礦井提升機(jī)現(xiàn)狀和發(fā)展我國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦井運(yùn)輸提升設(shè)備小論文

./Chinauniversityofminingandtechnology礦井提升運(yùn)輸設(shè)備礦井提升機(jī)學(xué)院名稱(chēng)機(jī)電工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)生姓名學(xué)號(hào)任課教師二〇一四年十二月礦井提升機(jī)摘要：作為礦山咽喉設(shè)備的礦井提升機(jī),對(duì)礦山的高效安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)具有極其重要的作用。它不僅裝機(jī)容量大,耗能高,而且作為一個(gè)典型的位勢(shì)力矩負(fù)載,要求其拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)在其機(jī)械特性的四個(gè)象限內(nèi)頻繁周期性的進(jìn)行起動(dòng)、制動(dòng)和反向運(yùn)行。反映其運(yùn)行狀態(tài)的速度圖和力圖是根據(jù)設(shè)計(jì)的提升能力和安全規(guī)程確定的,對(duì)其在運(yùn)行過(guò)程中的加速度、減速度以及各個(gè)運(yùn)行階段的行程和最后的停車(chē)位置都有精確的要求和嚴(yán)格的限制。因此,提升機(jī)始終是電力拖動(dòng)與控制學(xué)科的典型應(yīng)用裝置和研究對(duì)象。本文詳細(xì)介紹了礦井提升機(jī)的研究發(fā)展。關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)；現(xiàn)狀；發(fā)展；研究。MinehoistAbstract：Astheminethroatequipmenthoist,playsanextremelyimportantroleineffectiveandsafeproductionandeconomicoperationofmine.Itnotonlyinstalledcapacityoflarge,highenergyconsumption,butalsoasatypicalpotentialtorqueloadrequirements,themotordriveinthefourquadrantsofthemechanicalpropertiesofperiodicinfrequentstarting,brakingandreverseoperation.Reflecttherunningstateofthespeedchartandtrytobedeterminedaccordingtoenhancecapacityandsafetyrulesforthedesign,havetheexactrequirementsandstrictrestrictionsontherunningprocessofacceleration,decelerationandeachoperationstageofthetripandthelaststopposition.Therefore,hoistalwaysisatypicalapplicationofdeviceandtheobjectofstudyofelectricdriveandcontrolsubjects.Thispaperintroducestheresearchanddevelopmentofminehoist.Keywords:Minehoist;status;development;research.概述礦井提升機(jī),又叫絞車(chē),是一種大型提升機(jī)械設(shè)備。它在生產(chǎn)過(guò)程中擔(dān)負(fù)著提升礦物和升降人員、設(shè)備及材料等重任。由電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械設(shè)備,以帶動(dòng)鋼絲繩從而帶動(dòng)容器在井筒中升降,完成輸送任務(wù)。礦井提升機(jī)是由原始的提水工具逐步發(fā)展演變而來(lái)。近年來(lái),由于電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的逐步完善,國(guó)內(nèi)外電氣傳動(dòng)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展,尤其是交流變頻傳動(dòng),已在中、小容量占有相當(dāng)?shù)臄?shù)量?，F(xiàn)代的礦井提升機(jī)提升量大,速度高,安全性高,已發(fā)展成為電子計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)重型礦山機(jī)械[1][2]。2.礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展回顧2.1二十世紀(jì)國(guó)外的3個(gè)發(fā)展階段第一階段,從50年代末到60年代初,主要有交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)兩種類(lèi)型,電氣控制為繼電器—接觸器式的有觸點(diǎn)系統(tǒng)。