礦井提升機新技術的應用研究及展望

趙瑞峰

1山西工程職業學院 山西太原 030031

2山西新富升機器制造有限公司 山西太原 030031

礦井提升機是礦山重要的設備之一，是聯系井下和地面的主要運輸工具。隨著科學技術的進步及用戶需求的增長，礦井提升機的技術一直在快速發展。筆者介紹了國內近年來發展較快的永磁電動機傳動、新型電液制動和無人值守礦井提升機新技術，并對無繩礦井提升機的發展進行了展望。

1 礦井提升機發展歷程

1.1 國外提升機

1827 年，德國設計出世界上第 1 臺蒸汽提升機，1877 年生產出第 1 臺摩擦提升機，1905 年制造出第 1 臺電動提升機。目前，特大型提升機技術在世界上依然占據絕對領先地位，尤其是內裝電動機式、多繩纏繞式 (布萊爾)、應急救援式及帶輔助拖動裝置的提升機技術優勢依然明顯[1]。國外著名的提升機制造商有德國 SIEMAG 公司、瑞典 ABB 公司、捷克 INCO 公司，這些公司憑借強大的提升機選型、設計、機械制造、電氣傳動和智能控制等綜合實力，為客戶提供整套設備及礦井提升問題的解決方案。

1.2 國內提升機

國產礦井提升機經歷了一條從引進、消化、仿制到自主創新的歷程。19 世紀末，唐山開平礦務局從國外引入了當時世界最先進的蒸汽絞車，如圖 1 所示，開啟了中國礦井提升機的歷史。1958 年，洛陽礦山機器廠 (現中信重工機械股份有限公司) 成功研制出中國首臺φ2.5 m 雙筒提升機，如圖 2 所示，開啟了中國批量制造礦井提升機的歷史。進入 21 世紀以來，以中信重工機械股份有限公司為代表的國內一大批制造企業對礦井提升機進行了技術改造升級，使提升機的規格、性能和精度都得到了全面提升[2]。機械部分(主軸、卷筒和天輪等部件) 的技術和安全可靠性已達到國際先進水平[3]；高端電液閘控系統、中壓三電平大容量變頻系統等技術已經成熟并廣泛應用。國內提升機經歷了從小型到大型、從通用到特殊、從單機到成套的發展歷程，已經能夠滿足國內礦山絕大部分的需求。

圖1 唐山開平礦務局從國外引入的蒸汽絞車Fig.1 Steam winch imported from abroad by Tangshan Kaiping Mining Bureau

圖2 中國首臺 φ 2.5 m 雙筒提升機Fig.2 First φ2.5 m double-drum hoist in China

近十年來，國內進口大型提升機的份額持續減少，提升機國產化實現了跨越成長。機械制造技術達到國外先進技術水平，電氣控制、制動控制與國外差距一直在持續縮小，但電控 PLC、IGBT、高精度傳感器等器件，制動控制用的比例溢流閥和一部分軸承依然需要進口。從整體來說，中國礦井提升機技術與國外的差距越來越小。尤其近幾年，中國在智能制造的驅動下，科研動力十足，提升機的技術進步更加明顯。

近幾年來，具有中國自主知識產權的永磁電動機傳動礦井提升機、新型電液制動礦井提升機和無人值守礦井提升機已經在礦山開始使用，迎合了國家發改委 2020 年《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》中“加強科技創新，實施機械化換人、自動化減人專項行動，提高智能裝備的成套化和國產化水平”的要求。隨著無繩提升機及各種礦井提升機新技術的不斷出現，礦井提升機必將迎來新一輪的技術改革。

2 礦井提升機技術應用

2.1 永磁電動機傳動

繼 1990 年成功研制 JKM-4×4 單電動機懸掛式錐孔直聯井塔式多繩摩擦提升機后，中信重工機械股份有限公司又在 2001 年成功研制了國內最大規格的雙電動機直聯 JKMD-5.7×4 落地式多繩摩擦提升機。上述 2 類大型提升機結構緊湊，機械效率高，由于沒有使用減速器、聯軸器等齒輪機械傳動裝置，改變了國產特大型提升機直聯電動機傳動依賴進口的局面。

