永磁內(nèi)裝式提升機(jī)在正令煤業(yè)提升中的應(yīng)用

李 坤

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

礦井提升機(jī)是礦山關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于煤、矸石提升及礦井設(shè)備運(yùn)輸，是聯(lián)系井上下的重要運(yùn)輸設(shè)備。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)由電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、纏繩滾筒、提升機(jī)主軸、制動(dòng)裝置等系統(tǒng)組成[2]，系統(tǒng)中傳動(dòng)部件的效率決定了整機(jī)效率，導(dǎo)致在日常生產(chǎn)中，提升機(jī)存在傳動(dòng)效率低、維護(hù)量大、可靠運(yùn)行要求高、能耗高、投資大等問題。隨著開采深度的增加，為了確保提升效率時(shí)，提升速度和提升機(jī)配套電機(jī)功率相應(yīng)提高。

作為周期性運(yùn)動(dòng)式輸送設(shè)備，設(shè)備選型的合理性具有重要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。隨著提升技術(shù)的不斷提高，對(duì)無減速機(jī)、聯(lián)軸器等傳動(dòng)環(huán)節(jié)的永磁內(nèi)裝式提升機(jī)正在進(jìn)一步深入研究[3]。永磁內(nèi)裝式提升機(jī)的原理是采用外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)，永久磁鐵裝于滾筒內(nèi)壁作外轉(zhuǎn)子，內(nèi)定子工作繞組線圈裝于提升機(jī)主軸。繞組通電產(chǎn)生的三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與外轉(zhuǎn)子永久磁鐵相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，利用磁引力驅(qū)動(dòng)外轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。該類型提升機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、電機(jī)運(yùn)行效率高等特點(diǎn)。目前永磁內(nèi)裝式提升機(jī)系統(tǒng)多處于理論研究和裝備研發(fā)階段，對(duì)于設(shè)計(jì)階段的選型計(jì)算和工程應(yīng)用效果研究相對(duì)較少。

針對(duì)正令煤業(yè)副斜井提升，設(shè)計(jì)采用永磁內(nèi)裝式提升方案，通過對(duì)提升機(jī)的選型計(jì)算，論證永磁內(nèi)裝式提升機(jī)節(jié)能的特點(diǎn)，對(duì)礦井輔助提升工程應(yīng)用起到理論支撐作用。

1 工程概述

正令煤業(yè)生產(chǎn)規(guī)模為0.9Mt/a，礦井布置有副斜井、主立井、進(jìn)風(fēng)立井、回風(fēng)立井四個(gè)井筒。副斜井工業(yè)場(chǎng)地屬于黃土高原，地貌主要為侵蝕黃土。場(chǎng)地南高北低，最高點(diǎn)海拔+1032.4m，位于南部；最低點(diǎn)海拔+853.0m，位于東部，最大高差179.4m。本區(qū)抗震設(shè)防烈度Ⅶ度。副斜井井筒落底于7號(hào)煤層底板+590m標(biāo)高，軌道大巷通過井底車場(chǎng)繞道與副斜井連接，形成輔助運(yùn)輸系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)副斜井提升采用單鉤串車，裝備永磁內(nèi)裝式單繩纏繞式提升機(jī)，擔(dān)負(fù)礦井最重件(液壓支架)設(shè)備運(yùn)輸及矸石提升任務(wù)。

2 可行性分析

2.1 地面場(chǎng)地布置

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘察，并綜合礦井地形地貌和井巷系統(tǒng)部署，最終確定提升系統(tǒng)地面場(chǎng)地采用臺(tái)階式布置方式。該方式場(chǎng)地布置上、下兩個(gè)臺(tái)階，副斜井井口及井口房布置在下臺(tái)階，標(biāo)高+983.00m左右；天輪架、提升機(jī)房、配電室布置在井口對(duì)面的上臺(tái)階，標(biāo)高+990.30m左右。提升系統(tǒng)地面布置如圖1所示。

圖1 提升系統(tǒng)地面布置圖(m)

2.2 井筒布置

根據(jù)井筒運(yùn)輸條件及通風(fēng)要求，設(shè)計(jì)副斜井井筒凈寬4m，凈高3.5m，凈斷面12.2 m2；井口標(biāo)高+983.345m，落底標(biāo)高+590.000m，傾角23°，斜長(zhǎng)1006.69m。井筒內(nèi)鋪設(shè)30kg/m單軌，井筒左側(cè)設(shè)有臺(tái)階。擔(dān)負(fù)礦井最重件設(shè)備運(yùn)輸及矸石提升任務(wù)，并作安全出口，井筒斷面如圖2所示。

圖2 副斜井?dāng)嗝鎴D(mm)

