起，进一步有效满足轻量化需求，提升了矿井牵引绳的力学性能与使用寿命的同时，降低提升系统自重。
进一步地，如图1所示，混杂纤维复合材料2层由多束混杂纤维丝与树脂基体复合而成，均匀包裹于碳纤维复合材料芯层3外侧，且混杂纤维丝沿着绳索的长度方向和环绕绳索的截面中心方向取向。另外，纤维丝的组合方式为多种样式，本发明实施例并不限定于一种组成方式。
聚合物表层1包覆在混杂纤维复合材料层2的表面上。
可以理解的是，聚合物表层1可以由高摩擦系数的耐磨材料制成，均匀包裹于混杂纤维复合材料层2的外侧。
可选地，在本发明的一个实施例中，聚合物表层1包括高于预设摩擦系数的弹性体材料和/或大于预设耐磨程度的弹性体材料。
即言，聚合物表层1为耐摩擦表层，其可以由高摩擦系数和/或耐磨材料组成，且可以采用高摩擦弹性体材料制成并经过改性处理以进一步增大摩擦系数，以具有优良的耐久性能和承载能力，摩擦系数和耐磨程度可以有本领域技术人员根据实际情况进行设置，在此不做具体限制。
可选地，在本发明的一个实施例中，碳纤维复合材料芯层3、混杂纤维复合材料层2和聚合物表层1一体成型得到绳索，以保证不同材料层间的紧密结合、共同受力。
在实际执行过程中，碳纤维复合材料芯层3、混杂纤维复合材料层2与高摩擦的聚合物表层1在生产中同时通过拉挤工艺一体成型，从而保证该纤维复合提升绳不同材料层间的共同受力。
可选地，在本发明的一个实施例中，绳索的横截面为图1所示的矩形、图2所示的圆角矩形与图3所示的圆形中的一种，在此不作具体限定。
可选地，在本发明的一个实施例中，绳索的横截面的厚度小于绳索的横截面的宽度。其中，提升绳索的横截面具有较大的宽厚比，弯曲方向上较薄的厚度，从而有利于绳索在滚筒、天轮等提升系统其他部件上的缠绕。
本领域技术人员应该理解到的是，上述的提升绳索具有自重轻、拉伸强度高、弹性模量高、承载时变形小、耐磨损、构造简单、制造稳定性高、横向振动的幅度减小且振动频率增大、低维护成本、全生命周期长、不中断、可循环提升井下荷载等优点，尤其是适用于矿井井下腐蚀环境的高耐久性提升绳索和矿井井下工作负荷的高抗疲劳性能绳索，并且通过一个或多个平行的绳索布置方法，从而获得在受弯、受扭下的有利力学特性，具有良好抗蠕变性和良好的抗剪切性，如可以用于提升箕斗、罐笼等。该绳索自重轻、强度高，深立井中应用具有增大提升能力、提高绳索使用寿命、减轻尾绳重量、减小电机功率的优点。
综上，在本发明的实施例中，本发明实施例的提升绳索包括聚合物表层1、混杂纤维复合材料层2、碳纤维复合材料芯层3。其中，聚合物表层1由高摩擦系数的耐磨材料制成，均匀包裹于混杂纤维复合材料层2的外侧。混杂纤维复合材料层2，由沿绳长纵向及横向多束玻璃纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维中一种或多种纤维丝与树脂基体复合而成，均匀包裹于碳纤维复合材料芯层3外侧。碳纤维复合材料芯层3由沿绳长方向多束碳纤维丝与树脂基体复合而成，位于复合纤维绳截面中心。聚合物表层1、混杂纤维复合材料层2、碳纤维复合材料芯层3可以于生产中采用拉挤工艺一体成型，以保证不同材料层间的紧密结合、共同受力。
具体而言，在提升绳索受拉过程中，混杂纤维复合材料层2与碳纤维复合材料芯层3中沿绳长方向的纵向纤维共同承担沿绳长方向的拉力，有效保证材料具有极高的拉伸强度。另外，由于泊松效应，在提升绳索受拉过程中会出现横向变形与应力，而混杂纤维复合材料层2中可以铺设横向纤维束以提供相应的横向受力强度，避免了混杂纤维复合材料层2与碳纤维复合材料芯层3中纤维束在横向应力作用下的错动与撕裂情况的出现。