2.1.1 永磁電動機內置

懸掛式直聯提升機電動機軸要求為高精度錐孔，加工難度大，電動機裝配及拆卸困難，存在一定的缺陷。永磁電動機由于其恒轉矩特性，特別是低速大轉矩特性，契合礦井提升機負載特性，另外其尺寸小，質量輕，噪聲低，可以裝入提升機卷筒內與卷筒直接連接。2017 年貴州高原礦山機械有限公司成功研制了永磁電動機內置單繩纏繞式及多繩摩擦式礦井提升機，永磁電動機內置多繩摩擦式礦井提升機如圖 3 所示。該型式的提升機沒有減速器等齒輪機械傳動裝置，主要采用外轉子永磁同步電動機，與直聯懸掛式提升機相比，減小了提升機軸向尺寸。永久性磁鐵置于滾筒內壁，作為永磁電動機外轉子；內定子工作繞組線圈裝于提升機主軸上，滾筒通過兩側腹板、軸承與主軸連接，并固定在軸承座上[4]。摩擦輪既作為永磁電動機的外轉子用，又兼具承載鋼絲繩載荷的功能，體現了機電相互融合及高度機電一體化[5]。

圖3 永磁電動機內置多繩摩擦礦井提升機Fig.3 Structure of multi-rope friction mine hoist with built-in permanent magnet motor

2.1.2 永磁傳動系統內置

永磁電動機盡管有較高的性價比，但比常規應用的異步變頻電動機制造成本還是較高，且速度越低，電動機制造成本越高。為此，山西新富升機器制造有限公司研制了永磁傳動系統內置礦井提升機，傳動系統采用永磁同步電動機與行星齒輪減速器直接連接，減速器直接驅動卷筒旋轉，通過卷筒上纏繞的鋼絲繩來實現容器的提升或下降[6]。永磁傳動系統內置礦井提升機結構如圖 4 所示，永磁電動機內轉子直聯一級行星齒輪減速器 (減速永磁電動機)，并安裝提升機卷筒中。由于一級行星減速器能夠降低配套永磁電動機功率，進而降低了提升機的成本。將永磁電動機高效節能和減速器高效大轉矩組合為一體的提升機結構，具有體積小、整體性好的特點。

圖4 永磁傳動系統內置礦井提升機結構Fig.4 Structure of mine hoist with built-in permanent magnet drive system

2.1.3 應用及發展前景

永磁電動機傳動礦井提升機安全可靠，節能高效，結構緊湊。隨著關鍵核心技術的不斷突破，特別是高溫永磁材料解決了永磁體退磁的缺陷后，永磁電動機傳動礦井提升機已被市場廣泛接受，將逐步取代電動機懸掛式直聯摩擦礦井提升機。目前，我國已有逾 60 臺永磁電動機傳動礦井提升機投入使用。永磁內置礦井提升機技術已達到國際先進水平，在未來這種新技術將成為提升機的主導應用技術。

2.2 電液制動技術

2.2.1 機械制動器

礦井提升機制動經歷了以重錘做制動力源 (以油壓松閘)、以重錘和壓氣做制動力源 (工作制動用壓氣，緊急制動用壓氣和重錘)、以彈簧做制動力源 (油壓松閘) 的發展歷程。油壓松閘液壓制動系統的松閘動力來自于液壓站提供的液壓力，主控系統指令需要經過溢流閥、減壓閥和換向閥等多個閥類部件，最終將液壓泵松閘動力傳遞至液壓機械閘制動單元。為克服液壓系統抗污染能力差、系統復雜、維護工作量大、可靠性低等缺陷，山西新富升機器制造有限公司研發了礦井提升機機械閘制動器，如圖 5 所示。該制動器以彈簧做動力源，以電動機動力進行松閘，去掉了液壓傳動必須配置的液壓站及液壓管路系統，是一種無液壓控制的提升機制動技術。

圖5 礦井提升機機械閘制動器Fig.5 Mechanical brake of mine hoist

當直線電動機電流從小到大變化時，直線電動機帶動連接軸向離開制動閘瓦方向運動，使筒體里碟形彈簧受壓縮，帶動制動閘瓦離開制動盤，制動器處于松閘狀態；反之，當直線電動機電流從大到小變化時，在碟形彈簧力的作用下，帶動制動閘瓦逐漸向制動盤方向移動，當電流降到最低值時，制動閘瓦作用在制動盤上的正壓力達到最大，提升機處于正常工作制動狀態。當礦井提升機在提升過程中因突發事件需要緊急制動時，該制動器可以實現恒力矩二級制動。與液壓制動技術相比，電動機機械制動技術省去了電能轉化為液壓能的中間環節，具有響應迅速、效率高的優點。

2.2.2 電動缸液壓制動器

山西工程職業學院與山西新富升機器制造有限公司共同研發了一種提升機電動缸液壓制動器，如圖 6 所示。與液壓機械閘制動技術相比，電動缸液壓制動器保留了液壓制動閘執行機構部分，去掉了液壓站，采用電動機作為松閘動力源，電動缸產生的油壓作為中間能量傳遞環節，能夠滿足《煤礦安全規程》的各項要求。

