應(yīng)急提升輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在千米深井提升機(jī)的應(yīng)用

趙光輝 ，郭空斐 ，徐永福 ，劉坤良

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2智能礦山重型裝備全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

礦 井提升機(jī)是礦山的重要“咽喉”設(shè)備，承擔(dān)著 礦物的提升、人員的上下、材料和設(shè)備的運(yùn)送任務(wù)[1]。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)礦物資源需求的快速上升，市場(chǎng)對(duì)大型化、重載化、成套化超千米深井[2]提升設(shè)備的需求日益增多。與此同時(shí)，設(shè)備故障導(dǎo)致礦工被困井下的事件時(shí)有發(fā)生。究其原因，部分是由于全礦停電或主傳動(dòng)系統(tǒng)損壞，提升機(jī)停止運(yùn)行，此時(shí)提升容器滯留在井筒中。倘若為提人的罐籠，則相當(dāng)危險(xiǎn)[3]，輕則礦工被困無(wú)法升井，重則還會(huì)造成重大的人員傷亡。

如何提高礦井提升機(jī)運(yùn)行時(shí)的安全性與可靠性，越來(lái)越引起國(guó)家應(yīng)急管理部門(mén)以及各地政府的重視。在此形勢(shì)下，開(kāi)發(fā)一種極端工況下，用于安全升降人員的應(yīng)急提升輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)顯得越來(lái)越重要。目前，常用的應(yīng)急提升方法有無(wú)動(dòng)力下放型[4]、齒圈傳動(dòng)外動(dòng)力型[5]兩種，無(wú)動(dòng)力下放型適用于低速單次運(yùn)行，運(yùn)行速度多為 1 m/s；齒圈傳動(dòng)外動(dòng)力型受安裝位置和結(jié)構(gòu)的限制，電動(dòng)機(jī)功率較小，不能實(shí)現(xiàn)大載荷的應(yīng)急提升。針對(duì)超千米深井大載荷、大慣量的提升特點(diǎn)，我公司設(shè)計(jì)了一種非傳動(dòng)側(cè)應(yīng)急提升輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1 輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理

應(yīng)急提升輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是在電動(dòng)機(jī)、變頻器等出現(xiàn)故障或全礦突然斷電等極端工況下，用于安全升降人員的一種應(yīng)急救援設(shè)施，可滿足千米深井提升速度及載荷的需求。它由應(yīng)急傳動(dòng)裝置、應(yīng)急液壓站、應(yīng)急電控系統(tǒng)等組成，原理如圖 1 所示。

圖1 輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理Fig.1 Principle of auxiliary drive system

正常工作時(shí)，提升機(jī)由主傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，以完成正常提升或下放提升容器的工作，此時(shí)應(yīng)急傳動(dòng)裝置處于脫開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)全礦停電或主傳動(dòng)系統(tǒng)損壞且短時(shí)間無(wú)法恢復(fù)，井下礦工需要緊急升井時(shí)，就需要使用應(yīng)急輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。首先，將鼓形齒式聯(lián)軸器快速連接，應(yīng)急傳動(dòng)裝置投入使用；隨后，啟動(dòng)應(yīng)急電源 (柴油發(fā)電動(dòng)機(jī)組) 給應(yīng)急液壓站及電控系統(tǒng)供電，待電壓穩(wěn)定后，通過(guò)應(yīng)急液壓站使提升機(jī)盤(pán)形制動(dòng)器松閘；最后，緩慢啟動(dòng)應(yīng)急電控系統(tǒng)，卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)提升容器安全升井。

2 輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 應(yīng)急傳動(dòng)裝置

應(yīng)急傳動(dòng)裝置布置在提升機(jī)卷筒的非傳動(dòng)側(cè)，與主傳動(dòng)系統(tǒng)之間設(shè)置手動(dòng)脫開(kāi)式鼓形齒式聯(lián)軸器，主要由鼓形齒式聯(lián)軸器、減速器、彈性柱銷聯(lián)軸器、應(yīng)急電動(dòng)機(jī)、傘齒輪組成，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 應(yīng)急傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu) Fig.2 Structure of emergency drive device

減速器為行星齒輪減速器，采用滲碳淬火硬齒面漸開(kāi)線齒輪傳動(dòng)，具有體積小、質(zhì)量輕、承載能力大、傳動(dòng)效率高、工作平穩(wěn)、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。

卷筒的非傳動(dòng)側(cè)外伸軸與減速器之間采用鼓形齒式聯(lián)軸器連接。該聯(lián)軸器主要由內(nèi)齒圈、外齒軸套、半聯(lián)軸器及若干個(gè)螺栓、防塵密封圈組成。它傳遞轉(zhuǎn)矩大，并具有補(bǔ)償安裝時(shí)兩軸的微量偏斜及不同心的功能，安裝難度底，維護(hù)工作量少。傳遞轉(zhuǎn)矩依靠連接螺栓完成，拆掉該螺栓，即可方便地將聯(lián)軸器完全脫開(kāi)。