井筒擔(dān)負(fù)礦井最重件設(shè)備運(yùn)輸，最重件為液壓支架，設(shè)計(jì)采用ZF8000/17/33型支架，其外形尺寸為6883mm×1420mm×1700mm，平板車外形尺寸為3750mm×1500mm×450mm，高度方向距管路支撐梁底凈間距為500mm，寬度方向距井筒墻壁凈間距為1250mm，安全間隙滿足規(guī)程要求。

2.3 井筒坡度

根據(jù)《煤礦井下輔助運(yùn)輸設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求[8]，提升機(jī)在運(yùn)送大件時(shí)井筒最大傾角不宜超過25°；本次設(shè)計(jì)副斜井井筒坡度為23°，滿足要求。

3 輔助提升設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

井筒斜長(zhǎng)1006.69m，傾角23°，井底車場(chǎng)長(zhǎng)20m，天輪至井口水平距離70m；采用單鉤串車提升，井口為平車場(chǎng)布置；最重件30t(含平板車重)，升降最重件采用特制平板車；提升矸石量41車/班，每鉤4輛1.0t礦車組列，礦車自重0.6t。

3.2 設(shè)備選型計(jì)算

3.2.1 鋼絲繩的繩端荷載

根據(jù)《礦山固定設(shè)備選型使用手冊(cè)》，鋼絲繩的繩端荷載Md按下式計(jì)算：

Md=m(sinα+f1cosα)

(1)

式中，m表示提升重件重量(含平板車重)，為30t；α表示井筒傾角23°；f1表示阻力系數(shù)，取0.01。將參數(shù)代入式(1)，計(jì)算得出Md=1.21×104kg。

3.2.2 鋼絲繩的單重

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)選用40ZBB 6V×34+FC 1770 ZS 962 648(GB 8918—2006)鋼絲繩，其技術(shù)參數(shù)如下：直徑d為40mm，單重Pk為6.48kg/m，公稱抗拉強(qiáng)度σB為1770MPa，全部鋼絲破斷拉力總和Qq為1132kN。

3.2.3 鋼絲繩的安全系數(shù)校驗(yàn)

鋼絲繩的安全系數(shù)(m′)按下式檢驗(yàn)：

將前述參數(shù)代入式(3)，計(jì)算得出m′=7.12，大于規(guī)程要求的6.5，所選鋼絲繩滿足要求。

3.2.4 鋼絲繩最大靜張力

鋼絲繩最大靜張力Fjmax按下式計(jì)算：

將前述參數(shù)代入式(4)，計(jì)算得出Fjmax=159.1kN。

3.2.5 提升機(jī)選定

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計(jì)選用JKN-3.5×2.5P永磁內(nèi)裝式礦井提升機(jī)一套，技術(shù)參數(shù)如下：滾筒直徑DG為3500mm，滾筒寬度B為2500mm，最大靜張力Fj為170kN，最大提升速度Vmax為3.8m/s。

3.2.6 滾筒寬度校驗(yàn)

3.2.7 電動(dòng)機(jī)選型計(jì)算

電動(dòng)機(jī)選型計(jì)算均按提最重件考慮。

1)電動(dòng)機(jī)功率估算。電動(dòng)機(jī)功率Ns按下式估算：

2)等效力計(jì)算。等效力Fd按下式計(jì)算：

3)最大提升速度計(jì)算。提升機(jī)最大提升速度(Vmax)按下式計(jì)算：

式中，n為所選電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，取20.7r/min；i為減速比，取1。將參數(shù)代入式(8)，計(jì)算得出Vmax=3.8m/s。

4)電動(dòng)機(jī)容量校驗(yàn)。電動(dòng)機(jī)等效容量Ndx校驗(yàn)按下式計(jì)算：

式中，K為電動(dòng)機(jī)容量?jī)?chǔ)備系數(shù)，取1.1。將參數(shù)代入式(9)，計(jì)算得出Ndx=646.40kW<710kW，滿足要求。

5)電動(dòng)機(jī)額定力計(jì)算。電動(dòng)機(jī)額定力Fe按下式計(jì)算：

式中，P為電動(dòng)機(jī)的額定功率，取710kW。將參數(shù)代入式(10)，計(jì)算得出Fe=187.156kN。

6)電動(dòng)機(jī)過載能力校驗(yàn)。電動(dòng)機(jī)過載能力λ′按下式校驗(yàn)：

式中，F(xiàn)max為運(yùn)動(dòng)力學(xué)中最大運(yùn)動(dòng)力，見表2，取202.69kN。將參數(shù)代入式(11)，計(jì)算得出λ′=1.083<0.95×2=1.9，滿足《煤礦提升系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求[7]。

3.3 提升系統(tǒng)分析

3.3.1 提升系統(tǒng)圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最終確定提升系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 提升系統(tǒng)示意圖(m)