這兩類(lèi)系統(tǒng)存在運(yùn)行費(fèi)用高,安全可靠性差,維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)。第二階段是60年代初到70年代末,由于大功率的晶閘管在工業(yè)應(yīng)用上得到了推廣,晶閘管供電的直流他激電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)提升機(jī)也獲得了較大面積的普及,其控制系統(tǒng)采用了電子調(diào)節(jié)器。80年代采用晶閘管交—交變頻的轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)可認(rèn)為是第三個(gè)階段的開(kāi)始,這一類(lèi)型的系統(tǒng)與同等容量直流傳動(dòng)相比,不僅損耗可以減小40%,而且還可以免去換向器維護(hù)的麻煩。由于同步電動(dòng)機(jī)具有功率因數(shù)高,效率高等優(yōu)點(diǎn),德國(guó)多采用,但是它需要增加勵(lì)磁回路,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,所以日本主張配置異步電動(dòng)機(jī)[3]。2.2國(guó)內(nèi)提升機(jī)電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展我國(guó)在五六十年代,一般采用交流傳動(dòng)方式。其優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)比較簡(jiǎn)單,設(shè)備及安裝費(fèi)用低,占用面積小,運(yùn)行維護(hù)容易。缺點(diǎn)是：電氣調(diào)速性能差,在減速和爬行階段需要另外增設(shè)傳動(dòng)裝置,如動(dòng)力制動(dòng)、低頻傳動(dòng)以及晶閘管串級(jí)傳動(dòng)等,雖然調(diào)速性能得到了改善,然而設(shè)備投資和系統(tǒng)的復(fù)雜性也增加了。由于交流傳動(dòng)受主電動(dòng)機(jī)和控制設(shè)備制造容量的限制,所以,對(duì)要求提升容量大、速度高的大型礦井,一般采用直流傳動(dòng)裝置[4]。進(jìn)入70年代后,礦井的規(guī)模愈來(lái)愈大,年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300、400、500萬(wàn)t,甚至更大。特別是對(duì)于一些井深達(dá)600IIl,800m以上的礦井,要求裝載容量大,提升速度高,箕斗容量從12t、18t增大到32t,提升速度從6m／s,8m／s,提高到14m／s,甚至還高。對(duì)于提升自動(dòng)化水平要求也愈來(lái)愈高,因此,原來(lái)的交流傳動(dòng)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要,必須采用直流傳動(dòng)方式[5]。直流傳動(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)速平滑穩(wěn)定,調(diào)速范圍寬闊,容易實(shí)現(xiàn)提升自動(dòng)化,因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎與提升負(fù)載無(wú)關(guān),在低速范圍內(nèi)也能穩(wěn)定運(yùn)行。負(fù)力減速時(shí)可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能返回電網(wǎng)。它的缺點(diǎn)是建設(shè)投資大,基礎(chǔ)費(fèi)用高。直流傳動(dòng)方式又分為發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)和晶閘管變流器一電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方式兩種,兩者相比,晶閘管變流器一電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)又具有動(dòng)作速度快、可靠性高、維護(hù)工作量小、故障少、運(yùn)行效率高,體積小、重量輕和占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是對(duì)交流電網(wǎng)的無(wú)功沖擊大,因而產(chǎn)生較大的起動(dòng)壓降。它的高次諧波會(huì)引起交流電網(wǎng)電壓正弦波形的畸變,干擾其他用電設(shè)備,運(yùn)行功率因數(shù)低等[6]。但如對(duì)變流器采取特殊接線方式,電樞回路用兩組晶閘管橋串聯(lián),采用"順序控制"方法可以提高功率因數(shù),特別是系統(tǒng)中配置無(wú)功補(bǔ)償和諧波吸收裝置后,將大大削弱晶閘管整流裝置對(duì)交流電網(wǎng)的無(wú)功沖擊和諧波污染,為此,晶閘管交流變流器供電的直流傳動(dòng)裝置具有廣闊的遠(yuǎn)景。