圖6 提升機電動缸液壓制動器Fig.6 Hydraulic brake of electric cylinder of hoist

電動缸中活塞一側與直線電動機裝置相連，非電動機側置于電動缸內，電動液壓缸通過油壓管路與液壓機械制動器中的制動缸連接，形成整個設備的密閉液壓系統。當提升機需要松閘時，直線電動機推動電動液壓缸活塞向非電動機側直線運動，則密閉液壓系統液壓油受到擠壓，使得密閉液壓系統油腔壓力增大，密閉液壓系統產生液壓力并輸送至液壓機械制動器中的制動缸，制動缸壓縮碟形彈簧并帶動制動閘塊遠離制動盤，制動器完成松閘工作。當提升機需要制動時，直線電動機裝置拉動活塞向電動機側直線運動，密閉液壓系統液壓油壓力緩慢降低，制動系統內的油壓逐漸降低，碟形彈簧推動制動閘塊向制動盤方向運動，制動閘塊與制動盤接觸產生正壓力，形成摩擦力矩，達到制動的目的。系統還配置緊急泄油裝置，以便在直線電動機故障或電動液壓缸活塞卡滯不能工作時，使密閉系統油壓通過旁路緊急泄油裝置泄壓，進行緊急制動，達到安全冗余制動的目的。

2.2.3 提升機磁摩耦合制動器

圖7 提升機磁摩耦合制動器Fig.7 Magnetic friction coupling brake of hoist

提升機磁摩耦合制動器如圖 7 所示[7]。制動盤兩側的勵磁線圈通入同方向的勵磁電流產生磁場，磁力線在制動盤及制動盤兩側的閘瓦、背板、筒體的套筒、制動器體和制動器架形成閉合回路。當提升機工作時，制動盤在磁場中旋轉，切割磁力線產生電渦流制動，實現磁場制動。當摩擦制動和磁場制動同時工作時，磁場的存在會對摩擦產生有益的影響，穩定摩擦和減小磨損；反過來摩擦也會影響磁場的大小，實現摩擦制動和磁場制動的耦合，提高摩擦制動器的制動性能和可靠性。

2.3 無人值守礦井提升機

2.3.1 立井箕斗無人值守提升機

在國外，立井箕斗提升機無人值守作為一項成熟技術，已經得到廣泛應用[8]。在國內，無人值守礦井提升機技術在立井箕斗得到了大量應用，無人值守提升機控制系統如圖 8 所示。2016 版《煤礦安全規程》第四百二十八條規定“自動化運行的專用于提升物料的箕斗提升機，可不配備司機值守”。通過Profinet 現場總線和工業以太網實現智能聯網控制，使提升機控制系統實現網絡化、遠程化和自動化，實現了提升機系統的自動啟動、加速、減速和停車功能。該系統不僅減少了勞動力，實現了立井箕斗提升機無人值守，而且采用傳感器和數字式視頻監控系統對提升機進行全面診斷并預警，實現了控制系統預警及信號故障的準確、快速反應。

2.3.2 副井無人值守提升機

隨著智慧礦山的發展，無人值守提升機不僅用于主立井箕斗，在非煤礦山斜井箕斗及副立井罐籠提升中也逐步開始使用。副井提升控制系統非常復雜，需要考慮的問題比較多，如規程規范、提升任務種類、井下設備、安裝環境、生產管理等[9]。新版《金屬非金屬礦山安全規程》規定礦山企業可以只設跟罐信號工，不再強調井筒中段必須設置信號工和井口總信號工。同時還規定提升機操作員不必在提升機房進行提升操作，也可以在集中控制室控制提升機的運行。這些規定為無人值守技術在副井的應用提供了政策支持。

副井無人值守系統的核心是智能罐籠、智能搖臺和安全門的智能檢測，罐簾門和阻車器的控制及檢測。其中智能罐籠由自動感應照明系統、電梯式面板裝置、人臉識別系統、語音對講系統、高清視頻系統、無線通信和無線充電系統組成。