電動(dòng)機(jī)與減速器之間采用彈性柱銷聯(lián)軸器連接。該聯(lián)軸器主要由一個(gè)整體外套、彈性棒銷和兩個(gè)半聯(lián)軸器組成。聯(lián)軸器傳遞的轉(zhuǎn)矩順序?yàn)椋阂粋?cè)的半聯(lián)軸器—本側(cè)的彈性棒銷—整體外套—另一側(cè)的彈性棒銷—另一側(cè)的半聯(lián)軸器。彈性棒銷受到的是擠壓作用，而其他一般棒銷類聯(lián)軸器的棒銷受到的是剪切作用，相比之下，前種結(jié)構(gòu)的彈性棒銷具有沖擊小、噪聲小、壽命長(zhǎng)、安全可靠等特點(diǎn)。

傘齒輪為兩瓣式，與信號(hào)接口裝置中的傘齒輪嚙合，用于安裝測(cè)速發(fā)電機(jī)、編碼器等元器件，為電控系統(tǒng)提供提升機(jī)的速度和位置信號(hào)。

2.2 應(yīng)急液壓站

應(yīng)急液壓站是輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全和控制部件，與盤(pán)形制動(dòng)器、電控柜組合成為一套完整的應(yīng)急液壓系統(tǒng)，原理如圖 3 所示。

圖3 應(yīng)急液壓系統(tǒng)的原理Fig.3 Principle of emergency hydraulic system

應(yīng)急液壓站通過(guò)管路連接到主制動(dòng)系統(tǒng)的油路中，應(yīng)急模式下，可以為盤(pán)形制動(dòng)器提供壓力可調(diào)節(jié)的高壓油，使提升機(jī)在緊急工況下獲得不同的制動(dòng)力矩。應(yīng)急液壓站與主液壓站之間通過(guò)球閥進(jìn)行切換，同時(shí)具有閉鎖功能。

應(yīng)急液壓站主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)如下：

(1) 采用進(jìn)口電液比例閥，滯環(huán)、線性度和重復(fù)精度較優(yōu)；

(2) 采用恒壓變量柱塞泵，噪聲小、發(fā)熱少；

(3) 配備電加熱器、壓力傳感器和溫度傳感器，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)；

(4) 采用囊式蓄能器，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；

(5) 優(yōu)化了液壓回路，精簡(jiǎn)了元件，故障率低。

2.3 應(yīng)急電控系統(tǒng)

應(yīng)急電控系統(tǒng)主要由柴油發(fā)電機(jī)、配電柜、變頻柜及配套傳感器等組成，原理如圖 4 所示。

圖4 應(yīng)急電控系統(tǒng)的原理Fig.4 Principle of emergency electric control system

應(yīng)急電控系統(tǒng)采用柴油發(fā)電機(jī)，它能滿足提升系統(tǒng)各種運(yùn)行工況需求，同時(shí)為輔助驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、變頻器控制系統(tǒng)、井口與井底操車信號(hào)系統(tǒng)、井口與井底照明提供用電，并預(yù)留一定容量。系統(tǒng)采用主、從雙 PLC 設(shè)計(jì)[6]，兩套 PLC 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信交換運(yùn)行數(shù)據(jù)，配置冗余功能，具有數(shù)字量、模擬量、高速計(jì)數(shù)等數(shù)據(jù)采集及處理功能。

3 選型計(jì)算

山東某公司東副立井采用 JKMD-5.5×4PⅢ 落地式多繩摩擦式提升機(jī)，提升高度為 1 011.8 m，配套中信重工生產(chǎn)的應(yīng)急提升輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。筆者以此項(xiàng)目為例，介紹輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要部件的選型計(jì)算。該項(xiàng)目所用提升機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所列。

表1 JKMD-5.5×4 型提升機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of JKMD-5.5×4 hoist

3.1 應(yīng)急電動(dòng)機(jī)選型

(1) 系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

(2) 卷筒轉(zhuǎn)矩 根據(jù)動(dòng)量矩定理

卷筒轉(zhuǎn)矩

(3) 電動(dòng)機(jī)功率

式中：n為卷筒轉(zhuǎn)速，r/min；K為實(shí)際使用系數(shù)，取 1.2；η為功率傳遞系數(shù)，取 0.9。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：額定功率為 710 kW，額定轉(zhuǎn)速為 495 r/min，額定電壓為 1 140 V。

3.2 減速器選型

(1) 卷筒轉(zhuǎn)速 輔助提升的最大速度為 3.5 m/s，則卷筒的最大轉(zhuǎn)速

(2) 減速器速比

(3) 減速器轉(zhuǎn)矩 克服系統(tǒng)慣量及阻力所需的啟動(dòng)力矩

式中：k為功率損耗系數(shù)，取 0.02；P主為主傳動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率，P主=3 000 kW。

靜力矩

減速器額定輸出轉(zhuǎn)矩

式中：f1為設(shè)備使用系數(shù)，取 1.6；Sf為可靠性系數(shù)，取 1.4。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇減速器參數(shù)為：名義速比為 40.74，額定輸出轉(zhuǎn)矩為 763 kN·m。

4 結(jié)語(yǔ)

中信重工設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的應(yīng)急提升輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已在某項(xiàng)目中得到應(yīng)用。該系統(tǒng)的提升載荷為 10.8 t，應(yīng)急提升速度為 3.5 m/s，可以滿足千米深井應(yīng)急提升需求。此外，提升機(jī)正常工作時(shí)，該系統(tǒng)處于脫開(kāi)狀態(tài)，不影響主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行；當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)急運(yùn)行需求時(shí)，能夠快速切換到輔助驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式。新系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，對(duì)于提高提升系統(tǒng)的運(yùn)行安全性、完善后備保護(hù)功能具有重要的意義。