70年代后期,我國(guó)煤炭系統(tǒng)從瑞典、德國(guó)、法國(guó)、波蘭等國(guó)引進(jìn)了多臺(tái)晶閘管變流器供電的直流提升機(jī)。隨著晶閘管變流器供電傳動(dòng)技術(shù)的引進(jìn)和發(fā)展,國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了設(shè)計(jì)和制造,并取得了良好的效果。目前晶閘管元件的容量已發(fā)展到4000V,3000A以上,直流快速斷路器的容器已擴(kuò)展到6000A以上[7]。3.礦井提升機(jī)安全技術(shù)發(fā)展目前國(guó)內(nèi)使用較多的提升系統(tǒng)主要是立井單繩纏繞式和多繩摩擦式提升,一般由提升容器、提升鋼絲繩、滾筒、減速器、井架和裝卸載設(shè)備<或操車(chē)設(shè)備>以及拖動(dòng)電機(jī)、電控設(shè)備和制動(dòng)裝置等組成。二者都可以采用罐籠或箕斗2種提升方式,罐籠用于運(yùn)送人員、設(shè)備和物料．箕斗用于提礦物[8]。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,過(guò)卷、斷繩、滑動(dòng)和制動(dòng)失效,是提升機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的常見(jiàn)故障,嚴(yán)重影響了提升機(jī)的運(yùn)行安全和穩(wěn)定性。根據(jù)文獻(xiàn)檢索和現(xiàn)場(chǎng)事故調(diào)查結(jié)果,發(fā)現(xiàn)礦井提升機(jī)發(fā)生故障有許多非自然因素,如設(shè)備質(zhì)量低劣、操作管理不當(dāng)、人為因素、保護(hù)繼電器誤動(dòng)作、外部環(huán)境干擾影響等。這些非自然因素都有可能被早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)防,甚至能完全避免[9]?！?高可靠性液壓裝置的研究和應(yīng)用在因制動(dòng)系統(tǒng)失效而引發(fā)的事故中,由液壓站引起的故障占有較大的比例。目前關(guān)于高可靠性液壓裝置的研究,主要內(nèi)容是在實(shí)現(xiàn)提升機(jī)工作制動(dòng)、安全制動(dòng)和調(diào)繩等功能的基礎(chǔ)上,增加改善系統(tǒng)的調(diào)壓、多路回油保護(hù)、殘壓保護(hù)、電磁閥故障檢測(cè)以及PLC程序化控制等功能。其最終目標(biāo)是通過(guò)增加液壓站的安全保護(hù)功能和改善工作制動(dòng)性能,提高液壓系統(tǒng)的可靠度。從而使整個(gè)提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)更加安全可靠。<2>恒減速液壓制動(dòng)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用提升機(jī)安全制動(dòng)是通過(guò)對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)中電磁閥的控制來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)油壓的大小。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器制動(dòng)力矩的控制。提升機(jī)安全制動(dòng)時(shí)的減速度必須滿足文獻(xiàn)的有關(guān)規(guī)定。否則,若制動(dòng)減速度過(guò)大,雖然停車(chē)快,但將會(huì)對(duì)提升機(jī)機(jī)械設(shè)備和鋼絲繩產(chǎn)生很大的沖擊,對(duì)摩擦輪提升機(jī)還會(huì)產(chǎn)生鋼絲繩相對(duì)摩擦輪打滑的現(xiàn)象；若制動(dòng)減速度過(guò)小,則制動(dòng)時(shí)間加長(zhǎng),不能及時(shí)停車(chē),又容易產(chǎn)生過(guò)卷或礅罐等事故。因此,目前,國(guó)外基本上使用恒減速制動(dòng)系統(tǒng)。國(guó)外以德國(guó)的西馬格公司<Siemag>、SIEMENS、ABB公司等的產(chǎn)品為代表[10]。國(guó)內(nèi)礦井提升機(jī)仍停留在完善過(guò)去引進(jìn)的前蘇聯(lián)式的二級(jí)制動(dòng)系統(tǒng)的配套使用上。恒減速制動(dòng)的使用不足國(guó)內(nèi)提升機(jī)總量的l％,而且只在豎井和多繩摩擦提升機(jī)上使用。此外,國(guó)內(nèi)所采用的恒減速制動(dòng)系統(tǒng)多數(shù)是從國(guó)外引進(jìn)的,價(jià)格都非常昂貴。國(guó)內(nèi)自行研制的恒減速制動(dòng)系統(tǒng)又或多或少地存在這樣那樣的問(wèn)題,在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,效果不是十分理想[11]。