3.3.2 提升系統(tǒng)的變位質(zhì)量

提矸石和最重件時(shí)，提升系統(tǒng)變位質(zhì)量分別按下式計(jì)算：

M1=Mj+Mt+Mp+MG

(12)

M2=Mj+Mt+Mp+MZ

(13)

提升系統(tǒng)變位質(zhì)量見表1，將表中參數(shù)代入式(12)和式(13)，計(jì)算得出M1=43237kg，M2=63669kg。

表1 提升系統(tǒng)變位質(zhì)量

3.3.3 提升系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

圖4 提升系統(tǒng)速度圖

提升系統(tǒng)速度如圖4所示，其中取提矸時(shí)的最大速度V0=3.46m/s，可得出提升矸石時(shí)θ=25s，Tq=725.52s。

3.3.4 提升系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算

提升系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 運(yùn)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果 kN

3.3.5 安全制動(dòng)力計(jì)算

下放大件時(shí)：FZmin=0.75∑M2+Fj

提升大件時(shí)：FZmax=Ac∑M2-Fj

式中，Ac為斜井提升的自然減速度，m/s2，Ac=(sinα+f1cosα)g，為 3.973；將參數(shù)代入式(14)、式(15)，計(jì)算得出FZmin=206.851kN，F(xiàn)Zmax=93.856kN。

計(jì)算結(jié)果最大制動(dòng)力小于最小制動(dòng)力，在提升和下放時(shí)應(yīng)采用不同的恒力矩進(jìn)行制動(dòng)，按照經(jīng)驗(yàn)選取1.1～2.7m/s2，提升大件時(shí)，選取安全制動(dòng)減速度2.7 m/s2，下放大件時(shí)，取安全制動(dòng)減速度1.1m/s2，最大制動(dòng)力矩取900kN·m，能夠滿足要求

3.4 提升系統(tǒng)年耗電計(jì)算

3.4.1 最大班作業(yè)時(shí)間

最大班作業(yè)時(shí)間t按下式計(jì)算：

式中，11表示大班提升次數(shù)；Tq為提矸時(shí)一次循環(huán)使用時(shí)間，取725.52s。將參數(shù)代入式(14)，計(jì)算得出t=2.21h。

3.4.2 提升系統(tǒng)年耗電計(jì)算

提升系統(tǒng)年耗電按提升矸石任務(wù)考慮。

1)等效力按下式計(jì)算：

2)電動(dòng)機(jī)等效容量按下式計(jì)算：

式中，K為電動(dòng)機(jī)容量?jī)?chǔ)備系數(shù)，取1.1；η為電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率，對(duì)于傳統(tǒng)提升機(jī)采用行星齒輪減速器時(shí)[7]，取0.92，本次設(shè)計(jì)采用永磁內(nèi)裝式提升機(jī)，取1。將參數(shù)代入式(16)，計(jì)算得出Ndx=249.90kW。

3)提升系統(tǒng)年耗電按下式計(jì)算：

式中，ηD為電網(wǎng)效率，取0.9。將前述參數(shù)代入式(17)，計(jì)算得出E=6.075×105kW·h。

4 應(yīng)用效果

若采用傳統(tǒng)提升機(jī)(假設(shè)所選電機(jī)功率相同且提升速度一致)，根據(jù)表1、2中參數(shù)對(duì)提矸時(shí)的工況重新計(jì)算，得出結(jié)果見表3。

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從上述分析得出，對(duì)于同一提升工況，在所選提升機(jī)型號(hào)、電機(jī)功率和提升速度相同的前提下，永磁內(nèi)裝式提升機(jī)較傳統(tǒng)提升機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1)提升系統(tǒng)電機(jī)等效容量降低約9%，更加節(jié)能、高效。

2)提升年耗電降低約9%，節(jié)能節(jié)電效果明顯。

3)提升系統(tǒng)的變位質(zhì)量較小，很大程度節(jié)省了土建施工費(fèi)用，施工周期明顯縮短。

4)提升系統(tǒng)各階段的受力較小，對(duì)電機(jī)過載能力要求降低。大大提高提升機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。

5 結(jié) 語

最終正令煤業(yè)副斜井提升采用了永磁內(nèi)裝式單繩纏繞式提升機(jī)，于2019年8月安裝并調(diào)試完畢，至今系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足礦井輔助提升要求。進(jìn)一步證實(shí)了本設(shè)計(jì)方案的合理性。該副斜井輔助提升設(shè)計(jì)選型計(jì)算理論方法，在傳統(tǒng)提升機(jī)選型計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了永磁內(nèi)裝式提升機(jī)的選型計(jì)算，具有運(yùn)行節(jié)能、高效的特點(diǎn)。該方法后期可推廣應(yīng)用到同類型礦井輔助提升設(shè)計(jì)選型計(jì)算中，具有一定的理論支撐和工程應(yīng)用價(jià)值。