另外，聚合物表层1作为提升绳索的外部保护层，一方面保护内部混杂纤维复合材料层2与碳纤维复合材料芯层3中纤维束在长期使用过程中的磨损与局部应力造成的断裂，另一方面与提升系统的提升机直接接触，耐摩擦的聚合物表层1的高摩擦系数也防止了提升过程中复合纤维提升绳与提升动力轮之间的滑动。
根据本发明实施例的用于立井提升系统的提升绳索，通过高性能复合纤维提升绳在相同截面面积下承载力，其是钢丝绳的5-10倍，且重量是钢丝绳的1/4-1/5，满足轻量化需求，同时具有优良的耐久性能，大大提升了矿井牵引绳的力学性能与使用寿命，同时降低提升系统自重，显著提升矿井提升系统运力，不但有效提高提升系统运力和提升效率，而且降低建造和维护成本。由此，解决了相关技术中采用钢丝绳作为提升绳的，导致在超千米深井中应用时具有一定局限性等技术问题。
此外，本发明实施例还提出了一种立井提升系统，该系统包括上述的用于立井提升系统的提升绳索。该系统可以通过高性能复合纤维提升绳在相同截面面积下承载力，其是钢丝绳的5-10倍，且重量是钢丝绳的1/4-1/5，满足轻量化需求，同时具有优良的耐久性能，大大提升了矿井牵引绳的力学性能与使用寿命，同时降低提升系统自重，显著提升矿井提升系统运力，不但有效提高提升系统运力和提升效率，而且降低建造和维护成本。由此，解决了相关技术中采用钢丝绳作为提升绳的，导致在超千米深井中应用时具有一定局限性等技术问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
Claims (12)
1.一种用于立井提升系统的提升绳索，其特征在于，包括：
碳纤维复合材料芯层,所述碳纤维复合材料芯层由多束碳纤维丝与树脂基体复合而成；
混杂纤维复合材料层，所述混杂纤维复合材料层包覆在所述碳纤维复合芯层的表面上；以及
聚合物表层，所述聚合物表层包覆在所述混杂纤维复合材料层的表面上。
2.根据权利要求1所述的绳索，其特征在于，所述多束碳纤维丝沿着所述绳索的长度方向取向。
3.根据权利要求1所述的绳索，其特征在于，所述多束碳纤维丝为沿所述绳索整个长度范围内延伸的连续纤维。
4.根据权利要求1所述的绳索，其特征在于，所述混杂纤维复合材料层由多束混杂纤维丝与树脂基体复合而成。
5.根据权利要求4所述的绳索，其特征在于，所述多束混杂纤维丝包括玻璃纤维、玄武岩纤维与芳纶纤维中的至少之一。
6.根据权利要求4或5所述的绳索，其特征在于，所述多束混杂纤维丝沿着所述绳索的长度方向和环绕所述绳索的截面中心方向取向。
7.根据权利要求1或4所述的绳索，其特征在于，所述树脂基体包括环氧树脂、聚酯、乙烯基酯和酚醛树脂中的至少之一。
8.根据权利要求1所述的绳索，其特征在于，所述聚合物表层包括高于预设摩擦系数的弹性体材料和/或大于预设耐磨程度的弹性体材料。
9.根据权利要求1所述的绳索，其特征在于，所述碳纤维复合材料芯层、所述混杂纤维复合材料层和所述聚合物表层一体成型得到所述绳索。
10.根据权利要求1所述的绳索，其特征在于，所述绳索的横截面为矩形、圆角矩形与圆形中的一种。
11.根据权利要求1所述的绳索，其特征在于，所述绳索的横截面的厚度小于所述绳索的横截面的宽度。
12.一种立井提升系统，其特征在于，包括：如权利要求1-11任一项所述的用于立井提升系统的提升绳索。
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