<3>可調(diào)閘回路控制方式的研究和應(yīng)用可調(diào)閘是司機(jī)進(jìn)行工作制動(dòng)手柄控制的機(jī)械制動(dòng)閘,目前普遍采用盤(pán)形閘。可調(diào)閘制動(dòng)器所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩與流過(guò)電液閥線圈KT的電流有關(guān)[12]。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家,如英、德比較重視安全性能,不但采取了用各種方式來(lái)構(gòu)成獨(dú)立工作的雙通道安全監(jiān)視和安全回路、軟件設(shè)計(jì)中也采用多種監(jiān)視保護(hù)措施來(lái)提高安全可靠性,而且具有詳盡的安全設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范和相對(duì)獨(dú)立的監(jiān)督機(jī)構(gòu)[13]。相比之下,我國(guó)現(xiàn)存和生產(chǎn)的電控系統(tǒng)在安全設(shè)計(jì)和性能上均有較大差距,集中體現(xiàn)在安全設(shè)計(jì)原則和要求不夠明晰；相關(guān)措施不得力、不完善；產(chǎn)品元件可靠性指標(biāo)有待提高等。國(guó)內(nèi)主要礦用提升機(jī)生產(chǎn)廠家,生產(chǎn)的交流電控配套設(shè)備一直采用異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方案。我國(guó)的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)主要以TKD交流拖動(dòng)為代表[14]。但是．近年來(lái)已經(jīng)有了較大的發(fā)展和提高。其中具有代表性的有中礦大傳動(dòng)與自動(dòng)化有限公司的于1993年研制成功的ASCS系列直流提升機(jī)全數(shù)字調(diào)速電控系統(tǒng)：2001年由XX礦業(yè)<集團(tuán)>公司、冶金自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院、XX煤炭設(shè)計(jì)研究院等單位聯(lián)合攻關(guān)完成的我國(guó)第l套國(guó)產(chǎn)特大型提升機(jī)全自動(dòng)化、全數(shù)字交交變頻雙機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系研制的基于PLC的提升機(jī)盤(pán)閘制動(dòng)自控系統(tǒng),陳四樓主井提升機(jī)的信息管理系統(tǒng)等[15]。綜上所述,整體上國(guó)內(nèi)礦用提升機(jī)電控系統(tǒng)及調(diào)速裝置大多處于落后狀態(tài)。但是,近年來(lái)在引進(jìn)消化開(kāi)發(fā)利用以及自主研發(fā)等方面還是有了較大的進(jìn)展。4.總結(jié)交流傳動(dòng)技術(shù),尤其是交流變頻調(diào)速是今后礦井提升機(jī)的重要發(fā)展方向。對(duì)于我國(guó)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)在今后的發(fā)展趨勢(shì),應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮。4.1立足現(xiàn)狀,加大技術(shù)改造力度我國(guó)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng),雖然經(jīng)過(guò)近幾年來(lái)的技術(shù)改造,取得了明顯的效果,但從整體上來(lái)看這一工作還遠(yuǎn)未結(jié)束,尤其是在目前財(cái)力和技術(shù)力量有限的情況下,將技術(shù)改造確定為我國(guó)礦井提升機(jī)近期的主要任務(wù)是合乎我國(guó)國(guó)情的。尤其是對(duì)占整個(gè)礦井提升機(jī)容量絕大部分的繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻系統(tǒng)的改造[16]。目前我國(guó)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采用PLC系統(tǒng)代替觸點(diǎn)式繼電器邏輯控制系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟,并獲得了一定范圍的推廣,成效也是顯著的。因而,在此基礎(chǔ)上,充分利用PLC的軟件及實(shí)時(shí)控制功能,可獲得投資小,見(jiàn)效快的效果。