提升機房智能化無人值守系統、副井電梯式無人值守操車控制系統及主井無人值守裝卸載控制系統與視頻監控系統和上提升系統綜合集控中心組成了全礦山提升機信息化系統。

圖8 無人值守提升機控制系統Fig.8 Control system of unattended operation hoist

3 無繩提升機發展趨勢

隨著礦山特別是非煤礦山開采深度的增加，單繩纏繞式提升機鋼絲繩自重越來越大，有效提升載荷小、提升效率低的問題越來越突出。采用摩擦式提升機能解決單繩提升機鋼絲繩自重過大的問題，但受到尾繩質量大的影響，會造成鋼絲繩應力幅急劇變化。當應力幅超過 11.5%，鋼絲繩壽命急劇降低，因此，鋼絲繩自重已經成為制約深井提升的主要因素，造成多繩摩擦提升機在超深井中的應用受到限制。多繩纏繞式提升機多用于金礦等產量較小的礦井。在超深井中采用標準礦井提升機進行分段開采，在技術方面沒有問題，但每段礦井都需要一套獨立的提升機，生產和管理成本明顯增大，并且提升效率降低。傳統旋轉電動機驅動滾筒運轉，通過滾筒帶動鋼絲繩牽引貨物的提升系統已難以滿足深井運輸的需求，無繩礦井提升機會隨著井深的增加而顯得越來越重要。

永磁直線同步電動機由于響應速度快，定位精度高，提升高度不受限制而成為無繩提升機的理想動力源及執行機構。20 世紀 90 年代初，國外首次提出了“直線同步電動機驅動的垂直運輸系統”的構想，并開始理論和試驗研究，主要包括高層建筑電梯和礦井提升系統兩個方面的應用[10]。國內河南理工大學、浙江大學、太原理工大學都進行了相關研究。

無繩提升機如圖 9 所示。若干個電動機定子均勻安裝在提升井筒導軌架上，帶有負載的提升容器與電動機轉子為一體機，電動機轉子由永磁體構成。電動機定子通電時，電動機轉子會沿著電動機定子的安裝方向垂直運動，從而帶動提升容器相對于井筒導軌進行移動，實現了提升機在井筒上下運行的目的。無繩提升機采用定子線圈分段供電模式，只給需要使用的定子線圈短時通電。其優點是作為轉子的永磁體體積和自重較小，垂直提升有效載荷大、利用率高、永磁體防護簡單、維修方便等；缺點是有多少段電動機定子，就需要多少段供電切換裝置。

圖9 無繩提升機Fig.9 Ropeless hoist

無繩提升機采用直線電動機作為動力，因不受礦井深度的影響，顯示出了獨特的優越性。深井提升是未來我國礦山提升的主要組成部分，但國內無繩提升機的研究尚處于起步階段，其技術還不成熟，需要各有關高校、研究院及制造企業加大投入，盡早實現其在礦山的商業運行。

4 前景展望

礦井提升機應堅持目標及問題導向，以開發智能礦井提升機為目標。節能環保、無人化和智能化是礦井提升機發展的趨勢。

(1) 節能環保 提升機必須以節能環保為主要發展方向。永磁電動機傳動礦井提升機由于其顯著的節能特點會得到快速發展，國內在此方面也已取得了重大進展，未來 1 MW 以上功率的永磁直驅提升機是研究的重點。

(2) 智能控制 為響應國家智慧礦山、智能煤礦建設的相關要求及滿足礦山企業發展的需求，負載自適應、力矩自調整、柔性無沖擊、無人值守智能礦井提升機是提升機行業的發展趨勢。提升機自動化及信息化技術需要結合當前快速發展的人工智能、大數據、云計算等新技術，通過信息網絡技術的應用，使得提升機產品功能設計、制造、運行和管理等向信息化、智能化方向發展。

(3) 智能運維 構建基于物聯網的提升機大數據遠程運維監控云平臺，改變“一機一平臺”的信息孤島狀況。對礦井提升機進行實時數據采集和信息傳輸，結合工業互聯網平臺實現礦井提升機遠程維護服務，實現提升機生產企業、礦山用戶和管理部門信息的實時共享。

(4) 超深井用大型提升機 隨著我國礦山向大型化、高產化方向快速發展，開采深度在 1 200 m 以上的礦井越來越多，超深井用大型提升機已成為我國礦山企業重點關注的方向。

5 結語

電力電子技術、電動機技術和物聯網技術的快速發展為礦井提升機技術的發展提供了技術基礎，如永磁電動機傳動采用了永磁電動機制造技術，新型電液制動利用了伺服直線電動機技術，無人值守則依托智能傳感器及物聯網技術，無繩提升機則依靠同步直線電動機及智能控制技術。礦井提升機已經由一個集機械、液壓和電氣復合的技術裝備發展為集高端電動機技術、電力電子技術、互聯網無線通信技術和計算機信息技術的高科技產品。永磁電動機傳動提升機、新型電液制動提升機、無人值守提升機、無繩提升機也會得到進一步的發展與應用，柔性、自適應智能礦井提升機已見雛形，提升機新技術會迭代更新，迎來前所未有的發展新時代。