比如,為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力,開(kāi)發(fā)包括負(fù)載在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)識(shí)別與自調(diào)節(jié)技術(shù),研究開(kāi)發(fā)以加速度為函數(shù)的加速控制原則以及變減速點(diǎn)等控制技術(shù),并采用硬件與軟件控制相結(jié)合的方法,從而既使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性得以提高,同時(shí)還可以提高其安全可靠性[17];其次,為了盡可能地提高安全保護(hù)系統(tǒng)的可靠性,最大限度地采用冗余設(shè)計(jì)思想,對(duì)于系統(tǒng)中涉及與安全有關(guān)的子系統(tǒng),像測(cè)速回路斷線保護(hù)、深度指示器失效、自動(dòng)減速控制以及限速保護(hù)等重要環(huán)節(jié)都由兩套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)同時(shí)工作,互為監(jiān)視;另外,現(xiàn)有動(dòng)力制動(dòng)、低頻制動(dòng)以及二級(jí)制動(dòng)等控制技術(shù)的進(jìn)一步完善,使之提高控制精度、擴(kuò)大適用范圍和增強(qiáng)適應(yīng)性也是技術(shù)改造的重要內(nèi)容[18]。4.2確定方向,重點(diǎn)扶持先進(jìn)技術(shù)的研究與引進(jìn)在對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造和在有計(jì)劃、有目的、有重點(diǎn)地引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)、產(chǎn)品的前提下,進(jìn)行先進(jìn)技術(shù)理論和應(yīng)用技術(shù)的研究,是我國(guó)礦井提升機(jī)發(fā)展趨勢(shì)的中長(zhǎng)期任務(wù)[19]。對(duì)于這方面的工作,各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)技術(shù)人員首先必須要有明確的目標(biāo),合理安排,統(tǒng)籌規(guī)劃,將有限的資金重點(diǎn)扶持一些已有一定基礎(chǔ)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、元器件制造和使用單位,避免各自為政、"遍地開(kāi)花"的散亂狀態(tài)。力爭(zhēng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)研制出適合我國(guó)礦井需求的產(chǎn)品,逐步將超期服役的、技術(shù)檔次太低的系統(tǒng)更換掉[20]。當(dāng)然,要確定一個(gè)合理可行的發(fā)展方向,也并非是一件容易之事。它需要大量的調(diào)研和論證工作,要收集必要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。就目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,晶閘管供電直流傳動(dòng)和交—交變頻交流同步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)這兩種方案占有優(yōu)勢(shì),但是后者與前者相比,除在調(diào)速性能方面可媲美外,還具有同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維護(hù)量小、電耗低、過(guò)載能力大和適合大功率、低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn),因而從長(zhǎng)遠(yuǎn)觀點(diǎn)來(lái)看,多數(shù)人還是主張將我國(guó)礦井提升機(jī)發(fā)展方向的重點(diǎn)定為交—交變頻交流傳動(dòng)較為合理[21]。4.3加強(qiáng)管理,注意技術(shù)力量的積累礦井提升機(jī)是一個(gè)集機(jī)、電、液技術(shù)為一體的大型機(jī)電產(chǎn)品,技術(shù)含量比較高,不僅僅是設(shè)計(jì)制造,就是使用維護(hù)也需要一批高素質(zhì)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人才,對(duì)于這一點(diǎn),管理部門(mén)要引起足夠的重視。目前部分現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)力量相當(dāng)薄弱,就連目前TKD控制系統(tǒng)的原理都不能很好地掌握,至于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、變流技術(shù)就更為生疏。因而,加強(qiáng)技術(shù)人員的業(yè)務(wù)考核,有計(jì)劃地進(jìn)行定期的技術(shù)培訓(xùn)與深造,以建立一套確實(shí)可行的技術(shù)積累機(jī)制,為我國(guó)礦井提升機(jī)的發(fā)展創(chuàng)造一個(gè)良好的環(huán)境[22]。參考文獻(xiàn)：[1] 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